粉体力学8-1.ppt

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1、4 粉体动力学粉体动力学4.1 4.1 粉体流动的流型及偏析现象粉体流动的流型及偏析现象4.2 4.2 质量流量公式质量流量公式4.3 4.3 莫尔应变率圆莫尔应变率圆4.4 4.4 料仓设计料仓设计4 Kinematics of Powder4.14.1粉体流动的流型及偏析现象粉体流动的流型及偏析现象粉体流动的流型及偏析现象粉体流动的流型及偏析现象 均匀、垂直均匀、垂直偏离垂直方向偏离垂直方向剧烈运动剧烈运动静止不动静止不动流流出出孔孔孔孔径径和和颗颗粒粒直直径径的的比比D0/dp10，流流量量也不均匀。也不均匀。料仓壁面压力料仓壁面压力D0壁面摩擦力壁面摩擦力加加料料、卸卸料料过过程程的的

2、流动模式流动模式4.14.1 粉体流动的流型及偏析现象粉体流动的流型及偏析现象 中心流动（漏斗流动）中心流动（漏斗流动）斜度小斜度小 或或壁面粗糙壁面粗糙漏斗流漏斗流A A、也称也称“中心流动中心流动”，产生在平，产生在平底的料仓中或带料斗的料仓中；底的料仓中或带料斗的料仓中；B B、通道是圆锥形的，下部的直通道是圆锥形的，下部的直径近似等于出口有效面积的最大径近似等于出口有效面积的最大直径，当通道从出口向上伸展，直径，当通道从出口向上伸展，它的直径逐渐增加；它的直径逐渐增加；C C、颗粒在料位差下固结时，物颗粒在料位差下固结时，物料密实且表现出很差的流动特料密实且表现出很差的流动特性。性。漏

3、斗流料仓存在的缺点漏斗流料仓存在的缺点出料口的流速可能不稳定，因为料拱一会形成，一会破出料口的流速可能不稳定，因为料拱一会形成，一会破碎，以至流动通道不稳定。由于流动通道内的应力变化，碎，以至流动通道不稳定。由于流动通道内的应力变化，卸料很大，可能使安装在卸料口的容积式给料器失效。卸料很大，可能使安装在卸料口的容积式给料器失效。料拱或穿孔崩塌时，细粉料可能被充气，并无法控制地倾料拱或穿孔崩塌时，细粉料可能被充气，并无法控制地倾泻出来。存在这些情况时，一定要用正压密封卸料装置。泻出来。存在这些情况时，一定要用正压密封卸料装置。密实应力大，不流动区留下的颗粒可能变质或结块。密实应力大，不流动区留下

4、的颗粒可能变质或结块。沿料仓的长度安装的料位指示器置于不流动区的物料下沿料仓的长度安装的料位指示器置于不流动区的物料下面，因此不能正确指示料仓下部的料位。面，因此不能正确指示料仓下部的料位。质量流动（整体流动）质量流动（整体流动）斜度大斜度大 且且壁面光滑壁面光滑整体流整体流A A、全部物料处于运动全部物料处于运动状态，并贴着垂直部分状态，并贴着垂直部分的仓壁和收缩的料斗壁的仓壁和收缩的料斗壁滑移；滑移；B B、流动产生的应力作流动产生的应力作用在整个料斗和垂直部用在整个料斗和垂直部分的仓壁上。分的仓壁上。整体流仓内没有死角，避免了物料的不稳定流动、沟流和溢整体流仓内没有死角，避免了物料的不稳

5、定流动、沟流和溢流；流；能把粒度分离的物料重新混合，形成了先进先出的流动，最大能把粒度分离的物料重新混合，形成了先进先出的流动，最大限度地减少了存储期间的结块、变质或偏析问题；限度地减少了存储期间的结块、变质或偏析问题；颗粒料的密度在卸料时是常数，料位差对它没有影响，颗粒料的密度在卸料时是常数，料位差对它没有影响，可用容积式供料装置很好地控制物料；可用容积式供料装置很好地控制物料；两种流动模式的比较两种流动模式的比较 可制流量，因此任意截面上的压力可以预测且相对均匀；可制流量，因此任意截面上的压力可以预测且相对均匀；物料的密实程度和透气性能是均匀的，物料的密实程度和透气性能是均匀的，流动的边界

