第六章第二节

1、16.6 6.6 散粒体流动特性散粒体流动特性o内容提要内容提要 o组成散粒体的颗粒，可根据其粒径分为粗粒、细粒组成散粒体的颗粒，可根据其粒径分为粗粒、细粒和粉体三类。和粉体三类。o大宗的食品初级原料及半成品表现为散粒体。大宗的食品初级原料及半成品表现为散粒体。o散粒体是由许多单个颗粒组成的颗粒群体。散粒体是由许多单个颗粒组成的颗粒群体。o散粒体的流动在工业生产中具有重要的意义，它影散粒体的流动在工业生产中具有重要的意义，它影响物料贮存、定量、零售、装卸、控制以及整个加响物料贮存、定量、零售、装卸、控制以及整个加工运输系统的设计。工运输系统的设计。o本章将介绍散粒体的振动特性、流动特性、应力特

2、本章将介绍散粒体的振动特性、流动特性、应力特性等方面的散粒体的力学特性。性等方面的散粒体的力学特性。26.6 散粒体流动特性 o6.6.1 摩擦性摩擦性o6.6.2 离析离析 o6.6.3 散粒体的流动模型散粒体的流动模型o6.6.4 散粒体的流动函数散粒体的流动函数o6.6.5 粉体仓贮粉体仓贮 36.6.1 摩擦性摩擦性o1 1 基本概念基本概念o摩擦力是作用在一个平面内的力摩擦力是作用在一个平面内的力( (在这个平面内包含有在这个平面内包含有一个或一些接触点一个或一些接触点) )，阴碍接触表面间的相对运动。，阴碍接触表面间的相对运动。o摩擦力正比于正压力，其比例常数称为摩擦因数。摩擦力正

3、比于正压力，其比例常数称为摩擦因数。o摩擦力由两部分组成，一为接触表面间凹凸不平的剪切摩擦力由两部分组成，一为接触表面间凹凸不平的剪切力，一为克服表面粘附所需的力力，一为克服表面粘附所需的力; ;摩擦力与实际接触面摩擦力与实际接触面积成正比；因为滑动速度的不同，接触表面间产生的温积成正比；因为滑动速度的不同，接触表面间产生的温度也不同，所以摩擦力与接触表面间的滑动速度有关；度也不同，所以摩擦力与接触表面间的滑动速度有关；动摩擦力小于最大静摩擦力；摩擦力与接触物料的特性动摩擦力小于最大静摩擦力；摩擦力与接触物料的特性有关。有关。 42 2 散粒物料的摩擦角散粒物料的摩擦角o摩擦角反映散粒物料的摩

4、擦性质，可用以表摩擦角反映散粒物料的摩擦性质，可用以表示散粒物料静止或运动时的力学特性。示散粒物料静止或运动时的力学特性。o散粒物料的摩擦角一般有四种，即散粒物料的摩擦角一般有四种，即休止角、休止角、内摩擦角、壁面摩擦角和滑动角。内摩擦角、壁面摩擦角和滑动角。o休止角和内摩擦角表示物料本身内在的摩擦休止角和内摩擦角表示物料本身内在的摩擦性质，而壁面摩擦角和滑动角表示物料与接性质，而壁面摩擦角和滑动角表示物料与接触的固体表面间的摩擦性质。触的固体表面间的摩擦性质。5(1)休止角o休止角又称静止摩擦角或堆积角，是指散粒休止角又称静止摩擦角或堆积角，是指散粒物料通过小孔连续地散落到平面上时，堆积物料

5、通过小孔连续地散落到平面上时，堆积成的锥体母线与水平面底部直径的夹角。成的锥体母线与水平面底部直径的夹角。o它与散粒粒子的尺寸、形状、湿度、排列方它与散粒粒子的尺寸、形状、湿度、排列方向等都有关。向等都有关。o休止角越大的物料，内摩擦力越大，散落能休止角越大的物料，内摩擦力越大，散落能力越小。力越小。67o休止角与粒径大小有关。粒径越小，休止角休止角与粒径大小有关。粒径越小，休止角越大，这是因为微细粒子相互间的粘附性较越大，这是因为微细粒子相互间的粘附性较大。粒子越接近于球形，休止角越小。若对大。粒子越接近于球形，休止角越小。若对物料进行振动，则休止角将减小，流动性增物料进行振动，则休止角将减

