朱鴻琛,胡 林,白建勇

(貴州大學(xué)理學(xué)院物理系,貴州貴陽(yáng)550025)

1 引 言

顆粒物質(zhì)泛指尺寸在1μm～104m之間的大量固體顆粒集聚體系[1].如自然界的沙粒、土壤、煤、礦石、浮冰、積雪,日常生活中的糧食、糖、鹽、藥品,生產(chǎn)和技術(shù)中的煤炭和礦石,等等.散裝貨物輸送、地球板塊運(yùn)動(dòng)及公路上車輛的流動(dòng)等也常作為顆粒體系來(lái)處理[2].顆粒物質(zhì)是地球上存在最多、最為人們所熟悉的物質(zhì)類型之一.

顆粒物質(zhì)特別是顆粒流的很多奇特行為吸引了很多科學(xué)家的關(guān)注.“顆粒流的動(dòng)力學(xué)理論”被美國(guó)《Science》雜志列為當(dāng)今125個(gè)科學(xué)大問題之一,深入認(rèn)識(shí)和研究顆粒物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和本質(zhì)具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義[3].近年來(lái)很多學(xué)者對(duì)顆粒的流動(dòng)行為進(jìn)行了廣泛的研究[4-7],然而描述顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本理論尚未建立,因此有必要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律.我們基于沙漏計(jì)時(shí)的思想,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了漏斗中不同直徑的顆粒,在不同開口尺寸、不同傾角條件下流量變化.借鑒相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)二維顆粒流動(dòng)行為的研究,給出了穩(wěn)定流量對(duì)漏斗口徑、傾斜角、顆粒尺寸的要求,并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給出了定性分析.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,用Matlab軟件擬合出三維情況下流量與漏斗傾角以及顆粒尺寸的關(guān)系.

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

圖1為主要實(shí)驗(yàn)儀器:電子秤、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)、漏斗.主要材料為各種尺寸的干燥顆粒,實(shí)驗(yàn)所用顆粒用標(biāo)準(zhǔn)篩得到不同尺寸,平均尺寸分別為:0.5,0.9,1.4,2.0,2.7 mm.漏斗傾斜角(漏斗中軸線與漏斗斜面的夾角)分別為:15°,20°,25°,30°,35°,40°,45°,50°,55°,60°.漏斗的口徑分別是:8.00,12.00,16.00 mm.將漏斗放在支架上固定,同時(shí)將容器盆放在電子秤上后,對(duì)電子秤調(diào)零,實(shí)驗(yàn)條件和材料準(zhǔn)備妥當(dāng)后,先關(guān)閉漏斗開口,將顆粒倒入沙漏中.打開電腦軟件,然后點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集軟件的開始鍵,啟動(dòng)軟件,開始記錄;與此同時(shí)開啟漏斗,顆粒從漏斗口流下,電腦中數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)顆粒的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄.

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器

重復(fù)以上操作,取顆粒直徑為0.5 mm,漏斗口徑為8.00 mm時(shí),漏斗傾角從15°～60°,每隔5°依次改變漏斗傾角,得到10組數(shù)據(jù);再取漏斗口徑為12.00 mm,顆粒直徑不變,同樣依次改變傾角得到10組數(shù)據(jù);保持顆粒直徑不變,取漏斗口徑為16.00 mm,依次改變傾角記錄10組數(shù)據(jù),得到漏斗開口變化對(duì)流量影響的實(shí)驗(yàn)曲線.然后將實(shí)驗(yàn)變量改為顆粒直徑,重復(fù)以上操作,分別改變顆粒直徑為0.9,1.4,2.0,2.7 mm,得到顆粒直徑變化對(duì)流量影響的實(shí)驗(yàn)曲線.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 顆粒堵塞現(xiàn)象

