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《东北大学》 2009年
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一元和二元球形颗粒在振动条件下致密堆积的实验研究

李友清  
【摘要】:本文系统研究了同一尺寸粒子在二维(2D)连续振动、整体加料和批量加料条件下的堆积致密化,详细分析了各振动参数(如振动时间t、振幅A、振动频率ω、振动强度Γ、容器尺寸D(容器壁)以及加料批量B对粒子堆积密度的影响,找到实现致密化的最佳工艺参数;同时论文还初步展开了二元粒子在一维(1D)连续振动、整体加料条件下堆积致密化的物理实验,着重研究了粒子的尺寸比及成分对堆积密度的影响。实验结果表明: (1)2D连续振动、整体加料可以实现比1D振动更密的堆积,且消除容器尺寸影响后同一尺寸玻璃球最大密度可达0.6757,表明该结构已不是纯随机的了,实验观察发现堆积局部有序。 (2)振动时间可以促进堆积的致密化,但太长的时间对堆积密度的增加无益。 (3)无论是整体加料还是批量加料,振动频率ω和振幅A对堆积密度p的影响都具有相同的趋势,即粒子的堆积密度都是随着ω或A的增加而增大,达到最大值后又随着ω或A的进一步增加而降低。因此,每种情况下都存在最佳的ω和A值来实现致密的堆积。 (4)A和ω对粒子堆积密度的影响可以归结为振动强度Γ(定义为Γ=Aω2/g)的作用,增加A或ω可以使振动强度增加,从而使输入到堆积中的能量增大,有利于致密化的进行,然而太大的A或ω会使输入到堆积中的总能量过大,造成对堆积的过度激发,使堆积密度降低,因此Γ的选取应控制在一定的范围。另外,研究发现不能只靠单一的Γ来表征形成的致密结构,应分别考虑A和ω的影响。 (5)除了振动参数外,容器尺寸也会对粒子的堆积密度产生影响,它体现为容器壁的作用,容器尺寸越大,壁的影响越小,粒子的堆积密度越高,实验中我们是采用对不同尺寸容器中堆积密度的外推来消除容器壁影响,结果发现整体加料、和批量加料时无限大容器中的粒子堆积密度分别为0.6757和0.7131,远远高于随机密排的最大密度0.64,表明堆积结构已由无序向有序转变。 (6)对于2D振动批量加料而言,加料的批量B也会对粒子的堆积密度产生重要影响,当B介于1层/批到3层/批之间时,B的影响最显著,相同振动条件下堆积密度随着B的增加迅速降低,当B3层/批时,堆积密度已经很低,进一步增加B对它的影响不大。高密度区位于B≤1层/批,在该范围内的B都可以实现很高密度的堆积,即在这区域内B的变化对堆积密度的影响可以忽略。 (7)在二元粒子的1D振动堆积中,振动条件固定时,粒子的尺寸比和成分(大粒子所占的体积分数)对堆积密度产生重要影响,尺寸比越大,相同条件下获得的堆积密度就越高;粒子的成分对堆积密度的影响是随着大粒子体积分数的增加,堆积密度呈现先上升后下降的趋势,而最大密度对应的大粒了的体积分数占优,且粒子的尺寸比越大,最密堆积中大粒子所占的体积分数就越大,这符合Furnas的规律。结果发现,即使是在有限尺寸的容器中(没有消除容器壁的影响),二元粒子的最大堆积密度也高达0.7522,它超越了单一尺寸球形粒子在振动条件下所能获得的最大密度,为振动条件下更高密度的实现提供了一种有效的方式。 本课题的顺利完成对研究高密度物质的结构及其转变,以及超越FCC或HCP密度的更密堆积结构的实现具有重要的意义。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O347.7

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【共引文献】
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1 李长兴;单一尺寸球的一维和三维振动堆积致密化的实验研究[D];东北大学;2009年
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