顆粒在圓形偏心滾筒內(nèi)的運(yùn)動模式

張立棟，李連好，程碩，李曉博，秦宏，王擎，李少華

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顆粒在圓形偏心滾筒內(nèi)的運(yùn)動模式

張立棟1，李連好1，程碩1，李曉博1，秦宏1，王擎1，李少華2

（1東北電力大學(xué)油頁巖綜合利用教育部工程研究中心，吉林吉林 132012；2中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院 有限公司，北京 102206）

實驗研究了影響顆粒在圓形偏心滾筒內(nèi)運(yùn)動狀態(tài)的因素，分析了2種偏心距、4種填充率和4種轉(zhuǎn)速對運(yùn)動模式的影響。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速和填充率是影響顆粒在圓形偏心滾筒內(nèi)運(yùn)動模式變化的主要因素，偏心距對其基本沒有影響；當(dāng)轉(zhuǎn)速為15r/min和25r/min時，填充率不會影響顆粒的運(yùn)動模式；而在轉(zhuǎn)速為5r/min時，顆粒運(yùn)動模式隨填充率由1/6增大到1/3，相應(yīng)由階梯模式變?yōu)闈L動模式；在轉(zhuǎn)速為40r/min時，顆粒運(yùn)動模式隨填充率由1/6增大到1/3，相應(yīng)由滾動模式變?yōu)樾∑俨寄Ｊ剑黄木嘣酱螅w粒在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的渦心越偏離滾筒中心；轉(zhuǎn)速的增加使顆粒群的上表面和下落層兩端的弧度發(fā)生變化；填充率對顆粒在圓形偏心滾筒中的運(yùn)動模式的影響只發(fā)生在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下。

顆粒；圓形偏心滾筒；運(yùn)動模式

顆粒材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工及人們生產(chǎn)生活等各個領(lǐng)域。例如，工業(yè)中的建材、煤炭、礦石，農(nóng)業(yè)中的生物質(zhì)燃料，化工藥品和日常生活中的糧食、糖、鹽等，都是顆粒材料。顆粒材料作為一種特殊的物質(zhì)形態(tài)，受其自身物性及形狀等因素的影響，有別于液態(tài)、氣態(tài)的運(yùn)動特性[2]。國內(nèi)外很多研究者從多方面開展了關(guān)于顆粒材料的實驗和模擬計算，得出很多結(jié)論，獲得很多成果。其中，陸坤權(quán)等[1-3]對顆粒物質(zhì)的糧倉效應(yīng)、加壓膨脹、應(yīng)力分布等靜態(tài)特性以及顆粒物質(zhì)振動引起的對流、分離，顆粒流動特性進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。孔維姝 等[4]又對顆粒物質(zhì)的歷史效應(yīng)、振動下產(chǎn)生的偏析、斑圖等現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析。張立棟等[5-7]研究了分別在圓形和橢圓形回轉(zhuǎn)干餾爐內(nèi)不同粒度顆粒在多種不同影響因素下的混合運(yùn)動特征，實驗驗證了顆粒在無內(nèi)構(gòu)件回轉(zhuǎn)式混合器中的6種運(yùn)動形態(tài)（滑移模式、階梯模式、滾動模式、小瀑布模式、大瀑布模式和離心模式）[8]，并總結(jié)出填充率、轉(zhuǎn)速、抄板形式、不同粒徑、傾角及出口擋板內(nèi)徑都對顆粒群的混合運(yùn)動有重要影響。趙永志等[9-10]通過建立不同彈性-阻尼離散單元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測出圓形滾筒內(nèi)二元S形顆粒流花瓣模式的分層現(xiàn)象，并分析了滾筒轉(zhuǎn)速、顆粒裝載率等參數(shù)對顆粒分層的影響，以及液體對顆粒體系的混合行為的影響。歐陽鴻武等[11]通過一系列的實驗研究，系統(tǒng)地闡述了顆粒混合物體系在半填充轉(zhuǎn)鼓中的花瓣斑圖的形成過程以及規(guī)則花瓣斑圖的形成條件。Gui 等[12]采用離散單元法模擬了顆粒在波紋筒壁的滾筒中的運(yùn)動情況得出，波紋筒壁在定轉(zhuǎn)速下會產(chǎn)生周期性的振蕩運(yùn)動，顆粒在這種滾筒中的混合比在圓形滾筒中的混合更好，且在低轉(zhuǎn)速下比在高轉(zhuǎn)速在下混合更好。

