第六章第二節(jié)

6.6散粒體流動特性內(nèi)容提要

組成散粒體的顆粒，可根據(jù)其粒徑分為粗粒、細(xì)粒和粉體三類。大宗的食品初級原料及半成品表現(xiàn)為散粒體。散粒體是由許多單個顆粒組成的顆粒群體。散粒體的流動在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義，它影響物料貯存、定量、零售、裝卸、控制以及整個加工運輸系統(tǒng)的設(shè)計。本章將介紹散粒體的振動特性、流動特性、應(yīng)力特性等方面的散粒體的力學(xué)特性。16.6散粒體流動特性

6.6.1摩擦性6.6.2離析

6.6.3散粒體的流動模型6.6.4散粒體的流動函數(shù)6.6.5粉體倉貯

26.6.1摩擦性1基本概念摩擦力是作用在一個平面內(nèi)的力(在這個平面內(nèi)包含有一個或一些接觸點)，陰礙接觸表面間的相對運動。摩擦力正比于正壓力，其比例常數(shù)稱為摩擦因數(shù)。摩擦力由兩部分組成，一為接觸表面間凹凸不平的剪切力，一為克服表面粘附所需的力;摩擦力與實際接觸面積成正比；因為滑動速度的不同，接觸表面間產(chǎn)生的溫度也不同，所以摩擦力與接觸表面間的滑動速度有關(guān)；動摩擦力小于最大靜摩擦力；摩擦力與接觸物料的特性有關(guān)。

32散粒物料的摩擦角摩擦角反映散粒物料的摩擦性質(zhì)，可用以表示散粒物料靜止或運動時的力學(xué)特性。散粒物料的摩擦角一般有四種，即休止角、內(nèi)摩擦角、壁面摩擦角和滑動角。休止角和內(nèi)摩擦角表示物料本身內(nèi)在的摩擦性質(zhì)，而壁面摩擦角和滑動角表示物料與接觸的固體表面間的摩擦性質(zhì)。4(1)休止角休止角又稱靜止摩擦角或堆積角，是指散粒物料通過小孔連續(xù)地散落到平面上時，堆積成的錐體母線與水平面底部直徑的夾角。它與散粒粒子的尺寸、形狀、濕度、排列方向等都有關(guān)。休止角越大的物料，內(nèi)摩擦力越大，散落能力越小。56休止角與粒徑大小有關(guān)。粒徑越小，休止角越大，這是因為微細(xì)粒子相互間的粘附性較大。粒子越接近于球形，休止角越小。若對物料進(jìn)行振動，則休止角將減小，流動性增加。粒子越接近球形，粒徑越大，振動效果越明顯。在有的文獻(xiàn)里將休止角分為靜態(tài)休止角和動態(tài)休止角。物料水分增加時，休止角增加。

7(2)內(nèi)摩擦角內(nèi)摩擦角是散粒體內(nèi)部沿某一斷面切斷時，反映抗剪強度的一個重要參數(shù)。8將散粒物料裝進(jìn)剪切環(huán)內(nèi)，蓋上蓋板，在蓋板上施加垂直壓力FN，加載桿上作用剪切力FT。如果剪切環(huán)內(nèi)的散粒物料被剪斷時達(dá)到的最大剪切力為FS，設(shè)散粒體的剪切面積為A，則得散粒體的抗剪力等于內(nèi)摩擦力與粘聚力之和，即式中，fi——散粒體的內(nèi)摩擦因數(shù)，fi=tan；

Fc——單位粘聚力，即發(fā)生在單位剪切面積上的粘聚力。9試驗時，先使載荷FN不變，漸增大剪切力，測出剪切環(huán)移動時的剪切力Fs；改變FN值，測出不同載荷FN時的剪切力Fs，作Fs一FN曲線，則該曲線與橫坐標(biāo)FN的夾角即為該物料的內(nèi)摩擦角,在縱坐標(biāo)上的截距FcA即為物料的粘聚力。

10(3)壁面摩擦角和滑動摩擦角壁面摩擦角表示物料層與固體壁面的摩擦特性，而滑動摩擦角(又稱自流角)則表示每個粒子與壁面的摩擦特性。一般缺乏粘聚性的散粒物料，休止角等于內(nèi)摩擦角，大于壁面摩擦角;但對于含水率大的谷物種子，休止角比內(nèi)摩擦角大得多?；瑒咏腔蚍Q自流角，也是衡量散粒物料散落性的指標(biāo)。測定滑動角時，將單個顆粒放在平板上，再將平板輕輕傾斜，待顆粒開始滑動時，平板角度即為物料的滑動角。111213146.6.2離析粒徑差值大且重度不同的散?；旌衔锪?，在給料、排料或振動時，粗粒和細(xì)粒以及密度大和密度小的會產(chǎn)生分離。這種現(xiàn)象稱為離析，又稱偏析。在給料和排料過程中出現(xiàn)離析現(xiàn)象，使粒度失去均一性，產(chǎn)生質(zhì)量不合格的產(chǎn)品。但振動篩選過程中的離析現(xiàn)象，則有助于達(dá)到篩選的目的。容易引起離析的散粒體，多數(shù)是流動性好的物料。

