非球形颗粒碰撞过程硬颗粒与软颗粒模型比较 研究
Applied Physics 应用物理, 2017, 7(4), 97-102
Published Online April 2017 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/app https://doi.org/10.12677/app.2017.74014
文章引用: 吴达岭, 桂南. 非球形颗粒碰撞过程硬颗粒与软颗粒模型比较研究[J]. 应用物理, 2017, 7(4): 97-102. https://doi.org/10.12677/app.2017.74014
Comparison of Collision Dynamics of
Non-Spherical Particles between the
Hard-Particle Model and
Soft-Particle Model
Daling Wu1, Nan Gui 2
1Zhejiang Academy of Safety Science and Technology, Hangzhou Zhejiang
2Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Key Laboratory of Advanced Reactor
Engineering and Safety, Ministry of Education, Beijing
Received: Apr. 6th, 2017; accepted: Apr. 20th, 2017; published: Apr. 27th, 2017
Abstract
Non-spherical particles and complex non-spherical particle systems are commonly encountered in
energy chemical engineering, mineral engineering, and safety manufacturing engineering. The
collision dynamics of non-spherical particles are fundamental issues in the investigations of com-
plex particle systems. Discrete element method is the most prevalent models for particle-particle
collision of spherical shapes, which incorporates a spring, a dashpot, and a frictional interaction.
In this work, a comparative and analytical study on the mathematical models of collision dynamics
for non-spherical particles is carried out. The hard non-spherical particle model and the soft-par-
ticle model have been compared. It indicates that agreeable simulation results can be found for
the two models. The two models have different advantages or disadvantages in accuracy, compu-
tational stability, and feasibility, with particular suitability for different cases.
Keywords