國外研究者對方形和圓形回轉(zhuǎn)裝置內(nèi)不同物性顆粒的運(yùn)動情況進(jìn)行了討論，并對裝置內(nèi)的顆粒隨滾筒轉(zhuǎn)動所形成的斑圖與偏析現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)分析[13-15]。蔡洪濤等[16]運(yùn)用坐標(biāo)變換法研究了偏心圓筒混合機(jī)的旋轉(zhuǎn)圓筒的運(yùn)動軌跡，分別得出單個顆粒做部分圓周運(yùn)動和整個顆粒群做完全圓周運(yùn)動的臨界角速度，并指出這個臨界角速度與顆粒物料常數(shù)和充裝系數(shù)有關(guān)。胡銀玉等[17]利用先進(jìn)的無干擾流場測試手段，對比分析了斜葉槳攪拌反應(yīng)器內(nèi)的液相在中心和3種不同偏心率下的攪拌混合程度，發(fā)現(xiàn)偏心攪拌比中心攪拌更能達(dá)到混合均勻。夏建新等[18]采用內(nèi)外筒均可獨立旋轉(zhuǎn)的同心圓筒對顆粒剪切進(jìn)行實驗，測量了非均勻離散顆粒流在旋轉(zhuǎn)剪切流動下的剪切應(yīng)力變化，并得出顆粒粒徑和顆粒濃度均影響剪切應(yīng)力的產(chǎn)生。田昊等[19]利用稠相的粒子圖像測速技術(shù)研究了顆粒在二維回轉(zhuǎn)圓筒內(nèi)的流動模式和時均速度分布，通過測量不同工況下料床的徑向?qū)ΨQ線、30%徑向線和70%徑向線上的速度，得出顆粒徑向速度分布具有相似性，表面線上速度橫向分布在低速下呈對稱分布，且峰值在中線處。另外，峰值隨著圓筒轉(zhuǎn)速的不斷提高而向料床下部移動。

本文將對顆粒物質(zhì)在圓形偏心滾筒內(nèi)的運(yùn)動情況做深入研究。通過設(shè)置不同操作參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，實驗分析了顆粒在不同轉(zhuǎn)速、不同填充率和不同偏心距的圓形偏心滾筒中的運(yùn)動狀態(tài)及運(yùn)動模式，為油頁巖固體熱載體在圓形偏心滾筒中干餾煉油過程的研究打下基礎(chǔ)。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置及物料物性

本實驗采用如圖1所示的實驗臺進(jìn)行，實驗物料采用平均直徑為2.5mm的陶瓷球，其硬度> HRA90，密度為6.00g/cm3，松散裝度為3.70g/cm3，抗彎強(qiáng)度>1000MPa，斷裂韌性為12～14MPa；滾筒的直徑為84mm，材料為中碳鋼，其硬度約為HRC55，與鋼球間摩擦系數(shù)為 0.15。

1—實驗臺；2—調(diào)速儀；3—電動機(jī)；4—實驗滾筒；5—圖像采集裝置（高清DV）；6—計算機(jī)

1.2 實驗工況設(shè)置

試驗工況設(shè)置如表1所示。

表1 實驗工況

2 結(jié)果與討論

本文通過對所有工況的大量圖像進(jìn)行整理，對比分析了在不同填充率、不同轉(zhuǎn)速及不同偏心距下圓形偏心滾筒中顆粒運(yùn)動變化情況，得出以上3種因素對顆粒運(yùn)動的影響，具體分析如下所述。

