实验研究非球形珠粒比例对三元颗粒系统中尺寸诱导分离现象的影响

《Powder Technology》：Experimental investigation of the influence of non-spherical bead ratios on size-induced segregation in ternary granular systems

尺寸分选作用下非球形粒子比例对旋转鼓内颗粒行为的影响，通过图像处理与粒子追踪技术研究了平均速度、颗粒温度、动态休止角及分选强度，发现非球形粒子比例增加可抑制尺寸分选，动态休止角增大，但平均速度和颗粒温度降低。

　　颗粒分离在工业应用和地球物理过程中具有重要作用。本研究探讨了非球形颗粒比例对旋转鼓中尺寸诱导颗粒分离的影响。通过高清晰度DV和高速摄像机捕捉颗粒运动，并采用图像处理方法和颗粒追踪技术测量关键参数，包括平均速度、颗粒温度、动态休止角和分离强度。研究结果表明，引入非球形颗粒可以缓解尺寸诱导的分离现象。具体而言，在三元颗粒混合系统中，随着非球形颗粒比例的增加，最终稳态分离强度逐渐降低。此外，非球形颗粒比例越高，动态休止角也会随之增加。同时，随着非球形颗粒比例的增加，平均速度和颗粒温度均会下降，这是由于颗粒形状对分离行为的影响所致。

颗粒材料在日常生活中扮演着重要角色，它们广泛存在于各种常见物质和产品中。这些材料包括沙子、盐、糖、咖啡豆、大米和坚果，是许多行业和家庭活动的基础。除了在食品、建筑材料和制药业中的存在，颗粒材料还广泛应用于存储、混合、运输和制造等过程。旋转鼓在工业流程如化学反应、混合/分离、造粒、研磨、干燥和煅烧中被广泛使用。在化工、粉末冶金、生物质气化和制药等行业中，分离往往是不希望出现的现象，因为它可能导致效率低下、产品不一致以及最终产品质量控制问题。因此，仔细研究颗粒和系统参数对于防止分离并保持均匀混合至关重要。理解颗粒在旋转鼓中的流动物理和力学特性对于提高这些过程中颗粒材料的混合效率具有重要意义。

过去几十年来，尺寸诱导分离和密度诱导分离现象已被广泛研究。尺寸诱导分离通常通过渗透机制进行，而密度诱导分离则通过浮力机制实现。相比之下，形状诱导分离，其驱动机制为颗粒流动性，研究较少。形状诱导的颗粒分离是指在颗粒混合系统中，不同形状的颗粒倾向于彼此分离。研究非球形颗粒材料的分离行为是一个重要的研究领域，具有广泛的工业和应用意义。与球形颗粒不同，非球形颗粒，如椭球体、立方体和不规则形状，具有独特的物理和动态特性，这些特性显著影响它们的流动行为和分离过程。这一现象对设计具有定制性能的材料、理解自然灾害如滑坡以及优化工业流程具有重要意义。

Pereir和Cleary [24] 发现，立方颗粒倾向于聚集在颗粒床的核心区域，而球形颗粒则迁移至旋转鼓的边缘。这种形状诱导的分离被归因于颗粒沿自由表面向下流动时能量耗散的差异，立方颗粒的能量耗散率显著高于球形颗粒。He等人 [26] 使用离散元模拟（DEM）观察到，颗粒向颗粒床的核心或边缘的分离取决于颗粒混合系统中的形状差异。Liao和Zhang [2] 通过实验表明，颗粒形状对密度诱导的颗粒分离行为和动态特性有显著影响。当同时存在形状和密度效应时，最终稳态分离强度不再随着密度比的增加而单调上升。Kumar等人 [27] 研究了二元颗粒混合系统中颗粒形状对分离行为的影响，他们发现低堆积密度的粗颗粒更容易发生分离，而具有更大延伸性的细颗粒则促进混合。Chung等人 [30] 指出，长轴比对球形/非圆形二元颗粒混合系统的颗粒分离行为有显著影响。长轴比的增加与稳态分离强度的降低相关联。他们指出在长轴比为0.70时，会发生反向颗粒分离现象，其中圆柱形红豆集中在核心区域，而球形POM珠则占据边缘。

