粉体力学教学课件：1 绪论

1、粉体力学2022/8/71 课程简介 授课对象：过程装备与控制工程、安全工程 课程性质：必修课 课程学时：32 h + 实验 10 h 考核方式： 过程考核（考勤、小测验、研讨题、小论文等）：20% 实验考核：10% 张大课后作业：10% 考 试：60% 课程简介 参考教材：谢洪勇，刘志军 编著. 粉体力学与工程（第二版），化学工业出版社，2007R.L. Brown and J.C. Richards. Principles of powder mechanics. Pergamon Press,1970Duran Jacques. Sands, powders a

2、nd grains: an introduction to the physics of granular materials, Springer Press,2000Dietmar Schulze. Powders and Bulk Solids：Behavior, Characterization, Storage and Flow. Springer Press,2007 课程简介力学静力学运动学动力学力学固体力学流体力学其他 课程简介固体力学萌芽时期：公元前二千多年前，中国和世界其他文明古国开始建造有力学思想的建筑物、简单的车船和狩猎工具等。隋开皇中期(公元591599年)建造的赵州石

3、拱桥，已蕴含了近代杆、板、壳体设计的一些基本思想。发展时期：实践经验的积累和17世纪物理学的成就，为固体力学理论的发展准备了条件。18世纪，制造大型机器、建造大型桥梁和大型厂房这些社会需要，成为固体力学发展的推动力。此后，主要经历了四个阶段： 基本概念形成的阶段；解决特殊问题的阶段；建立一般理论、原理、方法、数学方程的阶段；探讨复杂问题的阶段。 这一时期，固体力学基本上是沿着研究弹性规律和研究塑性规律，这样两条平行的道路发展的，而弹性规律的研究开始较早。2022/8/75 课程简介流体力学萌芽时期：约2200年前，希腊学者阿基米德的“论浮体” 发展时期：1687年牛顿在自然哲学的数学原理中讨论

4、了流体阻力、波浪运动等内容，使流体力学成为力学中的一个独立分支。此后，主要经历了三个阶段：伯努利 液体运动的能量估计及欧拉 液体运动的解析方法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，在此基础上形成了一门属于数学的古典“水动力学”实际粘性流体的基本运动方程N-S方程，奠定了理论基础。以实验方法来制定经验公式的“实验流体力学”。19世纪末，理论分析方法和实验分析方法相结合，解决实际问题，同时古典流体力学和实验流体力学内容也不断更新变化(相似理论和量纲分析，边界层理论和紊流理论等)，最终形成理论与实践并重的研究实际流体模型的现代流体力学。2022/8/762022/8/77 课程简介粉体 绪论 Wil

5、liam Blake （1757-1827）威廉布莱克：英国诗人、水彩画家、版画家天真的预言（Auguries of Innocence，1863）开头著名4句： To see the world in a grain of sand 一沙一世界And a heaven in a wild flower 一花一天国Hold infinity in the palm of your hand 君掌盛无边And eternity in an hour 刹那含永劫 绪论 To see a world in a grain of sand 贝壳 、残骨、碎石造物者在细沙间留下痕迹由熔化的岩浆凝固后形成

6、的像雨花石的沙粒 绪论 To see a world in a grain of sand 浅绿色的橄榄石富含铁，密度大，抗风化，经得起百万年的波浪冲刷有些沙粒是由海洋生物尸体形成的，这也是许多热带海滩的主要成分 绪论 To see a world in a grain of sand 粉红色和红色的沙粒是石榴石；中间浅绿色的是绿帘石；角形的黑色磁铁矿石典型的沙漠沙粒，高强度、长时间碰撞和磨损，红色是来自空气中的氧化铁覆盖形成 绪论 一粒沙石（单个颗粒）是固体，沙堆（颗粒群）是固体？流体？ 史前，植物种子粉末明代宋应星的天工开物，详细的描述和总结了一些原始的粉体工艺加工过程。但当时未命名为“粉