顆粒在漏斗口堵塞時(shí),會(huì)形成拱狀,稱之為顆粒成拱現(xiàn)象,該現(xiàn)象的發(fā)生與2個(gè)因素有關(guān):顆粒直徑d和漏斗口直徑D.根據(jù)二維顆粒流的研究結(jié)果[8-9],流量Q與漏斗口直徑D的關(guān)系為Q=aD3/2,因此可以借鑒式中關(guān)鍵量分析得出,漏斗直徑與顆粒直徑的比值是顆粒流堵塞的重要因素,針對(duì)這個(gè)因素做了一系列漏斗口徑改變的對(duì)比實(shí)驗(yàn),分別得出堵塞時(shí)及顆粒緩慢從漏斗流出時(shí)顆粒直徑d和漏斗口直徑D的關(guān)系如表1～2所示.

表1 堵塞時(shí)顆粒的D與d值

表2 顆粒緩慢從漏斗流出時(shí)D和d的值

通過(guò)改變顆粒直徑及漏斗開口尺寸,得到阻塞與流動(dòng)狀態(tài)時(shí)顆粒直徑與開口直徑的關(guān)系曲線如圖2所示,可見阻塞時(shí),圖線斜率為D/d=3.51;順暢流出時(shí),圖線斜率為D/d=3.75.這個(gè)結(jié)果與文獻(xiàn)[11]報(bào)道的對(duì)二維顆粒流研究結(jié)果基本吻合,他們給出D/d=4左右時(shí)發(fā)生阻塞.

圖2 阻塞分界曲線

3.2 顆粒直徑、漏斗口徑、顆粒流量與漏斗傾角之間的關(guān)系

根據(jù)流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)流量的定義為:在單位時(shí)間內(nèi)流體通過(guò)一定截面積的量.用流量的質(zhì)量來(lái)表示稱為瞬時(shí)質(zhì)量流量,簡(jiǎn)稱質(zhì)量流量,即可定義圖3中顆粒質(zhì)量的增量Δm與時(shí)間增量Δt的比值為顆粒流量Q:

顆粒直徑0.5 mm,漏斗開口16.00 mm,改變傾角計(jì)算顆粒流量如表3所示.顆粒流量曲線如圖3所示.

表3 不同傾角的顆粒流量

圖3 d=0.5 mm,D=16.00 mm時(shí)的顆粒流量曲線

可見顆粒流的總體趨勢(shì)為顆粒流量隨傾角增加而減少,原因可能是因?yàn)閮A角越大,顆粒所受重力沿斜面分量越小,使得流速減慢.另外,圖3中圖線前端出現(xiàn)無(wú)規(guī)則的擾動(dòng)現(xiàn)象,其原因是由于抽取漏斗開口擋板時(shí)人為操作的擾動(dòng)所致,以下圖線處理中,剔除這部分影響,不再重復(fù)討論.

將顆粒直徑分別換成0.9,1.4,2.0,2.7 mm時(shí),顆粒質(zhì)量曲線斜率的總體變化趨勢(shì)是隨著顆粒直徑的增大而減小,即顆粒流的流量隨之減小.仔細(xì)分析數(shù)據(jù)和曲線發(fā)現(xiàn):

1)35°曲線比40°曲線斜率小,原因是流動(dòng)過(guò)程中流量出現(xiàn)斷續(xù)振蕩所致.我們認(rèn)為這是顆粒間隙有空氣對(duì)流層導(dǎo)致流速發(fā)生變化.

2)35°以后曲線均出現(xiàn)震蕩,分析其原因,可能是由于漏斗傾角增大后,顆粒的崩塌機(jī)制發(fā)生了變化,由小角度崩塌機(jī)制向大角度崩塌機(jī)制轉(zhuǎn)變所致,即可能存在2種崩塌機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng),而35°恰好是臨界.

保持漏斗傾角和漏斗口徑不變,改變顆粒直徑,得到圖4.比較顆粒直徑與流量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨著顆粒尺寸增大,曲線斜率減小,即流量減小.可理解為顆粒增大后,顆粒之間空氣層流增加,黏滯阻尼增大,故流量減少.

