[科普中國]-散粒體

散粒體流動(dòng)的意義

散粒體的流動(dòng)在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義，它影響物料貯存、定量、零售、裝卸、控制以及整個(gè)加工運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

散粒體食品流動(dòng)特性散粒體的流動(dòng)特點(diǎn)散粒體力學(xué)特性的研究起源于土壤力學(xué)。近幾十年來，散粒體力學(xué)得到了廣泛的重視和應(yīng)用。為了預(yù)測粉體顆粒流動(dòng)特性，人們?cè)噲D研究出一種分析模型，在微粒學(xué)中，是用有限的、不連續(xù)的粒子(理想的剛性或彈性球體)的特性來推導(dǎo)出代表整個(gè)物質(zhì)性能的定律。而在連續(xù)介質(zhì)方法中，物質(zhì)的特性被假設(shè)是一個(gè)連續(xù)函數(shù)，并且物質(zhì)可以無限被分割而不失去任何固有的特性。不連續(xù)的粒子特性不予考慮。

在大量研究工作基礎(chǔ)上，己發(fā)展一種建立在顆粒特性基礎(chǔ)上的流動(dòng)理論。但是實(shí)際存在的粒狀顆粒和粉狀顆粒都是不均勻的，可以是無限多種粒度、形狀和空隙的組合。而連續(xù)介質(zhì)方法，由于不太復(fù)雜，己為工程設(shè)計(jì)提供大量極為有用的資料。土壤力學(xué)的研究推動(dòng)了散粒體力學(xué)領(lǐng)域的加速發(fā)展，但土壤力學(xué)和散粒體力學(xué)之間存在著很大的區(qū)別。如勤附性在土壤力學(xué)中常常是不重要的，但在散粒體力學(xué)中卻是重要的;貯存在料倉中的散粒體受到的應(yīng)力僅為土壤正常受到的應(yīng)力的1/1000,用土壤力學(xué)試驗(yàn)的方法是不能測定的;因?yàn)樯⒘ｓw常常是貯存在料倉中，所以散粒體力學(xué)的邊界條件通常與土壤力學(xué)的邊界條件不相同;一般情況下，粉體變形量遠(yuǎn)大于土壤力學(xué)中的變形量。

散粒體的流動(dòng)模型在存?zhèn)}排料過程中，最麻煩的問題之一是落粒拱現(xiàn)象。落粒拱是散粒體堵塞在排料口處，在排料口上方形成拱橋或洞穴。前者稱為結(jié)拱，后者稱為結(jié)管。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，物料的粒徑越小，粒子形狀越復(fù)雜，摩擦阻力越大，體積質(zhì)量越小，越潮濕，落粒拱現(xiàn)象也越嚴(yán)重。從容器方面觀察，壁面傾角越小，表面越粗糙，排料口越小，落粒拱現(xiàn)象也越嚴(yán)重。

根據(jù)散粒體的流動(dòng)特點(diǎn)，分為自由流動(dòng)物料和非自由流動(dòng)物料兩種。對(duì)于非自由流動(dòng)物料，顆粒料層內(nèi)的內(nèi)力作用〔由勤聚性、潮濕性和靜電力等造成)大于重力作用。這種內(nèi)力在物料流動(dòng)開始后，會(huì)逐漸擾亂原有的層面而導(dǎo)致形成落粒拱。由于顆粒粒子處于非平衡狀態(tài)，落粒拱會(huì)周期性地坍塌，之后再重新形成。

觀察散粒體流動(dòng)過程的常用方法，是將物料涂上各種顏色，然后分層填滿料倉，用高速攝影觀察排料過程。

散粒體的流動(dòng)過程理論布朗一理查德理論

如圖6一14所示，布朗一理查德理論認(rèn)為，排料口附近自由流動(dòng)的物料可分成五個(gè)流動(dòng)帶。D帶為自由降落帶;C帶為顆粒垂直運(yùn)動(dòng)帶;B帶是擦過E帶向料倉中心方向緩慢滑動(dòng)的帶;A帶是擦過B帶向料倉中心方向迅速滑動(dòng)的帶;E帶是沒有運(yùn)動(dòng)的靜止帶。A層在B層上滑動(dòng)，A層上的顆粒迅速滾動(dòng)。B

層在E層上慢慢滑動(dòng)，E層處于靜止?fàn)顟B(tài)。C層迅速向下方運(yùn)動(dòng)，從A、B層以大于休止角的角度補(bǔ)充粒子。C層的粒子供給n層排出。這一理論與物料從小孔排出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。

和克瓦畢爾理論

克瓦畢爾理論認(rèn)為〔圖6一15)，EN帶和EG帶以幾乎恒定的比率(1:15)連續(xù)發(fā)展，直到EN達(dá)到表面為止。EN帶產(chǎn)生兩種運(yùn)動(dòng)，第一位的垂直運(yùn)動(dòng)和第二位的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。凡帶稱為邊界橢圓帶，在它以外沒有運(yùn)動(dòng)。這種流動(dòng)稱為漏斗流動(dòng)或中心流動(dòng)。如果料倉的傾角大于物料與料倉壁面的摩擦角，就可把物料卸空。在凡橢圓體邊界線以內(nèi)，產(chǎn)生的是整體流動(dòng)。這個(gè)理論適用于流動(dòng)性好的粉料從小孔中排出的情況。