15(a)附著離析是在沉降時粗細(xì)粒分離。(b)填充離析是在傾斜狀堆積層移動時產(chǎn)生的。這時粗粒子會有篩分作用，小粒子從間隙中漏出而被分離出來。

(c)滾落離析的原因是粒子的形狀不同和滾動摩擦狀態(tài)不同。裝料時，顆粒的運動只發(fā)生在物料錐體的表面上。物料的運動是滾動運動，小顆粒會落到大顆粒的孔隙中。一般來說，大顆粒比微細(xì)顆粒的滾動摩擦因數(shù)小，大部分滾落到料斗壁面附近，而微細(xì)粒子則留在中心位置。

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供料速度越小，物料的流動性越大和粒度分布范圍越廣，離析現(xiàn)象越嚴(yán)重。離析主要是由物料的特性決定的，如粒度分布、顆粒形狀、密度、表面特征、光滑性、體積質(zhì)量、流動性、休止角、粘聚力、密度分布等。間接影響離析程度的有料斗直徑、排料口直徑、料斗邊壁傾斜度、裝料高度、壁面摩擦因數(shù)、料斗形狀、裝料位置、裝料方法、卸料點和卸料方法等。降低離析程度的辦法有:盡量使顆粒均勻，采用整體流動，盡可能避免形成料堆，采用多點下料和阻尼下料等辦法。176.6.3散粒體的流動模型在存?zhèn)}排料過程中，最麻煩的問題之一是落粒拱現(xiàn)象。落粒拱是散粒體堵塞在排料口處，在排料口上方形成拱橋或洞穴。前者稱為結(jié)拱，后者稱為結(jié)管。根據(jù)散粒體的流動特點，分為自由流動物料和非自由流動物料兩種。對于非自由流動物料，顆粒料層內(nèi)的內(nèi)力作用（由粘聚性、潮濕性和靜電力等造成)大于重力作用。這種內(nèi)力在物料流動開始后，會逐漸擾亂原有的層面而導(dǎo)致形成落粒拱。由于顆粒粒子處于非平衡狀態(tài)，落粒拱會周期性地坍塌，之后再重新形成。18

排料口附近自由流動的物料可分成五個流動帶。D帶為自由降落帶;C帶為顆粒垂直運動帶;B帶是擦過E帶向料倉中心方向緩慢滑動的帶;A帶是擦過B帶向料倉中心方向迅速滑動的帶;E帶是沒有運動的靜止帶。

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EN帶和EG帶以幾乎恒定的比率(1:15)連續(xù)發(fā)展，直到EN達(dá)到表面為止。

EN帶產(chǎn)生兩種運動，第一位的垂直運動和第二位的滾動運動。凡帶稱為邊界橢圓帶，在它以外沒有運動。這種流動稱為漏斗流動或中心流動。

如果料倉的傾角大于物料與料倉壁面的摩擦角，就可把物料卸空。在凡橢圓體邊界線以內(nèi)，產(chǎn)生的是整體流動。這個理論適用于流動性好的粉料從小孔中排出的情況。20動態(tài)落粒拱的角度h與內(nèi)摩擦因數(shù)fi有關(guān)

式中，d——排料口直徑。21料倉內(nèi)散粒體受重力作用有兩種流動形態(tài)，即整體流和漏斗流(又稱中心流)。（a）漏斗流只有中央部分的物料流出，上部物料由于崩潰也可能流出。漏斗流流動時，先進(jìn)的料后流出去。（b）整體流流動時，無論中心部分還是靠壁處的物料都充分滑動，和液體流動相似。整體流時，先進(jìn)的料先流出去。為使料倉內(nèi)的流動為整體流動型，可采用內(nèi)插錐體法和流動判定圖。內(nèi)插錐體法是在料斗中加入錐體。226.6.4散粒體的流動函數(shù)

設(shè)在一個筒壁無摩擦的理想剛性圓筒內(nèi)，裝入散粒體。以預(yù)壓實載荷FQ1壓實，散粒體的預(yù)壓實應(yīng)力為σl，然后輕輕取去圓筒，不加任何側(cè)向支撐，即σ3＝0，這時散粒體可能出現(xiàn)如圖所示的兩種情況。一為保持圓柱原形，一為崩潰后以休止角呈山形。23對于保持原形的圓柱體，須施加一定的載荷FQC以克服散粒體在一定預(yù)壓實狀態(tài)下的表面強度σc，散粒體才會崩潰。σc稱為散粒體的無圍限屈服強度。在圖(c)的情況下，σc=0。散粒體的無圍限屈服強度σc與預(yù)壓實應(yīng)力σ1之間的關(guān)系，稱為流動函數(shù)FF，料斗本身的流動條件或流動性用流動因素ff表示：式中，σa——散粒體結(jié)成穩(wěn)定拱的最小拱內(nèi)應(yīng)力。