Energy Engineering, Chemical Engineering, Safety Manufacturing, Non-Spherical, Collision Model,
Discrete Element Method, Hard Particle, Soft-Particle
非球形颗粒碰撞过程硬颗粒与软颗粒模型比较
研究
吴达岭1，桂 南2
1浙江省安全生产科学研究院，浙江 杭州 吴达岭，桂南
98 2清华大学核能与新能源技术研究院，先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京
收稿日期：2017年4月6日；录用日期：2017年4月20日；发布日期：2017年4月27日
摘 要
在能源化工过程、矿业冶金及安全生产过程中均会涉及复杂的实际非球形颗粒体系，而颗粒的非球形碰
撞动力学过程是对复杂颗粒体系进行研究必须要考虑的基本问题。离散元方法通过弹簧、阻尼、摩擦三
种力学特性对颗粒-颗粒接触力进行建模，是目前国际上最为广泛使用的针对球形颗粒体系的模型。本文
对典型三角形非球形碰撞动力学工程过程进行理论分析和模型比较研究，对国际上目前正在研究的硬颗
粒和软颗粒非球形碰撞模型进行了比较。通过模型比较，证明了在工程上可以接受的计算误差范围内，
软颗粒和硬颗粒计算结果吻合较好，两者在计算精度、稳定性、适用性方面各有优势，可以在不同的应
用场合分别采用不同的计算模型。
关键词
能源工程，化工过程，安全生产，非球形，碰撞模型，离散元，硬颗粒，软颗粒
Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
1. 引言
在能源工程、化工工程、矿冶工程、安全生产等过程中均会涉及不同的颗粒流动过程，比如颗粒流
化过程、粉碎过程、包覆过程、传热过程等。对工业过程复杂颗粒体系行为的研究是颗粒学研究的一项
中心课题。其目的是为了了解微观颗粒动力学特性与颗粒体系的宏观行为之间的相互关系[1]。
在理论研究中，离散元方法由于能提供几乎全部的碰撞动力学信息，包括每个颗粒的轨迹，瞬时相
互作用力等，因而在过去的十几年中获得了越来越广泛的应用。离散元方法属于确定性模型，分为软球
模型和硬球模型两种实现途径。硬球模型[2] [3]完全忽略颗粒形变，通过颗粒之间的相对位置和动量和角
动量守恒来求解碰撞动力学过程，其中非完全弹性碰撞特性和摩擦则通过恢复系数和摩擦系数引入，多
用于求解二体碰撞动力学。软球模型[4] [5]通过计算颗粒受力、形变及形变历史求解碰撞过程，可同时处
理多体碰撞动力学。
最近，作者提出了针对非球形颗粒碰撞过程的硬颗粒模型(GHPM) [6]和软颗粒模型(SIPHPM) [7]。其
中硬颗粒模型GHPM拓展了原硬球模型的思想，给出了任意形状非球形理想硬质颗粒碰撞动力学过程的
解析解；软颗粒模型(SIPHPM)则提出基于在任意非球形形状的颗粒边界线上依次嵌入软质小球颗粒，通
过模拟小颗粒之间，及小颗粒包围的面与其他非球形颗粒的小颗粒之间的碰撞过程，建立非球形颗粒之
间的接触力学模型的思路。
虽然两者均通过理论解及实验过程给出了相应的验证。但两者之间并无比较何种解法更有优势。在
此，将通过模拟相同情形下三角形颗粒的碰撞过程给出两个模型的模拟结果的比较。 吴达岭，桂南
99 2. 数值模型及工况
据牛顿第二定律，碰撞过程中颗粒运动遵守动量和角动量守恒关系。由于篇幅限制，对硬颗粒GHPM
模型和软颗粒SIPHPM模型的详细推导过程及碰撞后颗粒运动的解可见参考文献[6]和[7]。这里不再赘述。
为了便于比较和进行能量分析，需要引入非球形颗粒碰撞过程的平动动能、转动动能和总动能的表
达式，分别如下：
tran,1
,
2iiiK=vv (1)
2
rot,1
,
24iiiKa=ωω (2)
()
totaltran,rot,ii
iKKK=+∑ (3)
其中，
iv，
iω，a分别表示颗粒的速度、角速度矢量和边长，i表示颗粒索引。由于质量为常量，在此处
可不计。
