第五章-散粒体力学特性-5-4

1第五章散粒体力学特性第二节散粒体的流动特性料仓和料斗是处理散粒物料的主要装备。料仓应能容纳一定体积的物料并以规定的速率在所要求的时间内排料。料仓设计不合理将会导致流动中断、扰动流并形成死区和离析等问题。散粒物料在料仓和料斗内的流动情况不但受物料本身的物理特性，如粒度、密度、擦特性，粘聚性的影响，而且和料斗的尺寸、锥顶角等有关。一散粒物料在料仓和料斗内的重力流动形式根据经验，物料的粒径越小、粒子形状越复杂、摩擦阻力越大、重度或容重越小、越潮湿，落粒拱现象越严重。从容器方面观察，壁面倾角越小、表面越粗糙、排料口越小，落粒拱现象越严重。若散粒物料在料仓或流斗内能象液体那样在不同高度上同时均匀全部地向下流动，则称为整体流，也称为质量流动。整体流动时无论中心部分还是靠料斗壁处的物料都充分流动，先装进的物料先流出来，使物料迅速排空而无死区存在。1整体流如果散粒物料在料仓和料斗的中心部分产生漏斗状的局部流动，而周围其它区域的物料停滞不动，则称为中心流或漏斗流。漏斗流流动时，先装进去的物料后流出来，漏斗状通道周围的静止物料形成死区，减少了料仓的有效空间。在狭窄的漏斗状通道中流动不稳定，速度不均匀，容易在料斗内“结拱”，引起流动中断。2漏斗流散粒物料在料仓或料斗排料过程中，散粒体堵塞在排料口处，在排料口上方形成拱桥或洞穴。前者称为结拱，后者称为结管。落粒拱很早以前，人们就采用在散粒体容器出口的纵断面上装设玻璃，容器内层状地填充着染色粒子的方式，对重力作用下的散粒体的流动进行了研究。尤其，Kvapil对方格状堆积的粒子重力流动进行过详细的观察。染色粒子所呈现的流出断面的型式即流型为排出口的正上方部分先流出；然后逐渐扩大流动范围，流动范围之外的部分静止不动。流动过程D为颗粒自由降落区；C为颗粒垂直运动区；B为颗粒擦过E区向出口中心方向缓慢滑动区；A为颗粒擦过B区向出口中心方向迅速滑动区；E为颗粒不流动区。很显然，凡是处在大于休止角的颗粒均会产生流向出口中心的运动。C区的形状象一个小椭圆体；B、E区的交界面也象一个椭圆体。为此，Kvapil提出流动椭圆的概念。2图8—16所示的流动椭圆体EN和EG分别代表上述两个椭圆体。流动椭圆体EN内的颗粒产生两种运动：第一运动（垂直运动）和第二运动（滚动运动）。边界椭圆体EG以外的颗粒层不产生运动。另外，EN的顶部为流动锥体E0。显然，料仓出口的料流如果能形成上述椭圆体流型将是人们所期望的。ENEG图4－17是散粒物料流动类型的判定图。当物料与料斗壁面的摩擦角和料斗半顶角比较小时，流动为整体流。对于能充分自由流动的物料，整个漏斗容积内的物料几乎全部被活化，即紧靠料斗壁面的物料也产生运动。在料斗中心线和壁面间的各处的颗粒，流动速度相差达20倍，中心处的流动速度比壁面处大得多。流动类型的判定第五章散粒体力学特性第二节散粒体的流动特性散粒物料的流动特性可以通过直接剪切试验来研究。如前所述，利用直接剪切仪在散粒体表面加预压实载荷N0，在N0下进行剪切，测出流动剪切力S0、然后，以小于预压实载荷N0的各个载荷N1、N2……进行剪切试验，测出各个载荷所对应的流动时剪切力S1、S2、……。二散粒物料流动性1流动稳定线根据各组数据可在τ和σ座标上确定一条光滑曲线，称为屈服轨迹。将预压实载荷逐渐减小，依次类推，就可以得到一组屈服轨迹线。