6、可以预测，可用静态流动流动的边界可以预测，可用静态流动条件进行分析；条件进行分析；整体流需要增加料仓高度，增加仓壁的磨损。整体流需要增加料仓高度，增加仓壁的磨损。1 1）布朗-霍克斯雷-克瓦毕尔的椭圆体流动理论的椭圆体流动理论2）詹尼克的塑性体流动理论）詹尼克的塑性体流动理论 仓流现象的理论分析仓流现象的理论分析（1 1）料仓内粉粒体流出顺序）料仓内粉粒体流出顺序擦过擦过擦过擦过B B B B，向料仓中心迅速滑动带向料仓中心迅速滑动带向料仓中心迅速滑动带向料仓中心迅速滑动带擦过擦过擦过擦过E E E E，向，向，向，向料仓中心缓慢滑动带料仓中心缓慢滑动带料仓中心缓慢滑动带料仓中心缓慢滑动带自由

7、降落带自由降落带自由降落带自由降落带固定不动滞留带固定不动滞留带固定不动滞留带固定不动滞留带颗粒垂直运动带颗粒垂直运动带颗粒垂直运动带颗粒垂直运动带仓流现象的理论分析仓流现象的理论分析（2 2 2 2）料仓内粉粒体流动椭球体）料仓内粉粒体流动椭球体）料仓内粉粒体流动椭球体）料仓内粉粒体流动椭球体颗粒静止角漏斗颗粒静止角漏斗一次运动椭圆体一次运动椭圆体流出漏斗流出漏斗二二次次运运动动椭椭圆圆体体一次流动椭圆体是一次流动椭圆体是一次流动椭圆体是一次流动椭圆体是B B B B、E E E E交界面，其长轴是交界面，其长轴是交界面，其长轴是交界面，其长轴是垂直的，颗粒群成团运动；二次椭圆体即垂直的，颗

8、粒群成团运动；二次椭圆体即垂直的，颗粒群成团运动；二次椭圆体即垂直的，颗粒群成团运动；二次椭圆体即C C C C本身，其内料流是颗粒的各自运动；椭本身，其内料流是颗粒的各自运动；椭本身，其内料流是颗粒的各自运动；椭本身，其内料流是颗粒的各自运动；椭圆体内产生垂直降落和滚动两种运动，边圆体内产生垂直降落和滚动两种运动，边圆体内产生垂直降落和滚动两种运动，边圆体内产生垂直降落和滚动两种运动，边界之外，没有运动；一次椭圆体以内的物界之外，没有运动；一次椭圆体以内的物界之外，没有运动；一次椭圆体以内的物界之外，没有运动；一次椭圆体以内的物料，产生整体流动；一次椭圆体是二次椭料，产生整体流动；一次椭圆体

9、是二次椭料，产生整体流动；一次椭圆体是二次椭料，产生整体流动；一次椭圆体是二次椭圆体的圆体的圆体的圆体的15151515倍。倍。倍。倍。Kvapil实验观测方形容器内的堆积的粒子重力流动实验观测方形容器内的堆积的粒子重力流动凡凡处处于于大大于于休休止止角角的的颗颗粒粒均均产产生生流流向向出出口口的的中中心心流动流动KvapilKvapil流动椭圆体流动椭圆体垂直和滚动垂直和滚动垂直和滚动垂直和滚动不运动不运动不运动不运动流动锥体流动锥体流动锥体流动锥体料仓出口料流形成椭圆体流型较好料仓出口料流形成椭圆体流型较好4.1粉体流动的流型及偏析现象粉体流动的流型及偏析现象偏析机理：细颗粒的渗流作用振动

10、颗粒的下落轨迹料堆上的冲撞安息角的影响4.1粉体流动的流型及偏析现象粉体流动的流型及偏析现象偏析防止方法：4.1粉体流动的流型及偏析现象粉体流动的流型及偏析现象偏析防止方法：防止离析防止离析堵塞措施堵塞措施料仓多点加料料仓多点加料 改善物料的流动性改善物料的流动性 添设垂直挡板添设垂直挡板细细 高高 法法 安装助流装置安装助流装置 恰当设计料仓的形状、尺寸恰当设计料仓的形状、尺寸 4.2 质量流量公式质量流量公式与流体不同：粉体的质量流量与流体不同：粉体的质量流量qm与高度与高度H与直径与直径D无关；与开口尺寸无关；与开口尺寸D0、粉体的堆积密度粉体的堆积密度B、内内摩擦角摩擦角i、重力加速度