本文采用的计算参数如表1所示。模拟的工况参数如表2所示，分别模拟了对心正碰和偏心碰过程
的碰撞动力学过程。
3. 模拟结果对比
3.1. 工况1 (对心碰)
如图1(a)所示，其中绿色散点标记为SIPHPM软颗粒碰撞前后位置，蓝色实线标记为GHPM硬颗粒
碰撞前后位置，两者重合处为深色。速度矢量用红色标记。从图1(a)可见，SIPHPM和GHPM的模拟结
果无论碰撞前后都相差无几。从矢量关系可见，碰撞前后两颗粒碰撞东南发生交换。
图1(b)的定量分析结果给出：
1) 硬颗粒模拟结果(图1(b)左)，颗粒1 (西侧颗粒，下同)平动动能由0.5降到0，颗粒2 (东侧颗粒，
下同)平动动能由0增加到约0.45左右，两者的总动能由0.5下降到0.45 (恢复系数0.5，见表1)。表明碰
撞过程中颗粒1和颗粒2发生了动量交换，颗粒1将大部分(90%)的动能传递给颗粒2。碰撞过程中发生
了10%的动能损失，这是由于恢复系数为0.9导致的；
2) 软颗粒模拟结果(图1(b)右)，颗粒1和颗粒2在碰撞前后的动能变化与硬颗粒的模拟结果是相似
的。不同之处在于，碰撞形变过程中，颗粒系统的动能向形变弹性势能转换，总动能降低，至形变最大
处发生转折，其后形变逐渐恢复，弹性势能向颗粒动能转化，使得总动能增加，并恢复至0.45 (受恢复系
数0.9即非完全弹性形变限制所致)。由于动能和形变弹性势能的相互转换过程持续时间极短(如图1(b)所
示，持续不超过0.005 s)，且迅速恢复到碰撞后的速度，故此转换过程对颗粒宏观速度的影响可以忽略。
由此可见，硬颗粒和软颗粒模型均能用于模拟非球形颗粒对心碰过程，两者吻合很好。而软颗粒模
型由于采用弹簧力学模型，很好地体现并解释了她与硬颗粒模型在求解碰撞微观过程中的不同。
3.2. 工况2 (偏心碰)
如图2则显示了偏心碰撞过程，偏心距离为a/2。从图2(a)可见，虽然颗粒1和2的初始速度仍和工
况1一样，但偏心碰不发生大部分动量交换，碰撞导致颗粒1和2以一定的速度向右运动；同时，颗粒
2发生旋转。由于旋转速度的不同，两者的角位移发生一定的偏差。
从图2(b)可见：
1) 颗粒1只有一部分动量传递给颗粒2，自己保留了一部分。颗粒2发生平动和转动，同时获得了
微米级液滴撞击低温球形颗粒的涂覆冻结
微米级液滴撞击低温球形颗粒的涂覆冻结
武秀胜;徐庆;王瑞芳;李占勇
【摘 要】对微米级液滴撞击低温球形表面的动态行为进行了可视化实验.研究了液滴直径、球面温度等因素对微米级液滴撞击过程的影响及液滴撞击直径3 mm和5 mm金属钢球的冻结过程.当实验球面温度分别为-20℃和-30℃时,液滴撞击低温金属钢球表面时液滴铺展后迅速回缩成塔形状然后缓慢的铺展直至稳定状态,与常温状态下相比,液滴形态没有明显的振荡过程.结果表明:撞击速度越大,液滴具有的初始动能越大,液膜最大铺展弧长越大.随着载体颗粒直径的增加,液膜最大铺展弧长也随之增加,液膜的厚度却随载体颗粒直径的增加而减小;随着液滴直径的增加,液膜铺展弧长及液膜厚度都随之增加.通过实验数据统计分析可知,环境温度的显著水平最高,然后依次为液滴直径、载体颗粒直径.
【期刊名称】《天津科技大学学报》
【年(卷),期】2019(034)003
【总页数】6页(P43-48)
【关键词】喷雾冷冻干燥;单液滴;撞击;球形颗粒;涂覆
【作 者】武秀胜;徐庆;王瑞芳;李占勇
【作者单位】天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室,天津科技大学机械工程学院,天津 300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室,天津科技大学机械工程学院,天津 300222;天津市低碳绿色过程装备国际联合研究中心,天津 300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室,天津科技大学机械工程学院,天津 300222;天津市低碳绿色过程装备国际联合研究中心,天津 300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室,天津科技大学机械工程学院,天津 300222;天津市低碳绿色过程装备国际联合研究中心,天津 300222
