当前位置：文档之家 › 非球形颗粒碰撞过程硬颗粒与软颗粒模型比较 研究

非球形颗粒碰撞过程硬颗粒与软颗粒模型比较 研究

  • 格式：pdf
  • 大小：1.30 MB
  • 文档页数：6

Applied Physics 应用物理, 2017, 7(4), 97-102

Published Online April 2017 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/app https://doi.org/10.12677/app.2017.74014

文章引用: 吴达岭, 桂南. 非球形颗粒碰撞过程硬颗粒与软颗粒模型比较研究[J]. 应用物理, 2017, 7(4): 97-102. https://doi.org/10.12677/app.2017.74014

Comparison of Collision Dynamics of

Non-Spherical Particles between the

Hard-Particle Model and

Soft-Particle Model

Daling Wu1, Nan Gui 2

1Zhejiang Academy of Safety Science and Technology, Hangzhou Zhejiang

2Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Key Laboratory of Advanced Reactor

Engineering and Safety, Ministry of Education, Beijing

Received: Apr. 6th, 2017; accepted: Apr. 20th, 2017; published: Apr. 27th, 2017

Abstract

Non-spherical particles and complex non-spherical particle systems are commonly encountered in

energy chemical engineering, mineral engineering, and safety manufacturing engineering. The

collision dynamics of non-spherical particles are fundamental issues in the investigations of com-

plex particle systems. Discrete element method is the most prevalent models for particle-particle

collision of spherical shapes, which incorporates a spring, a dashpot, and a frictional interaction.

In this work, a comparative and analytical study on the mathematical models of collision dynamics

for non-spherical particles is carried out. The hard non-spherical particle model and the soft-par-

ticle model have been compared. It indicates that agreeable simulation results can be found for

the two models. The two models have different advantages or disadvantages in accuracy, compu-

tational stability, and feasibility, with particular suitability for different cases.

Keywords

Energy Engineering, Chemical Engineering, Safety Manufacturing, Non-Spherical, Collision Model,