11、重力加速度g有关有关4.2.1 质量流量经验关联公式因次分析因次分析C 常数，与内摩擦角有关常数，与内摩擦角有关不同粉体实验结果的关联表明不同粉体实验结果的关联表明K 是与粉体有关的常数，指数是与粉体有关的常数，指数n在在2.53.0之之间，通常取间，通常取2.74.2.1 质量流量经验关联公式质量流量经验关联公式粉体从柱体底部开口流出或从处于中心流动粉体从柱体底部开口流出或从处于中心流动的锥体流出时，质量流量常采用关联式的锥体流出时，质量流量常采用关联式对于光滑的球形颗粒对于光滑的球形颗粒,C C=0.64;=0.64;对其他粉体对其他粉体C C=0.58=0.58。球形颗粒球形颗粒:k k

12、=1.5=1.5，非球形颗粒的，非球形颗粒的k k值略高值略高d1/6d1/6d1/6d1/6开口尺寸开口尺寸开口尺寸开口尺寸 机械堵塞机械堵塞机械堵塞机械堵塞d400d400d400d 3000m)(3000m)的颗粒体的颗粒体,易形成机械拱易形成机械拱对于平均直径较小的粉体物料对于平均直径较小的粉体物料,不产生粘性拱的最小卸料口尺寸不产生粘性拱的最小卸料口尺寸粉体物料的临界开放屈服强度粉体物料的临界开放屈服强度粉体密度粉体密度对于圆形和方形卸料口对于圆形和方形卸料口,i i=1;=1;对于缝形卸料口对于缝形卸料口(L L 33B B),),i i=0=0 1、料仓下部的锥面倾角对物料在仓内

13、的流动有重大影响；、料仓下部的锥面倾角对物料在仓内的流动有重大影响；2、至少要等于物料的休止角，必须大、至少要等于物料的休止角，必须大 于物料与仓壁的摩擦角，于物料与仓壁的摩擦角，否则，物料就不能全部从仓内流出；否则，物料就不能全部从仓内流出；3、一般锥面倾角要比摩擦角大、一般锥面倾角要比摩擦角大5 10，比储存物料的自然休止角，比储存物料的自然休止角约大约大1015。对于整体流的料仓，锥面倾角一般取。对于整体流的料仓，锥面倾角一般取 5575。考。考虑到较大的倾角会使建筑高度增加，对于直径大于虑到较大的倾角会使建筑高度增加，对于直径大于6m的料库，宜采的料库，宜采用用24个卸料口。个卸料口。

14、4、减小粉体的壁摩擦角及料仓锥形部分的倾斜角，可以使料仓内的、减小粉体的壁摩擦角及料仓锥形部分的倾斜角，可以使料仓内的粉粒体呈整体流；反之，成漏斗流。粉粒体呈整体流；反之，成漏斗流。总总 结结 料仓设计时一定要保证其具有可靠强度来承受物料的压料仓设计时一定要保证其具有可靠强度来承受物料的压力，否则生产中将出现料仓开裂甚至倒塌。料仓中的物料压力力，否则生产中将出现料仓开裂甚至倒塌。料仓中的物料压力可分解成可分解成圆筒圆筒和和圆锥圆锥两部分来计算。两部分来计算。料仓内物料的压力作用于料仓侧壁和底部料仓内物料的压力作用于料仓侧壁和底部料仓内物料的压力作用于料仓侧壁和底部料仓内物料的压力作用于料仓侧壁

15、和底部1 1、料仓内的物料产生水平力，作用在仓壁上引起拉应力；、料仓内的物料产生水平力，作用在仓壁上引起拉应力；2 2、物料的部分重量通过摩擦力转移到仓壁，引起垂直压缩或弯曲、物料的部分重量通过摩擦力转移到仓壁，引起垂直压缩或弯曲应力。应力。四、四、物料作用在仓壁上的压力物料作用在仓壁上的压力要点要点 当料仓中装满物料时，由于物料与仓壁之间的摩擦力作当料仓中装满物料时，由于物料与仓壁之间的摩擦力作用，仓壁上所承受的压力与物料层高度用，仓壁上所承受的压力与物料层高度的关系并不服从流的关系并不服从流体压力分布规律。体压力分布规律。几点基本假设几点基本假设1、料仓内物料全部装满；、料仓内物料全部装满

16、；2、同一平面的垂直压力恒定；、同一平面的垂直压力恒定；3、物料基本物性和填充状态均一，内摩擦系数为常数。、物料基本物性和填充状态均一，内摩擦系数为常数。圆筒部分仓壁压力圆筒部分仓壁压力料仓中物料层的作用力料仓中物料层的作用力 力的平衡式力的平衡式:将水力半径代入，整理：将水力半径代入，整理：测压系数测压系数 水平压力水平压力 要点要点 如果在仓内充满液体，液体柱自重所引起的侧壁压力与如果在仓内充满液体，液体柱自重所引起的侧壁压力与侧壁的倾斜度无关。但是，如果仓内装的是散粒物料，由侧壁的倾斜度无关。但是，如果仓内装的是散粒物料，由于物料的内摩擦力将使侧壁压力显著降低于物料的内摩擦力将使侧壁压力