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ051
喷雾冷冻干燥(spray-freeze drying，SFD)是近几 年来开发的一种新型的工程技术，可以生产独特的粉末状产品，同时还包括常规冷冻干燥产品的优点，主要用于奶粉、药物蛋白、卵清蛋白、流感疫苗[1-4]等高附加值热敏性产品的制备．为了解决粉体的团聚、粉体颗粒尺寸不均匀等现象，进一步提高喷雾冷冻干燥技术在工程实际中的应用，实现批量生产，李占勇等[5]设计了一种惰性粒子流化床喷雾冷冻干燥设备，即在密闭的流化床内引入惰性粒子作为流化载体，同时这类载体颗粒也可作为最终产品的添加剂使用，在封闭的流化床内雾化液滴在处于低温且流化状态的载体颗粒上进行冻结、升华干燥和剥离等操作．由于整个干燥过程处于密闭的系统下操作，所有步骤都在同一个设备中连续的运作，避免了污染环境，通过这种方法可以实现料液食品和含药性成分的溶液一步干燥成粉体产品，无需二次加工；而且，设备结构简便、操作过程方便快捷、能够实现设备的一体化．液滴在载体上的涂覆效果是影响该过程最终产品的颗粒结构的重要因素，因此研究液滴撞击低温载体颗粒表面动力学行为，进而作为以后设备工程化应用的理论指导．Bakshi等[6]通过实验研究了单液滴撞击干燥球形表面的过程，从实验和理论方面研究了液滴撞击球面时液膜厚度的变化过程．通过对实验图像的分析可以得出结论：液滴撞击过程液膜的形态变化可以分为三个阶段，分别为液膜初始快速铺展阶段、惯性力主导阶段和表面应力和黏性力主导的阶段；Walford等[7]详细研究了空气中微小液滴的冻结机理，实验是将水滴轻轻地落在冷铜表面，冻结形成冰的尖塔状颗粒，得出液滴冻结过程中固液交界面处剪切牵引力与水平的冷表面平行，冰珠的黏性力在-22℃的情况下达到最大值．Hu等[8]实验研究结冰的小水滴的非稳态传热和相变过程，以阐明结冰现象的重要微观物理过程．实验采用基于分子的寿命标记法(MTT)技术的开发和实施，得出成液态的小水滴的平均温度在不断增加，而不是减少．
颗粒流动力学模型
颗粒流动力学模型
颗粒流动力学模型
颗粒流动力学模型是描述颗粒运动的物理模型，广泛应用于粉体、液固混合物、悬浮液等颗粒流中。颗粒流动力学模型主要是描述颗粒系统中粒子间相互作用及其运动规律，可以用于研究颗粒流动的各种特性，如颗粒运动速度、运动轨迹、颗粒的分布等。
下面将从颗粒流动力学模型的定义、基本特性、流动规律和应用等方面详细介绍。
一. 颗粒流动力学模型的定义
颗粒流动力学模型是研究颗粒流动规律的一个理论模型。它描述了颗粒在各个方向上的运动、与周围环境的相互作用及颗粒之间的相互作用。同时，颗粒流动力学模型也包括颗粒流动的各种特性和规律。
二. 颗粒流动力学模型的基本特性
1. 颗粒间相互作用
在颗粒流动力学模型中，颗粒间的相互作用很重要，因为它们是引起颗粒流动的主要原因。颗粒之间可能有碰撞、摩擦、粘附、排斥等多种相互作用。这些相互作用的不同组合方式将导致颗粒运动的不同规律。
2. 颗粒的大小和形状
颗粒的大小和形状对颗粒流动的特性有很大的影响。颗粒大小的差异会导致颗粒的运动速度和方向的变化。颗粒的形状也会影响颗粒流动的规律，如球形颗粒运动比非球形颗粒更加简单，因为球形颗粒可以在任何方向上自由滚动，而非球形颗粒的运动方向则受到颗粒形状的限制。
3. 颗粒的浓度
颗粒的浓度对颗粒流动的特性也有很大的影响。颗粒浓度的增加会导致颗粒之间相互作用增强，因此颗粒运动速度和颗粒堆积密度都会受到影响。
三. 颗粒流动力学模型的流动规律
在颗粒流动力学模型中，颗粒的运动规律是根据颗粒之间的相互作用力和环境条件来计算的。这些运动规律包括颗粒速度、颗粒轨迹和颗粒密度等特性。