6、小，流动性增加。粒子越接近球形，粒径越大，振动效果加。粒子越接近球形，粒径越大，振动效果越明显。在有的文献里将休止角分为静态休越明显。在有的文献里将休止角分为静态休止角和动态休止角。物料水分增加时，休止止角和动态休止角。物料水分增加时，休止角增加。角增加。 8(2)内摩擦角o内摩擦角内摩擦角 是散粒体内部沿某一断面切断时，反映抗剪是散粒体内部沿某一断面切断时，反映抗剪强度的一个重要参数。强度的一个重要参数。9o将散粒物料装进剪切环内，盖上盖板，在盖板上施加垂将散粒物料装进剪切环内，盖上盖板，在盖板上施加垂直压力直压力F FN N，加载杆上作用剪切力，加载杆上作用剪切力F FT T。如果剪切环内

7、的散。如果剪切环内的散粒物料被剪断时达到的最大剪切力为粒物料被剪断时达到的最大剪切力为F FS S，设散粒体的剪，设散粒体的剪切面积为切面积为A A，则得散粒体的抗剪力等于内摩擦力与粘聚，则得散粒体的抗剪力等于内摩擦力与粘聚力之和，即力之和，即o式中，式中，fifi散粒体的内摩擦因数，散粒体的内摩擦因数，fi=tan fi=tan ； Fc Fc单位粘聚力，即发生在单位剪切面积上的单位粘聚力，即发生在单位剪切面积上的粘聚力。粘聚力。10o试验时，先使载荷试验时，先使载荷F FN N不变，渐增大剪切力，不变，渐增大剪切力，测出剪切环移动时的剪切力测出剪切环移动时的剪切力FsFs；改变；改变F F

8、N N值，值，测出不同载荷测出不同载荷FNFN时的剪切力时的剪切力FsFs，作，作FsFs一一F FN N曲曲线，则该曲线与横坐标线，则该曲线与横坐标F FN N的夹角即为该物料的夹角即为该物料的内摩擦角的内摩擦角 , ,在纵坐标上的截距在纵坐标上的截距FcAFcA即为物即为物料的粘聚力。料的粘聚力。 11(3)壁面摩擦角和滑动摩擦角o壁面摩擦角表示物料层与固体壁面的摩擦特性，而滑动壁面摩擦角表示物料层与固体壁面的摩擦特性，而滑动摩擦角摩擦角( (又称自流角又称自流角) )则表示每个粒子与壁面的摩擦特性。则表示每个粒子与壁面的摩擦特性。o一般缺乏粘聚性的散粒物料，休止角等于内摩擦角，大一般缺乏

9、粘聚性的散粒物料，休止角等于内摩擦角，大于壁面摩擦角于壁面摩擦角; ;但对于含水率大的谷物种子，休止角比但对于含水率大的谷物种子，休止角比内摩擦角大得多。内摩擦角大得多。o滑动角或称自流角，也是衡量散粒物料散落性的指标。滑动角或称自流角，也是衡量散粒物料散落性的指标。o测定滑动角时，将单个颗粒放在平板上，再将平板轻轻测定滑动角时，将单个颗粒放在平板上，再将平板轻轻倾斜，待颗粒开始滑动时，平板角度即为物料的滑动角。倾斜，待颗粒开始滑动时，平板角度即为物料的滑动角。 121314156.6.2 离析离析o粒径差值大且重度不同的散粒混合物料，在给料、排料粒径差值大且重度不同的散粒混合物料，在给料、排

10、料或振动时，粗粒和细粒以及密度大和密度小的会产生分或振动时，粗粒和细粒以及密度大和密度小的会产生分离。这种现象称为离析，又称离。这种现象称为离析，又称偏析偏析。o在给料和排料过程中出现离析现象，使粒度失去均一性，在给料和排料过程中出现离析现象，使粒度失去均一性，产生质量不合格的产品。产生质量不合格的产品。o但振动筛选过程中的离析现象，则有助于达到筛选的目但振动筛选过程中的离析现象，则有助于达到筛选的目的。容易引起离析的散粒体，多数是流动性好的物料。的。容易引起离析的散粒体，多数是流动性好的物料。 16(a)(a)附着离析是在沉降时粗细粒分离。附着离析是在沉降时粗细粒分离。(b)(b)填充离析是

11、在倾斜状堆积层移动时产生的。这时粗粒子会有筛分填充离析是在倾斜状堆积层移动时产生的。这时粗粒子会有筛分作用，小粒子从间隙中漏出而被分离出来。作用，小粒子从间隙中漏出而被分离出来。 (c)(c)滚落离析的原因是粒子的形状不同和滚动摩擦状态不同。装料时，滚落离析的原因是粒子的形状不同和滚动摩擦状态不同。装料时，颗粒的运动只发生在物料锥体的表面上。物料的运动是滚动运动，小颗粒的运动只发生在物料锥体的表面上。物料的运动是滚动运动，小颗粒会落到大颗粒的孔隙中。一般来说，大颗粒比微细颗粒的滚动摩颗粒会落到大颗粒的孔隙中。一般来说，大颗粒比微细颗粒的滚动摩擦因数小，大部分滚落到料斗壁面附近，而微细粒子则留在