17、显著降低。圆锥部分仓壁压力圆锥部分仓壁压力料仓中物料层的作用力料仓中物料层的作用力 正压强正压强:单位长度上的作用力：单位长度上的作用力：正压力正压力 最大主应力最大主应力1 1。该应力与料。该应力与料仓中的料位高度仓中的料位高度H H 有关有关,在筒在筒仓部分仓部分,1 1 随料深按指数规随料深按指数规律增加律增加;在筒仓与料斗的相接在筒仓与料斗的相接处处,1 1 达最大达最大;在料斗部在料斗部分分,1 1 线性递减线性递减,至料斗顶至料斗顶角处角处,1 1 降至零。降至零。c c 随随1 1 的增加而增加的增加而增加,c c 在在h h=0=0 和和h h=H H 处并不处并不等于零等于零

18、,这是由粉体的粘性所这是由粉体的粘性所致。粉体物料的开放屈服强度致。粉体物料的开放屈服强度cc,可由剪切试验确定可由剪切试验确定料拱脚处的支承反作用主应力料拱脚处的支承反作用主应力,简称反作用主应力简称反作用主应力,又称又称破拱主应力。它主要取决于料斗半顶角和料拱跨度破拱主应力。它主要取决于料斗半顶角和料拱跨度W W 等。由等。由于于正比于料拱跨度正比于料拱跨度W W,故在筒仓部分故在筒仓部分为一常数为一常数,在料斗在料斗部分部分线性减至零。线性减至零。粉体物料的临界开放屈服强度粉体物料的临界开放屈服强度,指的是相应于指的是相应于两条曲线两条曲线=f(f(1)1)与与c c=F(F(1)1)的

19、交点的交点的开放屈服强度。的开放屈服强度。对于圆锥形料斗对于圆锥形料斗,破拱破拱主应力主应力与最大主应力与最大主应力1 1 的关系的关系:应用实例应用实例 需要设计一台圆形整体流料仓需要设计一台圆形整体流料仓,确定料斗半顶角和卸确定料斗半顶角和卸料口直径料口直径B B。已知粉体物料的有效内摩擦角。已知粉体物料的有效内摩擦角=40=40,壁面摩擦角壁面摩擦角 =23=23,平均密度平均密度=960kg/m=960kg/m3 3 。解解:(1):(1)由求料斗半顶角。由求料斗半顶角。(2)(2)确定临界开放屈服强度。确定临界开放屈服强度。(3)(3)确定确定H(H()。(4)(4)确定不形成粘性料

20、拱的最小卸料口直径。确定不形成粘性料拱的最小卸料口直径。料料 仓仓 的的 容容 积积 计计 算算 V V 料仓的有效容积料仓的有效容积 V VR R 料仓的容积料仓的容积 V VL L 料仓的损失容积料仓的损失容积 D D 料仓圆筒的内径料仓圆筒的内径 d d 料仓卸料口的内径料仓卸料口的内径 h h1 1 料仓圆筒的高度料仓圆筒的高度 h h2 2 料仓圆锥部分的高度料仓圆锥部分的高度料仓的有效容积还应考虑安料仓的有效容积还应考虑安装料位计、设置安全阀、排装料位计、设置安全阀、排气口和人孔等。计算所得的气口和人孔等。计算所得的料仓容积总比实际需要的小，料仓容积总比实际需要的小，因此，一般需将

21、计算所得数因此，一般需将计算所得数据加大据加大1.051.051.181.18倍。倍。料料 仓仓 的的 卸卸 料料 能能 力力漏斗流漏斗流整体流整体流1 1、漏斗流动，物料从卸料口卸出的速度随卸料口尺寸的增大而提高；、漏斗流动，物料从卸料口卸出的速度随卸料口尺寸的增大而提高；整体流动，卸出速度与卸料口尺寸无直接关系。整体流动，卸出速度与卸料口尺寸无直接关系。2 2、在实际计算时，若料仓中陷落物料容积界线近于仓壁，按整体流形式、在实际计算时，若料仓中陷落物料容积界线近于仓壁，按整体流形式计算；若其比料仓容积为小，按漏斗流形式计算；若流动形式难以确定，计算；若其比料仓容积为小，按漏斗流形式计算；若流动形式难以确定，按漏斗流形式作初步估算。按漏斗流形式作初步估算。