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ff值越小，料斗的流動條件越好。對于一定形狀的料斗，存在一條流動因素臨界線，如果散粒體的流動函數(shù)曲線在這條臨界線下方，則散粒體的強度不足以支持成拱，不會產(chǎn)生流動中斷。這條臨界線稱為料斗的臨界流動因素。流動函數(shù)FF是由散粒體本身的性質(zhì)所決定，而流動因素ff則由散粒體性質(zhì)和料斗的幾何形狀、壁面特性等因素確定。

25261落粒拱的形式

(a)由于排料口附近粒子相互支撐或咬合形成拱架，(b)粉體物料由于壓力、吸濕或化學(xué)反應(yīng)等原因，會相互粘結(jié)成大塊，產(chǎn)生如圖中的成拱形式。這種形式較難解決。(c)物料在排料口上部垂直地下落，形成洞穴狀，常見于粒子間有附著性的細(xì)粉。(d)物料附著在料斗的圓錐部表面，常見于壁面傾角過小和對壁面有較強附著性的粉體物料。272防止成拱的辦法(1)加大排料口。(2)盡量使料斗內(nèi)壁光滑；(3)加大壁面傾角。(4)將料斗做成非對稱形[(a),(b),(c)]形式。28(5)在料斗內(nèi)加入縱向隔板以形成左右非對稱性[(d)]；(6)在料斗中懸吊鏈條[圖(e)]；(7)在排料口上方插入錐體[圖(f)]，以減小排料口承受物料的壓力；(8)將壁面做成拋物線形的曲面[圖(g)]，以使物料順利滑落；(9)采用條形卸料器[圖(h)]；(10)安裝振動器；(11)吹入壓縮空氣，使物料流態(tài)化。296.6.5粉體倉貯

初始加料狀態(tài)：當(dāng)物料慢慢下沉?xí)r，沿著倉壁發(fā)生滑移，并產(chǎn)生摩擦應(yīng)力。流動狀態(tài)：顆粒按滑動通道的形狀擴展并在橫向收縮，應(yīng)力場就重新分布，最大主應(yīng)力作用在近于水平的方向上，形成的應(yīng)力場稱之為消極應(yīng)力場，如圖(b)。轉(zhuǎn)換狀態(tài)：料倉的流動一開始就會形成一個大的瞬間轉(zhuǎn)變應(yīng)力。積極應(yīng)力場是在加料時產(chǎn)生的，當(dāng)卸料開始時，正好處于出口上方的物料由于沒有支撐就向下擴展，在這一區(qū)段形成一個消極應(yīng)力場。如圖(b)。30由于物料層的不均勻性和成拱現(xiàn)象，物料對容器的壓力分布通常是不規(guī)則的。在理想情況下，可以得到理論上的分布規(guī)律口料斗分深倉和淺倉兩種。以料斗底部與側(cè)壁的交點為始點，作散粒體的休止角斜線，與對面?zhèn)缺谙嘟豢谠O(shè)交點離料斗底部的距離為hr，料斗高度為H，當(dāng)hr>H時定義為淺倉，hr<H時定義為深倉。研究散粒物料對容器的壓力分布時，假設(shè)物料不受振動等外界因素的影響。

316.7食品工業(yè)中散粒體力學(xué)特性的應(yīng)用

1散粒體的自動分級

在受到振動或其他擾動時，散粒體中各顆粒會按其相對密度、粒度、形狀及表面狀態(tài)的不同而重排。重排后從上層到下層依次為:相對密度小的大顆粒，相對密度小的小顆粒，相對密度大的大顆粒，相對密度大的小顆粒。此外，按表面狀態(tài)及形狀不同，表面粗糙或片狀顆粒在上層，而表面光滑或接近球形的顆粒在下層。這種現(xiàn)象稱為散粒體的自動分級。32

產(chǎn)生自動分級的原因①散粒體具有液體的性質(zhì)，對分散在散粒體中的顆粒有浮力作用，促使相對密度小的顆粒上浮;

②散粒體在受擾時較松散，使小顆粒能往下運動以填補空隙；

③表面光滑的球形顆粒，在散粒體中所受阻力較小，容易向下運動，而粗糙顆?；蚱瑺盍Ｊ茏璐蠖粲谏蠈印?32粉塵爆炸

粉塵爆炸是指在空氣中懸浮的粉塵顆粒急劇地氧化燃燒，同時產(chǎn)生大量的熱和高壓的現(xiàn)象。爆炸的機理：首先是一部分粉塵被加熱、產(chǎn)生可燃性氣體，它與空氣混合后，當(dāng)存在一定溫度的火源或一定能量的電火花時，就會引起燃燒。由此產(chǎn)生的熱量又將周圍的粉塵加熱，產(chǎn)生新的可燃性氣