2.1 不同偏心距時顆粒運(yùn)動情況

圖2所示為陶瓷顆粒在相同轉(zhuǎn)速、不同填充率、不同偏心距的圓形偏心滾筒中的運(yùn)動情況。圖中O表示圓形偏心滾筒幾何中心偏離滾筒旋轉(zhuǎn)中心的距離（以下簡稱為偏心距）為0，A表示偏心距為20mm，B表示偏心距為40mm，1～6分別代表滾筒在運(yùn)動過程中所處的6個不同位置。根據(jù)對實驗記錄的觀察與分析，得出偏心距分別為0、20mm、40mm時，顆粒的運(yùn)動模式基本相同，都屬于rolling（滾動）模式。圖中圓圈內(nèi)為渦心（渦心的顆粒間無相對位移），對轉(zhuǎn)速為15r/min填充率2/3，3種偏心距下顆粒的運(yùn)動情況比較分析可知：隨著圓形偏心滾筒轉(zhuǎn)動，渦心會發(fā)生周期性的變化，不同偏心距的對應(yīng)位置處，偏心距越大，渦心越偏離滾筒中心。如圖2(a)，偏心距為40mm的B1位置與偏心距為20mm的A1位置相比，渦心更偏離滾筒中心。當(dāng)渦心在下滑面與旋轉(zhuǎn)中心之間時[圖2(a)中的A1、A2]，渦心的偏移量基本相等；渦心在下滑面和旋轉(zhuǎn)中心兩者下方時[圖2(a)中的A4、A5]，渦心的偏移量也基本相等；渦心處于其與旋轉(zhuǎn)中心的連線，近似平行于下滑面時[圖2(a)中的A3、A6]，上下兩處的渦心偏移量不相等，而這3種位置的渦心偏移量各不相等。如圖2(a)中的A1和A2渦心偏移量為13.8mm，A4和A5的渦心偏移量為7.8mm，A3、A6的渦心偏移量分別為12mm、18mm。偏心距為40mm時，渦心已經(jīng)緊貼滾筒壁面或者運(yùn)動顆粒群的上表面，這種情況下，在緊貼滾筒壁面位置處的渦心偏移量基本相等（渦心半徑的變化量相對滾筒尺寸足夠小）。而在相同轉(zhuǎn)速下，填充率為1/6、偏心距20mm時，渦心就已經(jīng)緊貼筒壁或者運(yùn)動顆粒群的上表面，渦心的偏移量具有上述相同的規(guī)律，如圖2(b)中A1～A6所示。當(dāng)偏心距增大到40mm時，顆粒在一個運(yùn)動周期中的大部分位置處于無渦心運(yùn)動。但只要在渦心一直存在的運(yùn)動過程中，沿滾筒的轉(zhuǎn)動方向，如圖2(a)中B1-B2-B3-B4- B5-B6-B1方向上，渦心的大小是在不斷均勻變化的，渦心總是由大逐漸變小，運(yùn)動到某一處時達(dá)到最小，然后再逐漸地變大，隨轉(zhuǎn)動的不斷進(jìn)行，如此往復(fù)下去。另外，通過觀察渦心外的顆粒運(yùn)動，發(fā)現(xiàn)偏心距越大，渦心以外的顆粒相對滾筒的運(yùn)動越強(qiáng)烈。

2.2 不同轉(zhuǎn)速時顆粒運(yùn)動情況

圖3所示為填充率為1/2、偏心距為20mm時，圓形偏心滾筒內(nèi)的陶瓷顆粒在4種不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)動情況。通過實驗觀察與分析發(fā)現(xiàn)，在5r/min、15r/min和25r/min轉(zhuǎn)速下，顆粒總體運(yùn)動形式呈現(xiàn)為圓形運(yùn)動模式中的rolling（滾動）模式，而在40r/min轉(zhuǎn)速下，顆粒總體運(yùn)動形式已經(jīng)發(fā)生變化，呈現(xiàn)為cascading（小瀑布）模式。圖中箭頭代表顆粒運(yùn)動趨勢，C區(qū)域為顆粒下落層，D區(qū)域為相對靜止層，曲線a為下落層與相對靜止層的分界線。對4種轉(zhuǎn)速下顆粒運(yùn)動情況對比可得：顆粒群的上表面在不同轉(zhuǎn)速下表現(xiàn)不同，在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，上表面一直保持直線，轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時，上表面由直線開始變?yōu)榍€；顆粒在下落層兩端所表現(xiàn)出的運(yùn)動弧度隨轉(zhuǎn)速的增加而不斷減小，這一現(xiàn)象與顆粒在圓形無偏心滾筒中下落層兩端弧度隨轉(zhuǎn)速增加而增大的結(jié)果剛好相反。

