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离散颗粒流动分选与切应力波动实验研究

毛旭锋  
【摘要】: 颗粒流动广泛涉及于自然和工程过程中,尤其是对滑坡、泥石流、沙丘演化、大气和河流颗粒污染物迁移等生态环境保护的理论研究以及水泥、冶金、食品、管道运输和能源等环境工程技术的现实应用有重要意义。 为了研究颗粒流动过程中的内在机制,本文采用实验方法,从颗粒物理运动学和力学角度研究颗粒物剪切流动过程中的一些特殊现象,主要包括以下三个重要内容:颗粒剪切流动过程中的垂向分选、非均匀颗粒中性悬浮条件下剪切流动切应力以及颗粒流动中的力链结构。 以上这三个问题是颗粒流研究的热点,相互间密切相关。颗粒的分选是颗粒流动过程的附产物,只要系统内颗粒存在差异,颗粒分选必然会发生。颗粒流动过程中的切应力是反应颗粒流动状态的重要参数,影响着颗粒的分选过程和结果。力链就是颗粒密度流中内部应力传递的重要方式,影响着切应力的大小。 为此,自行设计了剪切室实验系统,根据实验要求安排大小不同、性质各异的颗粒在不同条件下剪切循环流动,分组研究上述内容。实验系统主要由三相电机、变频调速器、扭矩仪、剪切环、同心剪切筒等部分组成。针对三个实验的不同特点,可对实验系统相应作了调整。与以往的实验系统相比,该实验系统能简单连续地调节颗粒流速和流动时间,颗粒流动距离没有长度限制,适应范围广,操作性强。 以该实验系统为基础对以上问题进行了研究,通过实验分析后认为,同密度不同大小的颗粒系统垂向分选主要受“随机振动筛机制”控制,颗粒分选的速度与程度受到颗粒浓度比和流速的影响;当颗粒中性悬浮条件下受剪切时,随着颗粒浓度和剪切速度的增大,颗粒的切应力也逐渐增大。相同剪切率条件下,小颗粒的切应力最小,大颗粒的切应力最大,而二者混合的非均匀颗粒切应力居二者之间,而剪切方式的不同可能是造成Savage和Bagnold实验结果差别的原因;对于干躁的颗粒系统而言,其在慢速剪切切应力波动幅度很大的原因与颗粒系统内部存在力链有关。力链的这种不稳定的结构和特殊的传递应力方式是颗粒切应力大幅波动的主要原因,颗粒流速、粒径、干躁和不规则程度的增大均会不同程度增大链上应力的大小以及力链出现频率。


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