颗粒流动研究的非电磁响应回转鼓实验系统设计开题报告

一、文献综述

1.1 背景

在过去的几十年里，颗粒物质一直是物理学界众多研究的对象。在大多数的实验、理论和数值研究中，空间斥力是唯一考虑的相互作用。然而，颗粒间的内聚力可由间隙液的存在、磁性或静电相互作用或范德华力引起。研究表明，内聚力对颗粒材料的静力学和动力学性能有很大的影响。的确，凝聚力在颗粒介质中引入了一个新的长度尺度。这种长度尺度对材料宏观性能的影响仍然是一个开放性问题。

研究粒状物质流动最实用的几何形状是转鼓。在极低角速度时，流动是间歇性的。桩体的斜度在桩体的静止角和最大稳定角之间变化。速度越高，流动越连续。这种离散 雪崩 反应之间的过渡的连续 流态发生角速度 , 是典型的雪崩持续时间. 在连续状态下，弗劳德数较低时，自由表面的形状基本上是平坦的Fr=R2/g。在连续情况下，自由表面的形状基本上是平坦的弗劳德数的低值当惯性效应变得重要时，一个众所周知的s形被观察到.观察到最后，当弗劳德数Fr优于单位数1时，观察到向心现象。随着内聚颗粒的出现，颗粒组装行为变得更加复杂。

回转鼓是依靠机壳内转子的回转运动使工作容积交替扩大和缩小，从而将气体吸人并提高气体压力。回转气体压缩机械具有结构简单、排气连续且均匀等优点，特别适用于所需压力不高而流量较大的场合。常见的回转式气体压缩机械有罗茨鼓风机、叶式鼓风机、滑片压缩机、滚动活塞压缩机、螺杆压缩机等多种型式。

回转鼓风机是依靠机壳内转子的回转运动使工作容积交替扩大和缩小，从而将气体吸人并提高气体压力。回转气体压缩机械具有结构简单、排气连续且均匀等优点，特别适用于所需压力不高而流量较大的场合。常见的回转式气体压缩机械有罗茨鼓风机、叶式鼓风机、滑片压缩机、滚动活塞压缩机、螺杆压缩机等多种型式。

1.2 研究意义

本论文的研究意义主要体现在以下三个方面：

（1）论文将物理学中的磁力学等概念引入到颗粒流动非电磁响应研究中，体现回转鼓工作原理、机械原理、工程力学、材料力学、相似分析、传热学原理、流体力学等多学科的交叉与渗透，有助于揭示颗粒流动的关联性，对于丰富产业经济学和区域经济学等学科的研究范畴具有较为重要的研究意义。

（2）论文根据回转鼓的实际特点，构建非电磁响应系统，探究互动机制发展的增长路径，并进行动态优化，寻求磁相互作用对最大稳定角的影响最优路径。

（3）论文为典型代表进行实证分析，研究该区域的互动机制、发展的增长路径以及约束条件。

1.3 国内外研究现状趋势

1.3.1 国外研究现状

在过去的几十年里，颗粒物质一直是物理学界众多研究的对象。在大多数的实验、理论和数值研究中，空间斥力是唯一考虑的相互作用。然而，颗粒间的内聚力可由间隙液的存在、磁性或静电相互作用或范德华力引起。研究表明，内聚力对颗粒材料的静力学和动力学性能有很大的影响。的确，凝聚力在颗粒介质中引入了一个新的长度尺度。这种长度尺度对材料宏观性能的影响仍然是一个开放性问题。

1.3.2 国内研究现状

颗粒在不同流速下表现出不同的流态,不同流动状态之间既有区别又有联系。区别是什么,用什么来表征;.它们之间的联系又是什么,如何转化?.总结最新的研究成果, 并进行细致的分析, 对颗粒流的系统研究是十分有意义的。

2.颗粒流不同流态及其转化

颗粒在不同流速下表现出不同的流态,不同流动状态之间既有区别又有联系.它们之间区别是什么,用什么来表征;.它们之间的联系又是什么,如何转化?.总结最新的研究成果,并进行细致的分析,对颗粒流的系统研究是十分有意义的

1.4 研究目标

本论文预期实现以下目标：

（1）本论文将结合颗粒流动的实际情况，分析通过工艺条件，设计回转鼓和热系统，并利用大产业系统理念，构建颗粒流动非磁响应热系统，设计回转鼓进料端的动密封以及出料端的动密封。

（2）探究回转鼓和系统演化规律，制定促进研究粒状物质流动最实用的几何形状是转鼓的策略。论文将设计颗粒流动研究的非电磁响应回转鼓实验系统（核心传动系统、支撑系统、倾斜调节系统、进出料密封系统、内置构件、测试系统等及总平台三维视图）。

1.5主要内容

1.5.1 研究主要内容

本论文的研究内容主要包括以下几个方面：

课题以直径φ80 mm、长度1 m，内置构件为圆管或板式等几何形状的回转鼓为研究平台，筒体采用石英玻璃材质，鼓内物料为小米或菜籽颗粒，平均粒径为1 mm，热壁温度80-120 ℃，鼓回转速度为0 r/min～50 r/min，物料的填充率为20-30%，载气为氮气，颗粒物料进口温度20℃，出口温度50℃。主要依据回转鼓工作原理、机械原理、工程力学、材料力学、相似分析、传热学原理、流体力学等设计回转鼓内颗粒流动研究的非电磁响应的实验系统，主要设计内容如下：