7、体”。化妆品源于新石器时代陶器与粉体密切联系2022/8/713 绪论 绪论 学科背景交叉学科化学工程师和选矿工程师：利用粉体技术解决很多实际问题 结构和土木工程师：建造粉体料仓物理化学学家和物理学家：研究粘结力和摩擦力的控制因素数学和土力学学者：需要借助于计算机解决一些数学问题 绪论 研究内容 粉体技术学科：是一门交叉性、综合性的技术科学。由于其跨学科、跨技术的交叉性和基础理论的综合性，因此它既与若干基础科学相毗邻，又与工程应用广泛联系。 粉体力学课程：主要研究粉粒体的力学行为和特性，是研究、开发和设计粉粒体处理单元工艺、工程和设备的重要基础，对过程装备与控制工程、安全工程专业学生全面掌握流

8、程型工业的过程及装备具有重要的作用。 绪论 研究内容 20世纪60-70年代：由于石化、能源和矿山技术的发展，粉体力学及工程技术得到了迅速的发展，在世界各地出版了各种版本的颗粒学专著，这些专著对粉体力学和工程的理论与应用发展起到很大的推动作用。 绪论 研究内容 20世纪80年代：随着微米和超细颗粒材料制备与应用技术的发展，致使微米和超细颗粒成为粉体技术的热门研究课题微米和超细颗粒与传统粉体的性能和行为差异很大。 20世纪90年代：纳米材料制备与应用技术的发展赋予了粉体技术新的生命，从原子和分子的微观尺度和纳米尺度来研究粉体的行为，使粉体理论和技术成为一门多学科交叉的尖端学科。约翰艾特肯博士写道

9、：“漂浮在大气中的尘埃引起了人们越来越多的关注。随着对这些看不见的粉尘认识的加深，我们的兴趣也浓厚了。当我们认识到这些尘埃对我们的生命至关重要时，我们几乎可以说，人们对它的担忧是不无道理的。无论是小到经过许多倍显微镜放大后也看不见的那些无机尘埃，还是漂浮在大气层内不可见的更大一点的有机粒子；尽管这些粒子看不见，但它们可是传播人类疾病和死亡的瘟神这些瘟神远比诗人或画家曾表现出来的要真实的多” 环境污染控制领域跨学科、跨行业的综合性极强材料、冶金、化工、矿业、机械、建筑、食品、医药、能源、电子及环境工程等。2022/8/718 绪论 绪论 工业背景 国际标准化组织（ISO）的认定，社会经济过程中的

10、全部产品通常分为四类 硬件产品（hardware） 软件产品（software） 流程型材料产品（processed material） 服务产品（service） 绪论 工业背景 在21世纪初，我国和世界上各主要发达国家都已经把“先进制造技术”列为自己国家优先发展的战略性高技术之一。通常，先进制造技术主要是指硬件产品的先进制造技术和流程型材料产品的先进制造技术。 流程型材料：气体、液体、粉体 绪论 工业背景 自然界中：粉体是常见的一种物质存在形式，如：河沙、粉尘等 日常生活中：粉体是不可缺少的生活用品，如：食盐、米、面粉、洗衣粉等 工业生产中：粉体有着更重要的位置；如：食品、医药、电子、冶金

11、、矿山、能源等工业中，粉体不仅是重要的原料，也是重要的产品 绪论 工业背景 化学工业中：约60%的产品是粉体。如果加上粉体悬浮在液体和气体中的产品，粉体和含粉体的产品可达80%；考虑粉体原料和中间产物，在化学工业中粉体的处理量可达粉体产品的3-4倍。 粉体涉及广泛的操作单元：储存、输运、混合、分离、制粉、造粒、流态化等，涉及工程、力学、物理、化学、材料等学科的基础理论和技术2022/8/72330202680美国各工业粉体销售额 绪论 绪论 工业背景 20世纪80年代，美国一家咨询公司对美国和加拿大的37家与粉体有关（原料或产品）的工厂作了调研，得到如下结论： 2/3工厂的运行负荷小于90%的

