准二维垂直振动楔形颗粒床中颗粒对流现象的研究

作     者：许俊彪 

作者单位：北京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛琨

授予年度：2015年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：颗粒对流 准二维垂直振动楔形颗粒床 反向对流卷 离散元模拟 

摘      要：本文采用实验和离散元模拟方法研究不同侧壁倾角下准二维垂直振动楔形颗粒床的对流模式，及其随侧壁倾角和振动加速度的变化。发现侧壁倾斜颗粒床在振动作用下发生了反向对流，即颗粒沿侧壁向上流动，在表面汇聚到中心，然后沿中心下降通道运动到底部，最后沿底部向两侧分流，形成左右两个对流卷。 同等振动强度下65°侧壁倾角颗粒床的对流速度最大，倾角偏离该角度越大，对流速度越小。将对流速度随倾角变化曲线外推至对流速度为零，发现反向对流终止时对应的临界倾角为86.5°。保持侧壁倾角不变，对流速度随加速度大致呈线性增长。但65°侧壁倾角时，加速度从10g增加到12g时，对流速度增加了117%，远大于其它倾角平均增长10%。对流卷中心也随着振动加速度的增加而缓慢下降。以上实验观察可以和离散元模拟结果相吻合。 颗粒对流主要发生在颗粒床两侧翼在重力波作用下的横向膨胀阶段。当膨胀后的颗粒床侧翼边缘颗粒与侧壁在更高的位置碰撞并向上运动时，仍然保持横向运动分量的侧翼内侧颗粒填补到沿侧壁向上流动颗粒的下方，形成对流卷的底部。颗粒床侧翼横向膨胀程度与此区域内颗粒床上抛最初阶段的横向力链强度呈正相关。当颗粒床底部离开底壁时，底部力链迅速消失，而侧壁与颗粒床在短时间内仍保持接触，侧翼区域内力链得以维持。随着颗粒床上抛距离的增大，颗粒床侧翼与侧壁分离，横向力链的松弛导致侧翼开始膨胀。但速度的变化较力链存在滞后性，在颗粒侧翼反向下落时，侧翼的膨胀才变得明显。 侧翼膨胀程度相同时，侧壁倾角更大的侧翼颗粒将更早与侧壁碰撞，导致对流速度增大。但上抛最初阶段侧翼颗粒与侧壁接触时间随倾角增大而延长，导致侧翼颗粒受到侧壁向下摩擦更强，上抛速度减小，在空中飞行时间缩短，以至于侧翼还未充分膨胀就与侧壁碰撞。在这两种竞争效应的作用下，65°倾角颗粒床对流最强。小于此角度，削弱了横向膨胀程度;大于此角度，侧壁摩擦效应会明显抑制反向对流。