2.3 不同填充率時顆粒運(yùn)動情況

通過全工況實驗，對不同工況下顆粒的運(yùn)動情況觀察比較，得到圓形偏心滾筒內(nèi)顆粒的總體運(yùn)動模式，如表2所示。

表2 全工況下顆粒總體運(yùn)動模式

注：s表示階梯模式；r表示滾動模式；c表示小瀑布模式。

從表2可以看出，在相同的轉(zhuǎn)速和相同填充率時，偏心距對顆粒的運(yùn)動模式?jīng)]有影響。但是在5r/min和40r/min下，不同填充率會影響顆粒的運(yùn)動模式。當(dāng)轉(zhuǎn)速為5r/min、填充率1/6時，顆粒的運(yùn)動模式是階梯模式，填充率分別為1/3、1/2、2/3，顆粒的運(yùn)動模式均為滾動模式；當(dāng)轉(zhuǎn)速為40r/min、填充率1/6時，顆粒是滾動模式運(yùn)動，其他填充率下的顆粒均為小瀑布模式運(yùn)動。除此之外，在15r/min和25r/min轉(zhuǎn)速、不同填充率時，顆粒的運(yùn)動模式都是滾動模式。圖4為在轉(zhuǎn)速40r/min、偏心距20mm、不同填充率時顆粒的運(yùn)動情況。

3 結(jié) 論

通過研究偏心距、轉(zhuǎn)速及填充率對顆粒在圓形偏心滾筒內(nèi)運(yùn)動模式的影響，得出以下結(jié)論。

（1）偏心距對顆粒在圓形偏心滾筒內(nèi)的運(yùn)動模式基本沒有影響，影響因素主要是轉(zhuǎn)速和填充率。在5r/min和40r/min轉(zhuǎn)速下，填充率較小時，填充率的變化會影響顆粒運(yùn)動模式的變化，填充率增大到一定程度，其變化不再改變顆粒的運(yùn)動模式。在15r/min和25r/min轉(zhuǎn)速、不同填充率條件下，顆粒一直保持滾動模式運(yùn)動。

（2）隨著圓形偏心滾筒的轉(zhuǎn)動，渦心的位置和大小都發(fā)生周期性變化。對應(yīng)位置處偏心距增大，導(dǎo)致渦心的偏移量增大。同一工況下，渦心的位置決定了渦心偏移量的大小。

（3）填充率1/6、偏心距40mm時，顆粒會出現(xiàn)無渦心的運(yùn)動狀態(tài)。

（4）轉(zhuǎn)速增加會導(dǎo)致圓形偏心滾筒內(nèi)顆粒群的上表面由直線變?yōu)榍€，下落層兩端的運(yùn)動弧度變小。

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Motion mode of particles in a circular eccentric drum

1，1，1，1，1，1，2

（1Engineering Research Centre of Ministry of Education for Comprehensive Utilization of Oil Shale，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China；2Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，China Datang Corporation，Beijing 102206，China）

Experiments were conducted to study the factors which affect motion state of particles in a circular eccentric drum，and the effects of two offsets，four filling rates and four rotating speeds on the motion model were analyzed. Rotating speed and filling rate were the main factors affecting the change of the motion model of particles in a circular eccentric drum，while offset had no effect. Filling rate did not have an impact on the motion model of particles at rotating speed of 15r/min and 25r/min. But when rotating speed was 5r/min，the motion model of particles varied from slumping mode to rolling mode accordingly when filling rate increased from 1/6 to 1/3，and when rotating speed was 40r/min，the motion model of particles varied from rolling mode to cascading mode accordingly when filling rate increased from 1/6 to 1/3. With increasing offset，vortex core generated in the process of movement deviated more from the center of the drum. Increasing rotating speed resulted in the change of the upper surface of particle group and the arc of the falling particle group on both ends. The effect of filling rate on the motion model of particles occurred only at low and high rotating speeds.

particle；circulareccentric drum；motion model

TQ 051

A

1000–6613（2015）09–3244–05

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.006

2015-01-29；修改稿日期：2015-02-25。

長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃（IRT13052）、吉林省重大科技發(fā)展計劃（20096034）、吉林省自然科學(xué)基金（20150101033JC）、吉林市科技計劃（201464044）及吉教科合字2015-237項目。

張立棟（1980—），男，博士，副教授，主要研究方向為油頁巖綜合利用及回轉(zhuǎn)裝置混合與分離。E-mail nedu1015@aliyun.com。