Discrete Element Method, Hard Particle, Soft-Particle

非球形颗粒碰撞过程硬颗粒与软颗粒模型比较

研究

吴达岭1，桂 南2

1浙江省安全生产科学研究院，浙江 杭州 吴达岭，桂南

98 2清华大学核能与新能源技术研究院，先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京

收稿日期：2017年4月6日；录用日期：2017年4月20日；发布日期：2017年4月27日

摘 要

在能源化工过程、矿业冶金及安全生产过程中均会涉及复杂的实际非球形颗粒体系，而颗粒的非球形碰

撞动力学过程是对复杂颗粒体系进行研究必须要考虑的基本问题。离散元方法通过弹簧、阻尼、摩擦三

种力学特性对颗粒-颗粒接触力进行建模，是目前国际上最为广泛使用的针对球形颗粒体系的模型。本文

对典型三角形非球形碰撞动力学工程过程进行理论分析和模型比较研究，对国际上目前正在研究的硬颗

粒和软颗粒非球形碰撞模型进行了比较。通过模型比较，证明了在工程上可以接受的计算误差范围内，

软颗粒和硬颗粒计算结果吻合较好，两者在计算精度、稳定性、适用性方面各有优势，可以在不同的应

用场合分别采用不同的计算模型。

关键词

能源工程，化工过程，安全生产，非球形，碰撞模型，离散元，硬颗粒，软颗粒

Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

在能源工程、化工工程、矿冶工程、安全生产等过程中均会涉及不同的颗粒流动过程，比如颗粒流

化过程、粉碎过程、包覆过程、传热过程等。对工业过程复杂颗粒体系行为的研究是颗粒学研究的一项

中心课题。其目的是为了了解微观颗粒动力学特性与颗粒体系的宏观行为之间的相互关系[1]。

在理论研究中，离散元方法由于能提供几乎全部的碰撞动力学信息，包括每个颗粒的轨迹，瞬时相

互作用力等，因而在过去的十几年中获得了越来越广泛的应用。离散元方法属于确定性模型，分为软球

模型和硬球模型两种实现途径。硬球模型[2] [3]完全忽略颗粒形变，通过颗粒之间的相对位置和动量和角

动量守恒来求解碰撞动力学过程，其中非完全弹性碰撞特性和摩擦则通过恢复系数和摩擦系数引入，多

用于求解二体碰撞动力学。软球模型[4] [5]通过计算颗粒受力、形变及形变历史求解碰撞过程，可同时处

理多体碰撞动力学。

最近，作者提出了针对非球形颗粒碰撞过程的硬颗粒模型(GHPM) [6]和软颗粒模型(SIPHPM) [7]。其

中硬颗粒模型GHPM拓展了原硬球模型的思想，给出了任意形状非球形理想硬质颗粒碰撞动力学过程的

解析解；软颗粒模型(SIPHPM)则提出基于在任意非球形形状的颗粒边界线上依次嵌入软质小球颗粒，通

过模拟小颗粒之间，及小颗粒包围的面与其他非球形颗粒的小颗粒之间的碰撞过程，建立非球形颗粒之

间的接触力学模型的思路。

虽然两者均通过理论解及实验过程给出了相应的验证。但两者之间并无比较何种解法更有优势。在

此，将通过模拟相同情形下三角形颗粒的碰撞过程给出两个模型的模拟结果的比较。 吴达岭，桂南

99 2. 数值模型及工况

据牛顿第二定律，碰撞过程中颗粒运动遵守动量和角动量守恒关系。由于篇幅限制，对硬颗粒GHPM

模型和软颗粒SIPHPM模型的详细推导过程及碰撞后颗粒运动的解可见参考文献[6]和[7]。这里不再赘述。

为了便于比较和进行能量分析，需要引入非球形颗粒碰撞过程的平动动能、转动动能和总动能的表

达式，分别如下：

tran,1

,

2iiiK=vv (1)

2

rot,1

,

24iiiKa=ωω (2)

()

totaltran,rot,ii

iKKK=+∑ (3)

其中，

iv，

iω，a分别表示颗粒的速度、角速度矢量和边长，i表示颗粒索引。由于质量为常量，在此处

可不计。

本文采用的计算参数如表1所示。模拟的工况参数如表2所示，分别模拟了对心正碰和偏心碰过程

的碰撞动力学过程。

3. 模拟结果对比

3.1. 工况1 (对心碰)

如图1(a)所示，其中绿色散点标记为SIPHPM软颗粒碰撞前后位置，蓝色实线标记为GHPM硬颗粒

碰撞前后位置，两者重合处为深色。速度矢量用红色标记。从图1(a)可见，SIPHPM和GHPM的模拟结

果无论碰撞前后都相差无几。从矢量关系可见，碰撞前后两颗粒碰撞东南发生交换。

图1(b)的定量分析结果给出：

1) 硬颗粒模拟结果(图1(b)左)，颗粒1 (西侧颗粒，下同)平动动能由0.5降到0，颗粒2 (东侧颗粒，

下同)平动动能由0增加到约0.45左右，两者的总动能由0.5下降到0.45 (恢复系数0.5，见表1)。表明碰

撞过程中颗粒1和颗粒2发生了动量交换，颗粒1将大部分(90%)的动能传递给颗粒2。碰撞过程中发生

了10%的动能损失，这是由于恢复系数为0.9导致的；

2) 软颗粒模拟结果(图1(b)右)，颗粒1和颗粒2在碰撞前后的动能变化与硬颗粒的模拟结果是相似

的。不同之处在于，碰撞形变过程中，颗粒系统的动能向形变弹性势能转换，总动能降低，至形变最大

处发生转折，其后形变逐渐恢复，弹性势能向颗粒动能转化，使得总动能增加，并恢复至0.45 (受恢复系

数0.9即非完全弹性形变限制所致)。由于动能和形变弹性势能的相互转换过程持续时间极短(如图1(b)所

示，持续不超过0.005 s)，且迅速恢复到碰撞后的速度，故此转换过程对颗粒宏观速度的影响可以忽略。

由此可见，硬颗粒和软颗粒模型均能用于模拟非球形颗粒对心碰过程，两者吻合很好。而软颗粒模

型由于采用弹簧力学模型，很好地体现并解释了她与硬颗粒模型在求解碰撞微观过程中的不同。

3.2. 工况2 (偏心碰)