12、设计负荷； 1/3工厂的运行负荷小于60%的设计负荷； 20世纪80年代与60年代的设计水平相当。 绪论 工程应用在工程领域中，粉体和散料的处理被称为粉体技术，是过程工业的重要组成。粉体材料性能的变化或转化： 粉碎、聚集、混合和偏析。 单个颗粒加工 颗粒群加工 粉体的处理过程：存储、输运 不增值但不可少 增加产品附加值 绪论 粉体力学性能有其特殊性： 类固体行为 类流体行为 颗粒群界面行为与其他物质以分子和原子作为研究对象相异，粉粒体一般以单个颗粒作为最基本的单元2022/8/726 课程沿革 绪论 20世纪40年代：第一部专著Mircromeritics 20世纪50年代：战后的日本粉体工程

13、 20世纪50年代：德国Karlsruhe（卡尔斯鲁厄）大学化工机械系Rumpf，开设“粉体工程”20世纪60年代：英国Bradford（布拉德福德）大学化学工程系 Williams博士，粉体技术研究生院（Graduate School of Post-graduate Studies in Powder Technology）， “Powder Technology” 创刊2022/8/727 课程沿革 绪论 20世纪70年代：20 多家跨国公司集资成立“国际细粉学会”（International Fine Particle Research Institute）。每年出资设立项目解决与粉体

14、有关的生产问题及产品开发研究，现已发展为约 40 家成员公司。 20世纪90年代：美国化学工程师学会每 4 年举办一次 “颗粒技术论坛” 。 2022/8/728 课程沿革 绪论 1990年：“显微隧道扫描技术国际会议”预示纳米技术的诞生，之后每2年举办一次“纳米技术国际会议”。20世纪80年代：在中科院过程研究所（原化冶院）郭慕孙院士的建议下成立了“中国颗粒学会”。2022/8/729 课程沿革 在选矿和许多化学工业领域，了解粉体和散料的填充和流动的控制因素是非常必要的。 料仓内粉体的贮存，松散的粘连聚集，密实坚强压实物的制造等均需要填充物的几何尺寸参数以及通过它们力的传递信息；通过料仓出口

15、的排料，通过锥斗或斜槽的流动，混合流动，盲孔处的填充等均需要流型、粉体的强度以及它们对表面的粘附信息。2022/8/730 绪论 课程内容2022/8/731 绪论 课程内容 绪论2022/8/732 课程内容 在粉体处理过程中，粒子或颗粒彼此间密切接触，在它们的聚集体内所发生的一切行为很大程度上是由颗粒间的粘附和摩擦所控制的。在涉及固相、流体相占主导地位的其它工艺过程中，例如，通过固定床的流动、流化床系统、一些水力或气力输送系统、粉尘捕集器等，其装置的设计和操作需要借助于粉体力学的知识。同样，当固相起主要作用时，粉体力学的知识是必须的。2022/8/733 绪论 课程内容2022/8/734

16、 绪论 课程内容 1852年：Hagen研究了砂子的流动问题； 1885年：Osborne Reynolds观察到沙堆在变形期间的膨胀特性 粉体力学本应与流体力学并行发展，然而，粉体力学发展较慢。只是在现在，当需要开发新的粉体，过程装备需要自动化，大量细粉物料需要处理时，粉体力学的原理及应用正面临新的挑战。2022/8/735 绪论 课程内容 粉体力学与土力学的基本方程的相同点：Coulomb（1776年）和Rankine（1857年）早期开展的沙堆摩擦行为的研究为基础。 粉体力学与土力学的基本方程的不同点： （1）一些具有黏着行为的粉体，在土力学中被看作是自由流动的。因此，必须建立适用于粉体