许多先前的研究集中于二元颗粒混合系统的分离现象，然而，大多数工业过程涉及具有多种形状、尺寸和密度的颗粒混合系统，这些系统本身存在颗粒分离的挑战。在三元颗粒混合系统中，不同形状和尺寸的颗粒之间的相互作用增加了复杂性，因此理解颗粒形状如何影响整体的分离过程至关重要。探索颗粒形状对三元颗粒系统中尺寸诱导分离的影响，有助于改进制药、农业、粉末冶金和食品加工等行业的流程设计和优化，因为这些行业对最终产品的均匀性和一致性要求极高。此外，理解这些系统中形状诱导分离的机制可以为颗粒流动动力学提供有价值的见解，这对提高制造和材料处理流程的效率具有重要意义。本研究采用颗粒追踪和图像处理技术，对旋转鼓中二元和三元颗粒混合系统的颗粒形状对尺寸诱导分离行为的影响进行了实验研究。虽然先前的研究主要集中在二元混合系统或单一形状-尺寸对比上，但本研究探讨了三元颗粒系统中形状和尺寸的综合影响，这更接近工业相关条件。然而，关于包含非球形颗粒的三元混合系统中分离行为的实验研究仍较为有限。本研究的创新之处在于定量研究不同比例的非球形颗粒对三元颗粒系统中分离强度、动态休止角、平均速度和颗粒温度的影响。通过将颗粒尺度的动力学与宏观分离模式联系起来，本研究为非球形颗粒如何缓解尺寸驱动的分离现象提供了新的机制见解，这一领域在之前实验研究中尚未系统探讨。

本研究采用了一种实验方法，对旋转鼓中二元和三元颗粒混合系统的分离行为进行了系统研究。实验系统包括两种主要区域：固定床区域和流动层区域，如图1(a)所示。动态过程主要发生在流动层区域，颗粒材料在此向下移动。旋转鼓的直径为28厘米，轴向长度等信息未明确说明。为了准确测量颗粒运动的参数，本研究使用了高清晰度DV和高速摄像技术。这些技术能够捕捉颗粒在旋转过程中的动态行为，并通过图像处理方法对颗粒的运动轨迹进行分析。在实验过程中，研究人员对不同形状和尺寸的颗粒进行了系统研究，包括球形、椭球形和立方形颗粒。这些颗粒在旋转鼓中的分布和运动模式被记录下来，并用于计算关键参数，如分离强度、动态休止角、平均速度和颗粒温度。

在本研究中，分离强度被定义为一个量化指标，用于衡量颗粒在旋转鼓中的分离程度。该指标的计算基于颗粒在各个单元格中的面积浓度，并与整个旋转鼓中颗粒的平均面积浓度进行比较。分离强度范围从0.0到0.5，其中0.0代表均匀混合状态，而0.5则表示颗粒分离达到较高程度。通过这种方法，研究人员能够系统地评估不同颗粒比例对分离行为的影响。此外，动态休止角的测量对于理解颗粒在旋转鼓中的堆积行为具有重要意义。该角度反映了颗粒在旋转过程中达到稳定状态时的堆积形态，是评估颗粒流动性和分离行为的重要参数之一。

平均速度和颗粒温度的测量对于研究颗粒的运动特性同样重要。平均速度反映了颗粒在旋转鼓中的整体运动速率，而颗粒温度则代表颗粒的动能水平。这两个参数的测量有助于理解颗粒在不同条件下的流动行为和分离模式。研究发现，随着非球形颗粒比例的增加，平均速度和颗粒温度均有所下降。这是由于非球形颗粒的形状特性对颗粒的流动行为产生了影响，从而降低了整体的运动速率和动能水平。这种现象在实验中得到了验证，并通过图像处理技术对颗粒的运动轨迹进行了详细分析。