12、中心位置。擦因数小，大部分滚落到料斗壁面附近，而微细粒子则留在中心位置。 17 供料速度越小，物料的流动性越大和粒度分布范围供料速度越小，物料的流动性越大和粒度分布范围越广，离析现象越严重。越广，离析现象越严重。o离析主要是由物料的特性决定的，如粒度分布、颗粒形离析主要是由物料的特性决定的，如粒度分布、颗粒形状、密度、表面特征、光滑性、体积质量、流动性、休状、密度、表面特征、光滑性、体积质量、流动性、休止角、粘聚力、密度分布等。间接影响离析程度的有料止角、粘聚力、密度分布等。间接影响离析程度的有料斗直径、排料口直径、料斗边壁倾斜度、装料高度、壁斗直径、排料口直径、料斗边壁倾斜度、装料高度、壁面

13、摩擦因数、料斗形状、装料位置、装料方法、卸料点面摩擦因数、料斗形状、装料位置、装料方法、卸料点和卸料方法等。和卸料方法等。o降低离析程度的办法有降低离析程度的办法有: :尽量使颗粒均匀，采用整体流尽量使颗粒均匀，采用整体流动，尽可能避免形成料堆，采用多点下料和阻尼下料等动，尽可能避免形成料堆，采用多点下料和阻尼下料等办法。办法。186.6.3 散粒体的流动模型散粒体的流动模型o在存仓排料过程中，最麻烦的问题之一是在存仓排料过程中，最麻烦的问题之一是落粒拱现象落粒拱现象。落粒拱是散粒体堵塞在排料口处，在排料口上方形成拱落粒拱是散粒体堵塞在排料口处，在排料口上方形成拱桥或洞穴。前者称为结拱，后者称

14、为结管。桥或洞穴。前者称为结拱，后者称为结管。o根据散粒体的流动特点，分为根据散粒体的流动特点，分为自由流动物料和非自由流自由流动物料和非自由流动物料动物料两种。对于非自由流动物料，颗粒料层内的内力两种。对于非自由流动物料，颗粒料层内的内力作用（由粘聚性、潮湿性和静电力等造成作用（由粘聚性、潮湿性和静电力等造成) )大于重力作大于重力作用。这种内力在物料流动开始后，会逐渐扰乱原有的层用。这种内力在物料流动开始后，会逐渐扰乱原有的层面而导致形成落粒拱。由于颗粒粒子处于非平衡状态，面而导致形成落粒拱。由于颗粒粒子处于非平衡状态，落粒拱会周期性地坍塌，之后再重新形成。落粒拱会周期性地坍塌，之后再重新

15、形成。19 排料口附近自由流动的物料排料口附近自由流动的物料可分成五个流动带。可分成五个流动带。D D带带为自由降落带为自由降落带; ;C C带带为颗粒垂直运动带为颗粒垂直运动带; ;B B带带是擦过是擦过E E带向料仓中心方向缓带向料仓中心方向缓慢滑动的带慢滑动的带; ;A A带带是擦过是擦过B B带向料仓中心方向迅带向料仓中心方向迅速滑动的带速滑动的带; ;E E带带是没有运动的静止带。是没有运动的静止带。 20 E EN N带和带和E EG G带以几乎恒定的带以几乎恒定的比率比率(1:15)(1:15)连续发展，直到连续发展，直到E EN N达到表面为止。达到表面为止。 E EN N带产

16、生带产生两种运动两种运动，第，第一位的垂直运动和第二位的一位的垂直运动和第二位的滚动运动。凡带称为边界椭滚动运动。凡带称为边界椭圆带，在它以外没有运动。圆带，在它以外没有运动。这种流动称为漏斗流动或中这种流动称为漏斗流动或中心流动。心流动。 如果料仓的倾角大于物如果料仓的倾角大于物料与料仓壁面的摩擦角，就料与料仓壁面的摩擦角，就可把物料卸空。在凡椭圆体可把物料卸空。在凡椭圆体边界线以内，产生的是整体边界线以内，产生的是整体流动。这个理论适用于流动流动。这个理论适用于流动性好的粉料从小孔中排出的性好的粉料从小孔中排出的情况。情况。21o动态落粒拱的角度动态落粒拱的角度h h与内摩擦因数与内摩擦因