在不同的流动模型中，颗粒运动的规律也各异。例如，流式床反应器中流体和颗粒物可以从下向上流动，颗粒物之间的相互作用会导致它们在床内呈现出一定的流动规律。而在挤压过程中，颗粒间的摩擦和挤压力将导致颗粒的聚集和抵抗。
四. 颗粒流动力学模型的应用
3-1 颗粒及颗粒床层的特性
知识点3-1 颗粒及颗粒床层的特性
颗粒与流体之间的相对运动特性与颗粒本身的特性密切相关，因而首先介绍颗粒的特性。
一. 单一颗粒的特性
1.学习目的
通过学习掌握确定颗粒、颗粒床层特性参数以及流体流速床层压降的计算方法。
2．本知识点的重点
球形颗粒和非球形颗粒的大小和特性参数的计算，特别是非球形颗粒球形度及体积当量直径的计算。
颗粒群粒度分布及平均粒径的计算。
床层孔隙率、比表面积及压降的计算。
3．本知识点的难点
本知识点无难点。
4．应完成的习题
4-1．取颗粒试样1000g，作筛分分析，所用筛号及筛孔尺寸见本题附表中第1、2列，筛析后称取各号筛面上的颗粒截留量列于本题附表中第3列，试求颗粒群的平均直径。
[答：da=0.345㎜]
习题4-1附表
筛号 筛孔尺寸,mm 截流量,g 筛号 筛孔尺寸,mm 截流量,g 10
14
20
28
35
48 1.651
1.168
0.833
0.589
0.417
0.295 0
40.0
80.0
160
260
220 65
100
150
200
270 0.208
0.147
0.104
0.074
0.053 120
60.0
30.0
20.0
10.0
共计500
4－2．在截面积为1m2的圆筒中，分段填充直径分别为0.5mm及5mm的球形颗粒各0.5m高，20℃的空气从下向上通过固定床层，空塔速度为0.1m/s。假设床层空间均匀分割成边长等于球粒直径的方格，每一方格放置一个球粒，试计算:
(1)两段床层的空隙率ε和比表面积ab；
(2)空气流经整个床层的压降 ,Pa。
[答：(1)ε=0.4764；ab细=6283m2/m3；ab粗=628.3m2/m3； =452.9+9.1=462Pa]
颗粒与流体之间的相对运动特性与颗粒本身的特性密切相关，因而首先介绍颗粒的特性。
一．单一颗粒的特性
表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状、大小（体积）及表面积。
微重力环境下颗粒流动研究初探
微重力环境下颗粒流动研究初探
1微重力研究背景及意义
微重力科学研究是一门融合力学、物理学等学科的新兴交叉学科，对我国大力发展的空间探测计划及载人航空工程具有非常重要的现实意义。在空间探测工程中经常遇到涉及地外星体表面地质过程等工程地质问题比如探测车的着陆和行走问题，这些地外星体工程地质问题也是当前地质工程学科研究的热点之一。可喜的是2013年12月我国发射的嫦娥三号月球探测器携“玉兔号”月球车首次实现了月球软着落和月面巡视勘察，同时“玉兔号”月球车将继续实现月面巡视、月夜生存并开展月表地形地貌与地质构造、矿物组成和化学成分等探测活动。未来小行星表面地质过程也是我国未来的研究重点，这些研究对于地外星体工程地质研究具有极其重要的意义。
岩土颗粒材料的微重力流动特性研究不同于纯理论科学研究。当前试验手段获得微重力环境的方法较多，比如空间站内试验、在以抛物线飞行的飞机内试验、微重力火箭内试验、高空气球内试验、落塔（或落井）内试验。但由于微重力环境的特殊性，进行微重力试验的成本往往较高。虽然进行微重力试验的最佳场所是空间站及其他在轨航天器中，因为其微重力持续时间长，然而空间试验耗资巨大，机会少。为了提高空间试验的效益，除了用以上各种试验手段在短时间内进行微重力试验预研之外，还需要使用合适的研究手段对微重力流动特性进行理论研究[1]。
2微重力研究的实验平台及装置
微重力是指一种显著低于常规地球表面重力水平（1g = 980cm/s2）的受力环境，严格意义上的微重力环境是指该处的有效重力水平小于等于。由于有效重力水平极低，可以消除重力及因重力产生的一系列影响，这种环境下的试验对于理论物理研究有着非常重要的意义。当前试验手段获得微重力环境的方法较多，比如空间站内试验、卫星、在以抛物线飞行的飞机内试验、微重力火箭内试验、高空气球内试验、落塔（或落井）内试验，区别见下表。