布拉道爾雅科諾夫理論

布拉道爾雅科諾夫認(rèn)為，排料是由動(dòng)態(tài)落粒拱的形成和塌方反復(fù)進(jìn)行的。

動(dòng)態(tài)落粒拱的角度h與內(nèi)摩擦因數(shù)fi有關(guān)

式中，d——排料口直徑。

卡爾賓科理論

卡爾賓科發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)分三個(gè)區(qū)域:①中心運(yùn)動(dòng)粒柱的主流區(qū)，它位于孔口上方;②位于主流區(qū)周圍的隨流區(qū)，散粒體周期地流向主流區(qū);③隨流區(qū)的外圍的惰動(dòng)區(qū)。他對(duì)種子流動(dòng)得出了下面的結(jié)論。

(1)主流區(qū)內(nèi)的種子按長軸平行于圓筒排列，流動(dòng)速度小于孔口平面處的速度;
(2)種子的流出量與種子層的高度無關(guān);
(3)增加種子層上的壓力和增加筒底厚度，流出減少或停止流出;
(4)在混有其他粒子時(shí)，首先流出的是小粒種子和光粒種子。

捷敏諾夫理論

捷敏諾夫認(rèn)為，種子流出分五個(gè)階段。

第一階段是整個(gè)種子層表面均勻下降。此時(shí)，許多種子都力圖以長軸順著運(yùn)動(dòng)的方向。種子流的排隊(duì)從出口處向種子上層擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)落粒拱高度時(shí)，開始形成動(dòng)態(tài)落粒拱。

第二階段是種子流不斷地從拱橋高度下落。

第三階段135是種子的排隊(duì)擴(kuò)展到上層表面時(shí)，馬上形成漏斗。

第四階段是動(dòng)態(tài)落粒拱崩潰，流出過程減慢。

第五階段是種子沿容器底面滑動(dòng)。

食品工業(yè)中散粒體力學(xué)特性的應(yīng)用散粒體的自動(dòng)分級(jí)由粒度和相對(duì)密度不同的顆粒組成的散粒體所構(gòu)造的均勻分布狀態(tài)是不穩(wěn)定的。在受到振動(dòng)或其他擾動(dòng)時(shí)，散粒體中各顆粒會(huì)按其相對(duì)密度、粒度、形狀及表面狀態(tài)的不同而重排。重排后從上層到下層依次為:相對(duì)密度小的大顆粒，相對(duì)密度小的小顆粒，相對(duì)密度大的大顆粒，相對(duì)密度大的小顆粒；此外，按表面狀態(tài)及形狀不同，表面粗糙或片狀顆粒在上層，而表面光滑或接近球形的顆粒在下層。這種現(xiàn)象稱為散粒體的自動(dòng)分級(jí)。

產(chǎn)生自動(dòng)分級(jí)的原因主要有:
①散粒體具有液體的性質(zhì)，對(duì)分散在散粒體中的顆粒有浮力作用，促使相對(duì)密度小的顆粒上浮;
②散粒體在受擾時(shí)較松散，使小顆粒能往下運(yùn)動(dòng)以填補(bǔ)空隙；
③表面光滑的球形顆粒，在散粒體中所受阻力較小，容易向下運(yùn)動(dòng)，而粗糙顆?；蚱瑺盍Ｊ茏璐蠖粲谏蠈?。

在食品物料的篩分或風(fēng)選、水選中，實(shí)際都是在利用自動(dòng)分級(jí)現(xiàn)象。關(guān)于自動(dòng)分級(jí)的力學(xué)解釋，部分的可以用兩相介質(zhì)中分散相顆粒在連續(xù)介質(zhì)中的沉浮運(yùn)動(dòng)機(jī)制來說明。

粉塵爆炸粉塵爆炸是安全工程中的重要內(nèi)容。

粉塵爆炸是指在空氣中懸浮的粉塵顆粒急劇地氧化燃燒，同時(shí)產(chǎn)生大量的熱和高壓的現(xiàn)象。爆炸的機(jī)理非常復(fù)雜，通常認(rèn)為首先是一部分粉塵被加熱、產(chǎn)生可燃性氣體，它與空氣混合后，當(dāng)存在一定溫度的火源或一定能量的電火花時(shí)，就會(huì)引起燃燒。由此產(chǎn)生的熱量又將周圍的粉塵加熱，產(chǎn)生新的可燃性氣體。這樣，就產(chǎn)生連鎖反應(yīng)而爆炸。

粉塵爆炸要求粉塵有一定的濃度。這一濃度極限，稱為爆炸的下限。它與火源強(qiáng)度、粒子種類、粒徑、含水率、通風(fēng)情況和氧氣濃度等因素有關(guān)2。

粉塵發(fā)火所需的最低溫度稱為發(fā)火點(diǎn)。粒徑越小，發(fā)火點(diǎn)越低。面粉廠里，當(dāng)面粉在每立方米的空氣中懸浮0.15～0.20mol時(shí)，最容易爆炸。特別是10μm左右的散粒物料，濃度在0.20mol/m3時(shí)，危險(xiǎn)性最大。這一濃度相當(dāng)于能見度為2m。

面粉、奶粉、淀粉等不良導(dǎo)電物料，由于與機(jī)器或空氣的摩擦產(chǎn)生的靜電會(huì)積聚起來，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)就會(huì)放電，產(chǎn)生電火花，構(gòu)成爆炸的火源，應(yīng)當(dāng)密切注意。