如图2则显示了偏心碰撞过程，偏心距离为a/2。从图2(a)可见，虽然颗粒1和2的初始速度仍和工

况1一样，但偏心碰不发生大部分动量交换，碰撞导致颗粒1和2以一定的速度向右运动；同时，颗粒

2发生旋转。由于旋转速度的不同，两者的角位移发生一定的偏差。

从图2(b)可见：

1) 颗粒1只有一部分动量传递给颗粒2，自己保留了一部分。颗粒2发生平动和转动，同时获得了

合集下载

微米级液滴撞击低温球形颗粒的涂覆冻结

微米级液滴撞击低温球形颗粒的涂覆冻结

微米级液滴撞击低温球形颗粒的涂覆冻结

武秀胜;徐庆;王瑞芳;李占勇

【摘 要】对微米级液滴撞击低温球形表面的动态行为进行了可视化实验.研究了液滴直径、球面温度等因素对微米级液滴撞击过程的影响及液滴撞击直径3 mm和5 mm金属钢球的冻结过程.当实验球面温度分别为-20℃和-30℃时,液滴撞击低温金属钢球表面时液滴铺展后迅速回缩成塔形状然后缓慢的铺展直至稳定状态,与常温状态下相比,液滴形态没有明显的振荡过程.结果表明:撞击速度越大,液滴具有的初始动能越大,液膜最大铺展弧长越大.随着载体颗粒直径的增加,液膜最大铺展弧长也随之增加,液膜的厚度却随载体颗粒直径的增加而减小;随着液滴直径的增加,液膜铺展弧长及液膜厚度都随之增加.通过实验数据统计分析可知,环境温度的显著水平最高,然后依次为液滴直径、载体颗粒直径.

【期刊名称】《天津科技大学学报》

【年(卷),期】2019(034)003

【总页数】6页(P43-48)

【关键词】喷雾冷冻干燥;单液滴;撞击;球形颗粒;涂覆

【作 者】武秀胜;徐庆;王瑞芳;李占勇

【作者单位】天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室,天津科技大学机械工程学院,天津 300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室,天津科技大学机械工程学院,天津 300222;天津市低碳绿色过程装备国际联合研究中心,天津 300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室,天津科技大学机械工程学院,天津 300222;天津市低碳绿色过程装备国际联合研究中心,天津 300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室,天津科技大学机械工程学院,天津 300222;天津市低碳绿色过程装备国际联合研究中心,天津 300222

【正文语种】中 文

【中图分类】TQ051

喷雾冷冻干燥(spray-freeze drying，SFD)是近几 年来开发的一种新型的工程技术，可以生产独特的粉末状产品，同时还包括常规冷冻干燥产品的优点，主要用于奶粉、药物蛋白、卵清蛋白、流感疫苗[1-4]等高附加值热敏性产品的制备．为了解决粉体的团聚、粉体颗粒尺寸不均匀等现象，进一步提高喷雾冷冻干燥技术在工程实际中的应用，实现批量生产，李占勇等[5]设计了一种惰性粒子流化床喷雾冷冻干燥设备，即在密闭的流化床内引入惰性粒子作为流化载体，同时这类载体颗粒也可作为最终产品的添加剂使用，在封闭的流化床内雾化液滴在处于低温且流化状态的载体颗粒上进行冻结、升华干燥和剥离等操作．由于整个干燥过程处于密闭的系统下操作，所有步骤都在同一个设备中连续的运作，避免了污染环境，通过这种方法可以实现料液食品和含药性成分的溶液一步干燥成粉体产品，无需二次加工；而且，设备结构简便、操作过程方便快捷、能够实现设备的一体化．液滴在载体上的涂覆效果是影响该过程最终产品的颗粒结构的重要因素，因此研究液滴撞击低温载体颗粒表面动力学行为，进而作为以后设备工程化应用的理论指导．Bakshi等[6]通过实验研究了单液滴撞击干燥球形表面的过程，从实验和理论方面研究了液滴撞击球面时液膜厚度的变化过程．通过对实验图像的分析可以得出结论：液滴撞击过程液膜的形态变化可以分为三个阶段，分别为液膜初始快速铺展阶段、惯性力主导阶段和表面应力和黏性力主导的阶段；Walford等[7]详细研究了空气中微小液滴的冻结机理，实验是将水滴轻轻地落在冷铜表面，冻结形成冰的尖塔状颗粒，得出液滴冻结过程中固液交界面处剪切牵引力与水平的冷表面平行，冰珠的黏性力在-22℃的情况下达到最大值．Hu等[8]实验研究结冰的小水滴的非稳态传热和相变过程，以阐明结冰现象的重要微观物理过程．实验采用基于分子的寿命标记法(MTT)技术的开发和实施，得出成液态的小水滴的平均温度在不断增加，而不是减少．