圖4 漏斗開口16.00 mm,傾角15°時(shí),不同顆粒尺寸的流量曲線

3.3 利用Matlab軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析

對(duì)于顆粒流量與傾角θ的關(guān)系,可參照Davidson關(guān)于二維漏斗顆粒流流量的關(guān)系式,Davidson認(rèn)為在光滑斜壁漏斗流量為[10]

式中Q為顆粒流量,ρb為顆粒流量密度,D0為二維漏斗開口直徑,α為漏斗傾角.

圖5為用Matlab方法擬合的顆粒流量與漏斗傾角關(guān)系.流量與傾角關(guān)系為

圖5 顆粒尺寸2.7 mm時(shí)傾角與流量的擬合曲線

式中C是常量.由該式分別得出顆粒直徑為0.5,0.9,1.4,2.0,2.7 mm時(shí)相應(yīng)的系數(shù)a和b值.同一漏斗傾角情況下a,b和顆粒直徑d的關(guān)系表如表4所示.

表4 同一漏斗傾角情況下a,b與d值

通過(guò)Matlab軟件對(duì)顆粒直徑d值與系數(shù)a和b值進(jìn)行擬合,得出a和b與顆粒直徑d的關(guān)系:a=-0.19d-0.51,b=-0.16d+4.76,當(dāng)顆粒直徑d=2.7 mm時(shí),流量與傾角的變化關(guān)系為

將a和b關(guān)系代入(4)式,得出顆粒流量Q與顆粒直徑d的關(guān)系式為

將Davidson等人光滑二維斜面上的顆粒流量公式與三維顆粒流量對(duì)應(yīng)公式(5)式進(jìn)行比較(如圖6),發(fā)現(xiàn)二維顆粒流量公式(2)式的擬合曲線較三維顆粒流量公式(5)式擬合曲線的曲率要大,顆粒在二維漏斗中的整體變化與三維漏斗的流量變化規(guī)律不同.三維顆粒擬合曲線的曲率很小,即在θ為0.2～1.0 rad范圍內(nèi)流量與傾角的依賴關(guān)系更接近線性,這意味著三維漏斗比二維漏斗更易于滿足計(jì)時(shí)裝置的基本條件.

圖6 顆粒尺寸2.7 mm時(shí),二維顆粒流量和三維顆粒流量擬合曲線對(duì)比

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)僅考慮三維漏斗計(jì)時(shí)中顆粒尺寸、漏斗開口直徑和傾角因素,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得到以下結(jié)論:顆粒流量在顆粒直徑、漏斗開口直徑和漏斗傾斜角取值合適時(shí),可得到穩(wěn)定的顆粒流;當(dāng)顆粒直徑和漏斗開口直徑保持不變,漏斗傾斜角遞增變化時(shí),顆粒流量隨傾斜角度增大而減小,這表明漏斗中顆粒在重力作用下流出,當(dāng)漏斗傾角增大時(shí),一方面重力沿漏斗斜面的分力減小,使流速減慢;另一方面顆粒與斜面之間的靜電摩擦力導(dǎo)致顆粒在界面吸附,總流速減緩[11-16].當(dāng)漏斗開口直徑和漏斗傾斜角保持不變時(shí),顆粒流量隨顆粒直徑的增大而減小,利用Matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,可得顆粒尺寸和漏斗開口一定時(shí),流量隨傾角呈指數(shù)關(guān)系變化;二維和三維漏斗中顆粒的崩塌機(jī)制直接影響顆粒的流量關(guān)系,三維顆粒擬合曲線的曲率很小,更接近線性,意味著三維漏斗比二維漏斗更易于滿足計(jì)時(shí)裝置的基本條件[17-21].顆粒流在初始和收尾時(shí),都會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的流動(dòng)特征,因此,在利用顆粒流作為計(jì)時(shí)工具時(shí),一定要設(shè)法減小邊界效應(yīng)(即初始和收尾).顆粒呈拱阻塞的臨界關(guān)系與漏斗口徑與顆粒直徑的比D/d有關(guān).

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