将屈服轨迹线各终点连接起来，可得到一条稳定的流动曲线。它表示在不同预压实状态下，散粒物料的流动条件。如果物料的某一受力情况在稳定流动线以下，则它不会产生剪切流动；反之，则会发生剪切流动。2散粒体的流动函数落粒拱存在自由表面，并且在自由表面上既无切应力也无正应力，根据切应力互补原理，在与自由表面相垂直的表面上只有正应力而无切应力。取含自由表面的一微元体如所示，可以看出此正应力也是使拱破坏的最大正应力。这一最大正应力是散粒体的物性，称为物体的无围限屈服强度。考虑如所示物体开始流动时的库仑曲线，由于在落粒拱的自由表面上既无切应力也无正应力，所以图中的坐标原点是落粒拱自由表面的应力状态。则与落粒拱自由表面相垂直的表面对应于σ轴上某一点，根据库仑定律，当过原点的莫尔应力圆与库仑曲线相切时，粉体开始流动，即落粒拱破坏。所以，散粒体的无围限屈服强度对应于该莫尔圆与σ轴的交点，如图所示。cσcσ3由图2—27的几何关系可得从上两式可得物体的无围限屈服强度为:cci2sinOAσσφ+=itancOAφ=ici2cos1sincφσφ=⋅−因此，MolerusI类散粒体的无围限屈服强度为0，即MolerusI类散粒体不结拱；MolerusII类物体的无围限屈服强度是一常数，与预压缩应力无关；MolerusIII类散粒体的无围限屈服强度随预压缩应力的增加而增加，即拱的强度随预压缩应力的增加面增加。cσJenike定义粉体流动函数FF为预压缩应力与粉体的无围限屈服强度1cFFσσ=可见，MolerusI类散粒体的Jenike流动函数FF→∞；MolerusII类散粒体的流动函数FF是与预压缩应力无关的常数；MolerusIII类散粒体的流动函数FF与预压缩应力有关。Jenike建议的散粒体流动性与流函数FF的关系：式中：σ1－散粒体预压实应力。料斗本身的流动条件或流动性用流动因素ff表示：3料斗的流动条件1affσσ=式中：σa－散粒体结成稳定拱的最小拱内应力。ff值越小，料斗的流动条件越好。对于形状一定的料斗，存在一条流动因素临界线，如果散粒体的流动函数曲线在这条临界线以下，则散粒体的强度不足以支持成拱，不会产生流动中断。4最小排料口尺寸流动函数FF是由散粒体本身的性质决定的，而流动因素ff则由散粒体性质和料斗的几何尺寸、壁面特性等来确定。如果具有某种流动性质的散粒体，以FF曲线表示，将它放入具有某一临界流动因素ff的料斗内，当存在σc＝σa时，则可获得FF与ff的交点。这个交点可以决定避免成拱的最小排料口尺寸。对于不同形状的料斗，流动函数FF与流动因素ff线交点的位置不同，因而散粒体的流动状态也不同。为了避免散粒物料在重力卸料过程中形成落粒拱，需要求出卸料口的临界孔口尺寸。具有重度为γs的散粒物料流出孔口时，拱形物料受力如图所示。令B表示圆孔的直径或长度为L的槽宽，T表示落粒拱的厚度。对于小的落粒拱，向下作用的物料重力，和拱内压缩力p的向上垂直分力相等：4临界状态下，拱内压缩力p就是散粒体能结成稳定拱的最小拱内应力σa，它等于无围限屈服强度σc。对于长槽孔：2cossinsBLTpLTγαα=(/)sin(2)sBpγα=对于圆孔：2/4cossinsBTBTpπγπαα=(2/)sin(2)sBpγα=(/)sBpγ≥(2/)sBpγ≥对于长槽孔：对于圆孔：