表1 获得微重力环境的主要方法对比
微重力设备 微重力持时 微重力水平 优点 缺点
高温气冷堆不规则颗粒气动曳力研究
高温气冷堆不规则颗粒气动曳力研究
孙琦;王晓钟;王竞弘;彭威
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2022(56)S01
【摘 要】颗粒气动曳力计算模型对预测颗粒传输行为具有重要意义。为建立适用于高温气冷堆内非球形石墨粉尘颗粒气动曳力的关联式,本文采用计算流体力学分析了颗粒气动曳力的产生机理和关键影响因素,并针对高温气冷堆中几种典型非球形颗粒,建立了适用于非球形颗粒曳力系数的关联式以及石墨粉尘的统计平均曳力系数模型。研究结果表明:颗粒雷诺数和来流角是影响曳力系数的重要参数,随着颗粒雷诺数的增加,曳力系数降低;而随着来流角的增加,曳力系数增大。本文提出的曳力系数预测模型能很好地体现石墨粉尘气动曳力受非球形参数和来流角的影响,为高温气冷堆中石墨粉尘运动特性的研究提供了基础。
【总页数】9页(P10-18)
【作 者】孙琦;王晓钟;王竞弘;彭威
【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院;清华大学能源与动力工程系
【正文语种】中 文
【中图分类】TL424
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基于CFD-DEM耦合模型的大粒径非常规岩屑颗粒运移规律研究
基于CFD-DEM耦合模型的大粒径非常规岩屑颗粒运移规律研究
邵兵;闫怡飞;毕朝峰;闫相祯
【摘 要】采用CFD-DEM耦合计算模型,利用DEM软件建立大粒径(2 cm)、非球体岩屑颗粒的离散元模型,与FLUENT实现无缝耦合并行计算,颗粒间相互作用采用Hertz-Mindlin弹性接触模型,对大粒径的、非常规岩屑颗粒在水平井段的运移规律进行了数值模拟计算.基于钻井实测数据,建立水平井段环空内含不同形状(片状,立方体状及球状)相同等效球体粒径颗粒的计算模型,展示了井眼环空内颗粒运移、沉积状态,对环空钻井液流速、不同形状的岩屑颗粒运移速度进行了计算分析,本文还计算得到片状大粒径岩屑含量对钻井液携岩效果的影响规律.结果显示:2 cm等效体积球体粒径的颗粒在井眼环空内的运移状态较差,出现局部堆积;立方体状颗粒的运移效果最差,片状颗粒次之;在所选用计算条件下,片状颗粒含量大于10％时会加剧削弱携岩效果.计算结果可对钻井携岩问题的研究提供一定的参考价值.%By a
CFD-DEM coupled simulation model,within which the discrete element
model for non-spherical cuttings in size of 2 cm is built by a DEM software
and is coupled with FLUENT,numerical computation is conducted on the
migration of irregular and big-sized cuttings in the horizontal part of a
well.The Hertz-Mindlin model for particles contact is adopted to simulate
the elastic force among paritlces.From the practical data,an annulus model
非球形烟尘粒子后向散射场的光谱分析
第３０卷，第８期 ２ ０ １ ０年８月 光谱学与光谱分析 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．８，ｐｐ２２３９—２２４２ Ａｕｇｕｓｔ，２０１０
非球形烟尘粒子后向散射场的光谱分析