17、数fifi有关有关 式中，式中，dd排料口直径。排料口直径。22料仓内散粒体受料仓内散粒体受重力作用有两种重力作用有两种流动形态，即流动形态，即整整体流和漏斗流体流和漏斗流( (又称中心流又称中心流) )。（a a）漏斗流只有中央部分的物料流出，上部物料由于崩溃）漏斗流只有中央部分的物料流出，上部物料由于崩溃也可能流出。漏斗流流动时，先进的料也可能流出。漏斗流流动时，先进的料后后流出去。流出去。（b b）整体流流动时，无论中心部分还是靠壁处的物料都充）整体流流动时，无论中心部分还是靠壁处的物料都充分滑动，和液体流动相似。整体流时，先进的料分滑动，和液体流动相似。整体流时，先进的料先先流出去。流

18、出去。 为使料仓内的流动为整体流动型，可采用内插锥体法和为使料仓内的流动为整体流动型，可采用内插锥体法和流动判定图。流动判定图。内插锥体法内插锥体法是在料斗中加入锥体。是在料斗中加入锥体。236.6.4 散粒体的流动函数散粒体的流动函数 设在一个筒壁设在一个筒壁无摩擦的理想刚性无摩擦的理想刚性圆筒内，装入散粒圆筒内，装入散粒体。以预压实载荷体。以预压实载荷F FQ1Q1压实，散粒体压实，散粒体的预压实应力为的预压实应力为ll，然后轻轻取，然后轻轻取去圆筒，不加任何去圆筒，不加任何侧向支撑，即侧向支撑，即330 0，这时散粒体，这时散粒体可能出现如图所示可能出现如图所示的的两种情况。两种情况。一

19、为一为保持圆柱原形，一保持圆柱原形，一为崩溃后以休止角为崩溃后以休止角呈山形。呈山形。 24o对于保持原形的圆柱体，须施加一定的载荷对于保持原形的圆柱体，须施加一定的载荷F FQCQC以克服以克服散粒体在一定预压实状态下的表面强度散粒体在一定预压实状态下的表面强度cc，散粒体，散粒体才会崩溃。才会崩溃。cc称为散粒体的称为散粒体的无围限屈服强度无围限屈服强度。在图。在图(c)(c)的情况下，的情况下，c=0c=0。散粒体的无围限屈服强度。散粒体的无围限屈服强度c c与预压实应力与预压实应力1 1之间的关系，称为之间的关系，称为流动函数流动函数FFFF，o料斗本身的流动条件或流动性用料斗本身的流

20、动条件或流动性用流动因素流动因素ffff表示：表示：o式中，式中，aa散粒体结成稳定拱的散粒体结成稳定拱的最小拱内应力最小拱内应力。 25 ffff值越小，料斗的流动值越小，料斗的流动条件越好。对于一定形状的条件越好。对于一定形状的料斗，存在一条流动因素临料斗，存在一条流动因素临界线，如果散粒体的流动函界线，如果散粒体的流动函数曲线在这条临界线下方，数曲线在这条临界线下方，则散粒体的强度不足以支持则散粒体的强度不足以支持成拱，不会产生流动中断。成拱，不会产生流动中断。这条临界线称为料斗的临界这条临界线称为料斗的临界流动因素。流动因素。 流动函数流动函数FFFF是由散粒体是由散粒体本身的性质所决

21、定，而流动本身的性质所决定，而流动因素因素ffff则由散粒体性质和料则由散粒体性质和料斗的几何形状、壁面特性等斗的几何形状、壁面特性等因素确定。因素确定。 26271 1 落粒拱的形式落粒拱的形式 (a) (a) 由于排料口附近粒子相互支撑或咬合形成拱架，由于排料口附近粒子相互支撑或咬合形成拱架， (b) (b) 粉体物料由于压力、吸湿或化学反应等原因，会相互粘粉体物料由于压力、吸湿或化学反应等原因，会相互粘结成大块，产生如图中的成拱形式。这种形式较难解决。结成大块，产生如图中的成拱形式。这种形式较难解决。(c) (c) 物料在排料口上部垂直地下落，形成洞穴状，常见于粒物料在排料口上部垂直地下