17、的测试方法。在这个研究方向Dawes(1952年)和Jenike等（1960年）取得了重要进展。2022/8/736 绪论 课程内容37绪 论 绪论 课程内容H.A.Janssen 19世纪末德国布来梅市的工程师38A.W.Jenike绪 论1939年毕业于华沙理工学院的机械工程专业；二战后在英国获得了结构工程博士学位 绪论 课程内容 粉体力学与土力学的基本方程的不同点： （2）在大多数情况下，粉体力学的边界条件与土力学是不同的。Jenike（1961年）和Richmond、Gardner（1962年）已经得出一些近似解。 （3）粉体比土力学中常见的物质可经受较大的变形。Geniev（1958

18、年）已经研究了粉体的运动方程，Brown（1961年）对自由流动的颗粒提出了能量理论。39 绪论 课程内容各行业独立处理各自遇到的粉粒体技术问题各行业在粉体研究中的共性问题聚集起来 粉体工程学操作单元: 粉体的储存、输送、混合、分离、制粉、造粒、流态化等操作单元（工程、力学、物理、 化学材料等）粉体操作单元的设计 经验或半经验半理论的结果 2022/8/740 绪论粉体工程的研究内容41粉体力学是粉体工程的理论基础粉体工程材料、冶金、化学工程、矿业、机械、建筑、食品、医药、能源、电子、环境工程按产品类别划分工业部门将粉体看成物质的一种特殊存在形式粉体工程学诞生 绪论 课程内容粉体的流动气固两相

19、流造粒粉碎混合颗粒分级粉碎机械力化学微细粉的燃烧和粉尘爆炸粉体喂料及计量设备矿物粉体表面改性42 绪论 课程内容粉体的流动43 绪论 课程内容粉体的流动 绪论 课程内容粉体的流动 绪论 课程内容粉体的流动46 绪论 课程内容粉体的流动47 绪论 课程内容粉体的流动48 绪论 课程内容气固两相流50 绪论 课程内容混合51 绪论 课程内容混合52 绪论 课程内容混合53 绪论 课程内容混合2022/8/754 绪论 课程内容混合2022/8/755 绪论 课程内容 1 绪论 课程内容 1 绪论 课程内容 视频 1 绪论 课程内容 1 绪论 课程内容 1 绪论 课程内容 1 绪论 课程内容 1 绪

20、论 课程内容粉体的类流体行为粉体的基本定义米粒大麦米粉面粉磨块粉 各个单独的固体颗粒的集合体，我们把这种集合体称为粉体，是对实物“粉”这种物体抽象化的判断。粒粉2022/8/764颗粒粉体粉体的基本定义2022/8/765粉体的固有特性：粉体固体：粉体具有异常发达的比表面积。粉体是松散体，各颗粒间相对位置容易变动。粉体几乎没有刚度，容易变形和倾泻，容易发生颗粒间的相对运动。粉体的基本定义2022/8/766粉体的固有特性：粉体固体：粉体流体：流体具有流动性；粉体颗粒间容易发生相对运动是由于粉具有松散性，并不像流体那样具有流动性。流体是宏观上的连续体，而粉体是各个独立的松散的颗粒的集合体，颗粒之

21、间有空隙，空隙中填充着空气和水，所以粉体不是连续体，具有显著的不连续性。一杯水、一杯粉料仓中粉的结拱、堵塞，装卸时发生的急冲、泛溢等现象都是因为粉的不连续性而造成的。粉体学(micromeritics)：研究具有各种形状的粒子集合体性质的科学。液体相似的流动性；气体相似的压缩性；固体相似的抗变形性；“第四种物态”多数固体制剂根据不同需要把粒子加工以改善粉体性质粉体粉体的基本定义2022/8/767粉体的基本定义2022/8/768料仓无论储藏的是水泥或是碎石块，侧压和底压随高度的变化关系都服从于同一规律。设计料仓时，碎石块也可以作为粉体来处理粉体颗粒尺寸的上限无明确标明块体、粒体、粉粒体工程颗粒群粉体（powder）组成粉体的最小单元The minimum elment粉体广泛应用于国民经济各