邢 键 。，孙晓刚 ，原桂彬 ，齐 旭。，唐 红
１．哈尔滨工业大学自动检测与过程控制系统研究所，黑龙江哈尔滨１５０００１ ２．哈尔滨工程大学理学院，黑龙江哈尔滨１５０００１
摘要在利用后向散射法测量烟尘浓度和粒径的过程中，对烟尘粒子模型的后向散射光谱特性进了计算，
确定影响后向散射光谱强度的主要因素并进行分析。对实际排放的烟尘进行显微观察表明，利用椭球、圆柱 和广义切比雪夫３种非球模型可以较好地模拟烟尘粒子，其等效直径约ｌ ｍ。通过“Ｔ矩阵法”对这３种非
球形粒子模型后向散射场的光谱特性进行了分析，结果表明：非球形粒子的可见／红外波段后向散射现象较 球形粒子明显，特别是广义切比雪夫粒子的后向散射光强最高可达到前向的３．５倍；对于吸收性非球形粒 子（复折射率ｍ一１．５７—０．５６ｉ），后向散射光强远大于非吸收性非球形粒子（复折射率ｍ一１．５７～０．００１ｉ）；
随着粒子等效半径的增大，光源波长也应随之增加。这为在实际测量时光源及方位的选择提供了理论依据。
关键词烟尘粒子；非球形；后向散射；Ｔ矩阵；光谱分析
中图分类号：ＴＨ７４４；０４３６ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—０５９３｛２０１０｝０８—２２３９—０４
引 言
由于利用光散射法测量烟尘浓度及粒径具有非接触、实
时、自动化程度高等优点，因此光散射法具有取代传统检测 方法的趋势＿１ ］。日前，前向散射法虽然已被广泛应用，但存
在光源和接收装置分置从而存在系统较复杂的问题；后向散
射是指散射方向与光源的入射方向大于９Ｏ。而小于２７０。时的
情况，特别是接近１８０。时的后向散射使光源与接收装置整合
3-1颗粒及颗粒床层的特性
3-1颗粒及颗粒床层的特性
知识点3-1 颗粒及颗粒床层的特性
颗粒与流体之间的相对运动特性与颗粒本⾝的特性密切相关，因⽽⾸先介绍颗粒的特性。
⼀. 单⼀颗粒的特性1.学习⽬的
通过学习掌握确定颗粒、颗粒床层特性参数以及流体流速床层压降的计算⽅法。2．本知识点的重点
球形颗粒和⾮球形颗粒的⼤⼩和特性参数的计算，特别是⾮球形颗粒球形度及体积当量直径的计算。
颗粒群粒度分布及平均粒径的计算。
床层孔隙率、⽐表⾯积及压降的计算。3．本知识点的难点
本知识点⽆难点。4．应完成的习题
4-1．取颗粒试样1000g，作筛分分析，所⽤筛号及筛孔尺⼨见本题附表中第1、2列，筛析后称取各号筛⾯上的颗粒截留量列于本题附表中第3列，试求颗粒群的平均直径。[答：d a=0.345㎜]
习题4-1附表
4－2．在截⾯积为1m 2
的圆筒中，分段填充直径分别为0.5mm 及5mm 的球形颗粒各0.5m ⾼，20℃的空⽓从下向上通过固定床层，空塔速度为0.1m/s 。假设床层空间均匀分割成边长等于球粒直径的⽅格，每⼀⽅格放置⼀个球粒，试计算:
(1)两段床层的空隙率ε和⽐表⾯积a b ；
(2)空⽓流经整个床层的压降 ,Pa 。
[答：(1)ε=0.4764；a b 细=6283m 2/m 3；a b 粗=628.3m 2/m 3
；=452.9+9.1=462Pa]
颗粒与流体之间的相对运动特性与颗粒本⾝的特性密切相关，因⽽⾸先介绍颗粒的特性。
⼀．单⼀颗粒的特性
表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状、⼤⼩（体积）及表⾯积。
（⼀）球形颗粒
不⾔⽽喻，球形颗粒的形状为球形，其尺⼨由直径d 来确定，其它有关参数均可表⽰为直径d 的函数，诸如体积（3-1）
表⾯积（3-2）
⽐表⾯积（单位颗粒体积具有的表⾯积）（3-3）
式中d――球形颗粒的直径，m；
S――球形颗粒的表⾯积，m2；
V――球形颗粒的体积，m3；
a――颗粒的⽐表⾯积，m2/m3。
（⼆）⾮球形颗粒
⾮球形颗粒必须有两个参数才能确定其特性，即球形度和当量直径。1．球形度φS颗粒的球形度⼜称形状系数，它表⽰颗粒形状与球形的差异，定义为与该颗粒体积相等的球体的表⾯积除以颗粒的表⾯积，即
非球形颗粒的球形度