22、落，形成洞穴状，常见于粒子间有附着性的细粉。子间有附着性的细粉。(d) (d) 物料附着在料斗的圆锥部表面，常见于壁面倾角过小和物料附着在料斗的圆锥部表面，常见于壁面倾角过小和对壁面有较强附着性的粉体物料。对壁面有较强附着性的粉体物料。 282 2 防止成拱的办法防止成拱的办法(1)(1)加大排料口。加大排料口。(2)(2)尽量使料斗内壁光滑；尽量使料斗内壁光滑；(3)(3)加大壁面倾角。加大壁面倾角。(4)(4)将料斗做成非对称形将料斗做成非对称形(a),(b),(c)(a),(b),(c)形式。形式。29(5)(5)在料斗内加入纵向隔板以形成左右非对称性在料斗内加入纵向隔板以形成左右非对称

23、性(d)(d)；(6)(6)在料斗中悬吊链条在料斗中悬吊链条 图图(e)(e)；(7)(7)在排料口上方插入锥体在排料口上方插入锥体 图图(f)(f)，以减小排料口承受，以减小排料口承受物料的压力；物料的压力；(8)(8)将壁面做成抛物线形的曲面将壁面做成抛物线形的曲面 图图(g)(g)，以使物料顺利，以使物料顺利滑落；滑落；(9)(9)采用条形卸料器采用条形卸料器 图图(h)(h)；(10)(10)安装振动器；安装振动器；(11)(11)吹入压缩空气，使物料流态化。吹入压缩空气，使物料流态化。306.6.5 6.6.5 粉体仓贮粉体仓贮 初始加料状态初始加料状态：当物料慢慢：当物料慢慢下沉时

24、，沿着仓壁发生滑移，下沉时，沿着仓壁发生滑移，并产生摩擦应力。并产生摩擦应力。流动状态流动状态 ：颗粒按滑动通颗粒按滑动通道的形状扩展并在横向收缩，道的形状扩展并在横向收缩，应力场就重新分布，最大主应力场就重新分布，最大主应力作用在近于水平的方向应力作用在近于水平的方向上，形成的应力场称之为上，形成的应力场称之为消消极应力场极应力场，如图，如图(b) (b) 。转换状态：转换状态：料仓的流动一开料仓的流动一开始就会形成一个大的瞬间转始就会形成一个大的瞬间转变应力。变应力。积极应力场积极应力场是在加是在加料时产生的，当卸料开始时，料时产生的，当卸料开始时，正好处于出口上方的物料由正好处于出口上方

25、的物料由于没有支撑就向下扩展，在于没有支撑就向下扩展，在这一区段形成一个消极应力这一区段形成一个消极应力场。如图场。如图(b) (b) 。31o由于物料层的不均匀性和成拱现象，物料对容器的由于物料层的不均匀性和成拱现象，物料对容器的压力分布通常是不规则的。压力分布通常是不规则的。o在理想情况下，可以得到理论上的分布规律口料斗在理想情况下，可以得到理论上的分布规律口料斗分分深仓和浅仓深仓和浅仓两种。两种。o以料斗底部与侧壁的交点为始点，作散粒体的休止以料斗底部与侧壁的交点为始点，作散粒体的休止角斜线，与对面侧壁相交口设交点离料斗底部的距角斜线，与对面侧壁相交口设交点离料斗底部的距离为离为hrhr

26、，料斗高度为，料斗高度为H H，当，当hrHhrH时定义为浅仓，时定义为浅仓，hrHhrH时定义为深仓。研究散粒物料对容器的压力分时定义为深仓。研究散粒物料对容器的压力分布时，假设物料不受振动等外界因素的影响。布时，假设物料不受振动等外界因素的影响。 326.7 食品工业中散粒体力学特性的应用食品工业中散粒体力学特性的应用 1 1 散粒体的自动分级散粒体的自动分级 在受到振动或其他扰动时，散粒体中各颗粒会按其在受到振动或其他扰动时，散粒体中各颗粒会按其相对密度、粒度、形状及表面状态的不同而重排。相对密度、粒度、形状及表面状态的不同而重排。 重排后从重排后从上层到下层依次为上层到下层依次为: :相对密度小的大颗粒，相对密度小的大颗粒，相对密度小的小颗粒，相对密度大的大颗粒，相对密度相对密度小的小颗粒，相对密度大的大颗粒，相对密度大的小颗粒。大的小颗粒。 此外，按表面状态及形状不同，表面粗糙或片状颗此外，按表面状态及形状不同，表面粗糙或片状颗粒在上层，而表面光滑或接近球形的颗粒在下层。这种粒在上层，而表面光滑或接近球形的颗粒在下层。这种现象称为散粒体的现象称为散粒体的自动分级。自动分级。33 产生自动分级的原因产生自动分级的原因散粒体具有液体的性质，对分散在散粒体中的颗粒有浮散粒体具有液体的性质，对分散在散粒体中的颗粒有浮力作用，促使相对密度小的颗粒上