颗粒流动力学模型

颗粒流动力学模型

颗粒流动力学模型

颗粒流动力学模型

颗粒流动力学模型是描述颗粒运动的物理模型，广泛应用于粉体、液固混合物、悬浮液等颗粒流中。颗粒流动力学模型主要是描述颗粒系统中粒子间相互作用及其运动规律，可以用于研究颗粒流动的各种特性，如颗粒运动速度、运动轨迹、颗粒的分布等。

下面将从颗粒流动力学模型的定义、基本特性、流动规律和应用等方面详细介绍。

一. 颗粒流动力学模型的定义

颗粒流动力学模型是研究颗粒流动规律的一个理论模型。它描述了颗粒在各个方向上的运动、与周围环境的相互作用及颗粒之间的相互作用。同时，颗粒流动力学模型也包括颗粒流动的各种特性和规律。

二. 颗粒流动力学模型的基本特性

1. 颗粒间相互作用

在颗粒流动力学模型中，颗粒间的相互作用很重要，因为它们是引起颗粒流动的主要原因。颗粒之间可能有碰撞、摩擦、粘附、排斥等多种相互作用。这些相互作用的不同组合方式将导致颗粒运动的不同规律。

2. 颗粒的大小和形状

颗粒的大小和形状对颗粒流动的特性有很大的影响。颗粒大小的差异会导致颗粒的运动速度和方向的变化。颗粒的形状也会影响颗粒流动的规律，如球形颗粒运动比非球形颗粒更加简单，因为球形颗粒可以在任何方向上自由滚动，而非球形颗粒的运动方向则受到颗粒形状的限制。

3. 颗粒的浓度

颗粒的浓度对颗粒流动的特性也有很大的影响。颗粒浓度的增加会导致颗粒之间相互作用增强，因此颗粒运动速度和颗粒堆积密度都会受到影响。

三. 颗粒流动力学模型的流动规律

在颗粒流动力学模型中，颗粒的运动规律是根据颗粒之间的相互作用力和环境条件来计算的。这些运动规律包括颗粒速度、颗粒轨迹和颗粒密度等特性。

在不同的流动模型中，颗粒运动的规律也各异。例如，流式床反应器中流体和颗粒物可以从下向上流动，颗粒物之间的相互作用会导致它们在床内呈现出一定的流动规律。而在挤压过程中，颗粒间的摩擦和挤压力将导致颗粒的聚集和抵抗。