非球形颗粒的球形度
引言
颗粒形状是颗粒物理性质的重要特征之一。在研究颗粒物理性质的过程中，球形度是一个重要的参考指标。然而，很多颗粒并不是完全球形的，而是具有一定的非球形特征。本文将探讨非球形颗粒的球形度以及相关的研究成果和应用。
球形度的定义
球形度是描述颗粒形状是否接近于球形的度量指标。对于完全球形的颗粒，其球形度为1；而对于非球形的颗粒，其球形度小于1。通常，球形度可以通过计算颗粒表面积和体积之间的比值来确定。
非球形颗粒的表征方法
1. 图像分析法
图像分析法是一种常用的非球形颗粒表征方法。通过高分辨率的显微镜或电子显微镜对颗粒进行观察，并使用图像处理软件对颗粒的形态进行分析。该方法可以提供颗粒的外形参数，如长轴、短轴、周长等。
2. 形状因子法
形状因子是描述颗粒形状的数值特征。常用的形状因子包括圆度、矩形度、角度因子等。这些形状因子可以通过计算颗粒的特征值来得到，如颗粒的面积、周长、惯性矩等。
3. 流变学方法
流变学方法是一种通过测量颗粒在剪切流动中的行为来间接推测颗粒形状的方法。通过测量颗粒的流变学性质，如剪切力、应力分布等，可以得到颗粒的球形度。该方法适用于粉状物料和颗粒悬浮液等。 非球形颗粒的球形度计算方法
1. 表面积体积比法
表面积体积比法是一种常用的计算非球形颗粒球形度的方法。通过测量颗粒的表面积和体积，计算其表面积与体积的比值，即可得到颗粒的球形度。该方法简单直观，适用于颗粒粗糙度较小的情况。
计算公式如下：
球形度 = 表面积 / 体积
2. 等效直径法
等效直径法是一种通过计算颗粒等效直径来确定颗粒球形度的方法。等效直径是指与颗粒体积相等的球形颗粒的直径。通过计算颗粒等效直径和实际直径之间的比值，即可得到颗粒的球形度。
计算公式如下：
球形度 = 等效直径 / 实际直径
非球形颗粒的应用
1. 建筑材料
非球形颗粒的球形度在建筑材料中具有重要的应用价值。例如，在混凝土中添加具有较高球形度的填充材料可以提高混凝土的力学性能和抗裂性能。另外，研究非球形颗粒在沥青混合料中的应用也是一个热门研究方向。
非球形颗粒的流动行为及仿真研究
非球形颗粒的流动行为及仿真研究
人类生活中的许多物质都是非球形颗粒，如煤、土壤、砂石等。对于非球形颗粒的流动行为及其仿真研究，近年来引起了广泛的关注。这不仅有利于优化工业生产过程，提高生产效率，还能帮助了解地球物理过程和环境污染的本质。下面将从粉体物理、实验技术与计算模拟等角度，就非球形颗粒的流动行为及其仿真研究进行讨论。
一、粉体物理的角度
按照粉体颗粒特性，可以将其分为两类：球形颗粒和非球形颗粒。相较于球形颗粒，非球形颗粒不仅在流动中受到摩擦力的影响更大，也因出现旋转和翻滚等非线性运动方式，使得其流动行为更加复杂。在实际工业生产过程中，存在大量的非球形颗粒，因此研究非球形颗粒的流动行为更有实际意义。
在研究非球形颗粒的流动行为时，需要考虑颗粒之间的相互作用，这通常涉及力学、物理、化学等学科。粉体物理学研究了粉体流动的力学特性和物理特性，通过体积分数、体积密度、颗粒直径、形状等形式对颗粒进行描述。对于非球形颗粒而言，影响颗粒流动的因素较为复杂。但总的来说，颗粒的形状确定了其在流动中的运动方式，例如颗粒是否翻滚、旋转，以及受到的摩擦力大小。
二、实验技术的角度
粉体流动实验是研究非球形颗粒流动行为的关键手段之一。通过实验可以观察到颗粒在流动过程中的运动方式、密度、粘滞性、速度等参数，从而得到颗粒运动规律与流动性质的信息。
在进行实验时，需要考虑实验设备的选择与设计。非球形颗粒的运动方式不同于球形颗粒，更易受到通道的大小、几何形状、壁面粗糙度和材料等因素的影响。因此，在进行实验设计时，需要考虑颗粒特性、流动性质和设备的适配性，并根据需要调整实验设备参数、设计流动方式。同时，需要确保实验装置的稳定性和数据的准确性。
三、计算模拟的角度
计算仿真技术是研究非球形颗粒流动行为的重要手段。通过计算机模拟，可以以较低成本、较短时间得到颗粒流动的信息。计算仿真技术已被广泛应用于分析粉体流动、液固流动及颗粒混合等领域。