1、通过工艺条件，设计回转鼓和热系统；

2、设计回转鼓进料端的动密封以及出料端的动密封；

3、设计颗粒流动研究的非电磁响应回转鼓实验系统（核心传动系统、支撑系统、倾斜调节系统、进出料密封系统、内置构件、测试系统等及总平台三维视图）。

1.3.1 国内外理论研究成果综述

颗流研究之所以成为热点, 不仅是因为它具有重要的理论意义, 还在于其重要的实际意义. 如何解决理论研究相对滞后、或者脱离实际这个问题是当前所面临的一个挑战。比如, 颗粒快速流动一直是研究的热点, 而事实是, 快速颗粒流多存在于实验室中, 实际应用快速颗粒流十分少见, 一般多为密度流,颗粒很难在剪切作用下获得足够高的温度脱离弹性区进入快速流区。目前, 最好的解决办法就是在实验设计方面要紧跟实际运用的需要,以便基础研究的成果直接运用到现实操作过程中。

新技术的运用大大拓展了颗粒流研究的深度和广度, 但同时也带来了问题.比如, 通过非侵入方法可以很容易地测量出颗粒的速度数据, 但是, 如何根据这些数据推出颗粒的速度场仍比较困难, 尤其是当颗粒系统的流动特征本身就比较模糊的时候,由此得出的结论可能会影响人们对颗粒流本质的理解。还有人采用PTV得到的数据量化颗粒流, 而实际上这些数据并不一定能反映颗粒流动的本质这些新技术的不合理地运用,可能会影响颗粒流的理论研究。

在转鼓中，间歇流通常以低角速度进行，而连续流则以较高的角速度进行。在此，这两个动态状态之间的转变是由于存在磁相互作用。让我们研究一下在雪崩流态中ava通道的不同步骤。我们从一个斜率为0的静态桩开始。滚筒开始缓慢旋转，使斜率线性增加。当坡度达到最大角度时，摩擦力和颗粒间的磁力相互作用由重力主导，颗粒开始流动。由于动能在填料内部强烈耗散，颗粒的运动发生在表面以下的一个明确的层中。因此，斜率在v时间内减小，直到颗粒停止相对运动。找到了一个新的角度。我 们期望在雪崩结束时，填料的结构取决于所应用的材料的方向。

欧拉双流体模型和颗粒动力学方法，数值模拟了大颗粒流化床在不同密度、布风装置及曳力模型情况下的气固两相流动，考察了大颗粒流化床流化和流动特点，颗粒体积分率分布，床层压力瞬时变化，床层碰撞比，以及颗粒速度径向和空隙率轴向分布规律．研究结果表明，与直型布风板流化床比较，凹型布风板流化床内的气泡产生快，颗粒横向运动能力强；随着颗粒密度的增大，其在凹型布风板流化床边壁处的速度比中心位置处减小的快；比较3种曳力模型，发现其模拟的轴向空隙率分布和床层压力存在较大差异，且与床层膨胀比实验关联式相比，3种模型预测的值比实验关联式要大一些．通过研究，3个曳力模型中Gidaspow模型相对适用于大颗粒气固流化床的数值模拟。

在回转鼓内同时存在物料颗粒的轴向运动和横截面运动，其横截面物料流动特性对物料的混合及能量分布有着重要影响． 应用双流体模型，结合颗粒流动理学理论，数值模拟横截面内物料流动特性，应用文献中的实验对所建立的数学模型进行有效性验证． 结果表明，数值计算与实验结果吻合较好． 回转窑横截面内物料运动分层，表面活动层速度较大，内部被动层速度较小; 表面物料速度方向并非与表面平行． 实际工程尺度回转窑内，物料表面呈现一定的波动; 窑内气体受物料运动影响较大，会产生旋涡及扬沙，卷起少量物料冲击物料表面。

由于回转窑内物料输运及传热过程的复杂性和检测手段的不完善，尚无法对实际工程尺度回转窑内气体、物料的速度及温度进行准确测量，这对了解回转窑的运行状况造成了很大困难。 本文通过建立输运模型，对回转窑内的冷态条件下物料颗粒及气体参数进行模拟计算，了解回转窑内气体、物料颗粒的空间分布及运动情况，为回转窑的优化操作提供理论依据。

磁场。由于滚筒仍在转动，这个过程会无限重复。可以定义两个特征时间:从r角到m角旋转所需的时间r=mr/，和雪崩时间。图3a显示了最大稳定角m随键数Bo的变化。在磁场B垂直于g和B平行于g的两个方向上，角m随Bo的增大而增大。当Bo4时，系统最大稳定角在B垂直于g中较高。下面的模型很好地再现了这种行为。从图3b可以看出，对于Bo=4, mr的雪崩振幅接近于零，当B垂直于g时，mr的雪崩振幅增加到一个恒定值。Bo4的雪崩时间也是恒定的，见图3c。因此，对于取向B垂直于g，特性乘以r和不依赖于键数。在配置B平行于g中，行为是完全不同的。确实，mr随Bo和雪崩特性乘以r而增加，并表现出不规则的大波动。

磁偶极子-偶极子相互作用的各向异性可以解释流动动力学中观察到的这种差异。事实上，与外加磁场一致的粒状链的形成是在填料内部进行的。在构型B垂直于g中，桩体表面的流动倾向于分离垂向磁链。d流动表面强烈不规则，角度沿界面上下波动。作为一个序列，当磁鼓旋转时，在界面上的任意位置都可能发生雪崩。相反，当B垂直于g时，重力倾向于使水平磁链相互靠近。然后，界面保持光滑和规则，如图1c和1d所示。优先链取向可以解释B垂直于g时的雪崩动力学规律。

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