四. 颗粒流动力学模型的应用

3-1 颗粒及颗粒床层的特性

3-1 颗粒及颗粒床层的特性

知识点3-1 颗粒及颗粒床层的特性

颗粒与流体之间的相对运动特性与颗粒本身的特性密切相关，因而首先介绍颗粒的特性。

一. 单一颗粒的特性

1.学习目的

通过学习掌握确定颗粒、颗粒床层特性参数以及流体流速床层压降的计算方法。

2．本知识点的重点

球形颗粒和非球形颗粒的大小和特性参数的计算，特别是非球形颗粒球形度及体积当量直径的计算。

颗粒群粒度分布及平均粒径的计算。

床层孔隙率、比表面积及压降的计算。

3．本知识点的难点

本知识点无难点。

4．应完成的习题

4-1．取颗粒试样1000g，作筛分分析，所用筛号及筛孔尺寸见本题附表中第1、2列，筛析后称取各号筛面上的颗粒截留量列于本题附表中第3列，试求颗粒群的平均直径。

[答：da=0.345㎜]

习题4-1附表

筛号 筛孔尺寸,mm 截流量,g 筛号 筛孔尺寸,mm 截流量,g 10

14

20

28

35

48 1.651

1.168

0.833

0.589

0.417

0.295 0

40.0

80.0

160

260

220 65

100

150

200

270 0.208

0.147

0.104

0.074

0.053 120

60.0

30.0

20.0

10.0

共计500

4－2．在截面积为1m2的圆筒中，分段填充直径分别为0.5mm及5mm的球形颗粒各0.5m高，20℃的空气从下向上通过固定床层，空塔速度为0.1m/s。假设床层空间均匀分割成边长等于球粒直径的方格，每一方格放置一个球粒，试计算:

(1)两段床层的空隙率ε和比表面积ab；

(2)空气流经整个床层的压降 ,Pa。

[答：(1)ε=0.4764；ab细=6283m2/m3；ab粗=628.3m2/m3； =452.9+9.1=462Pa]

颗粒与流体之间的相对运动特性与颗粒本身的特性密切相关，因而首先介绍颗粒的特性。

一．单一颗粒的特性

表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状、大小（体积）及表面积。

微重力环境下颗粒流动研究初探

微重力环境下颗粒流动研究初探

微重力环境下颗粒流动研究初探

1微重力研究背景及意义

微重力科学研究是一门融合力学、物理学等学科的新兴交叉学科，对我国大力发展的空间探测计划及载人航空工程具有非常重要的现实意义。在空间探测工程中经常遇到涉及地外星体表面地质过程等工程地质问题比如探测车的着陆和行走问题，这些地外星体工程地质问题也是当前地质工程学科研究的热点之一。可喜的是2013年12月我国发射的嫦娥三号月球探测器携“玉兔号”月球车首次实现了月球软着落和月面巡视勘察，同时“玉兔号”月球车将继续实现月面巡视、月夜生存并开展月表地形地貌与地质构造、矿物组成和化学成分等探测活动。未来小行星表面地质过程也是我国未来的研究重点，这些研究对于地外星体工程地质研究具有极其重要的意义。

岩土颗粒材料的微重力流动特性研究不同于纯理论科学研究。当前试验手段获得微重力环境的方法较多，比如空间站内试验、在以抛物线飞行的飞机内试验、微重力火箭内试验、高空气球内试验、落塔（或落井）内试验。但由于微重力环境的特殊性，进行微重力试验的成本往往较高。虽然进行微重力试验的最佳场所是空间站及其他在轨航天器中，因为其微重力持续时间长，然而空间试验耗资巨大，机会少。为了提高空间试验的效益，除了用以上各种试验手段在短时间内进行微重力试验预研之外，还需要使用合适的研究手段对微重力流动特性进行理论研究[1]。

2微重力研究的实验平台及装置

微重力是指一种显著低于常规地球表面重力水平（1g = 980cm/s2）的受力环境，严格意义上的微重力环境是指该处的有效重力水平小于等于。由于有效重力水平极低，可以消除重力及因重力产生的一系列影响，这种环境下的试验对于理论物理研究有着非常重要的意义。当前试验手段获得微重力环境的方法较多，比如空间站内试验、卫星、在以抛物线飞行的飞机内试验、微重力火箭内试验、高空气球内试验、落塔（或落井）内试验，区别见下表。

表1 获得微重力环境的主要方法对比

微重力设备 微重力持时 微重力水平 优点 缺点