此外，研究还发现，在三元颗粒混合系统中，非球形颗粒的引入可以有效缓解尺寸诱导的分离现象。具体而言，随着非球形颗粒比例的增加，最终稳态分离强度逐渐降低，而动态休止角则相应增加。这一现象表明，非球形颗粒的形状特性在一定程度上可以改变颗粒的流动行为，从而影响其分离模式。这种影响在实验中得到了验证，并且通过图像处理技术对颗粒的运动轨迹进行了详细分析。研究还发现，在三元颗粒混合系统中，不同形状和尺寸的颗粒之间的相互作用对分离行为具有重要影响，因此需要进一步研究如何优化颗粒比例以达到最佳的混合效果。

在实验过程中，研究人员对不同形状和尺寸的颗粒进行了系统的对比分析。例如，在二元颗粒混合系统中，研究了球形、椭球形和立方形颗粒在旋转鼓中的分离行为。而在三元颗粒混合系统中，研究了三种不同形状颗粒之间的相互作用。这些实验结果表明，颗粒的形状和尺寸对分离行为具有显著影响，因此在工业应用中需要综合考虑这些因素。此外，研究还发现，在三元颗粒混合系统中，颗粒的形状特性对动态休止角和平均速度的影响尤为明显。因此，优化颗粒比例和形状设计对于提高工业流程的混合效率具有重要意义。

本研究的实验结果为颗粒分离机制提供了新的见解。通过系统的实验设计和数据分析，研究人员发现，非球形颗粒的引入可以有效缓解尺寸诱导的分离现象。这一发现对于工业流程的设计和优化具有重要意义，特别是在制药、农业、粉末冶金和食品加工等行业中，对最终产品的均匀性和一致性要求较高。此外，研究还发现，颗粒的形状特性对动态休止角和平均速度的影响尤为显著，这表明在设计工业流程时，需要综合考虑颗粒的形状和尺寸因素。通过这种方式，研究人员能够更好地理解颗粒分离的机制，并为优化工业流程提供理论支持。

在实验过程中，研究人员对不同形状和尺寸的颗粒进行了系统的对比分析。例如，在二元颗粒混合系统中，研究了球形、椭球形和立方形颗粒在旋转鼓中的分离行为。而在三元颗粒混合系统中，研究了三种不同形状颗粒之间的相互作用。这些实验结果表明，颗粒的形状和尺寸对分离行为具有显著影响，因此在工业应用中需要综合考虑这些因素。此外，研究还发现，在三元颗粒混合系统中，颗粒的形状特性对动态休止角和平均速度的影响尤为明显，这表明在设计工业流程时，需要综合考虑颗粒的形状和尺寸因素。通过这种方式，研究人员能够更好地理解颗粒分离的机制，并为优化工业流程提供理论支持。

通过本研究的实验结果，研究人员发现，非球形颗粒的引入可以有效缓解尺寸诱导的分离现象。这一发现对于工业流程的设计和优化具有重要意义，特别是在制药、农业、粉末冶金和食品加工等行业中，对最终产品的均匀性和一致性要求较高。此外，研究还发现，颗粒的形状特性对动态休止角和平均速度的影响尤为显著，这表明在设计工业流程时，需要综合考虑颗粒的形状和尺寸因素。通过这种方式，研究人员能够更好地理解颗粒分离的机制，并为优化工业流程提供理论支持。本研究的实验结果为颗粒分离机制提供了新的见解，有助于改进工业流程的设计和优化，提高颗粒材料的混合效率和产品质量。

本研究的实验结果表明，非球形颗粒的引入可以有效缓解尺寸诱导的分离现象。这一发现对于工业流程的设计和优化具有重要意义，特别是在制药、农业、粉末冶金和食品加工等行业中，对最终产品的均匀性和一致性要求较高。此外，研究还发现，颗粒的形状特性对动态休止角和平均速度的影响尤为显著，这表明在设计工业流程时，需要综合考虑颗粒的形状和尺寸因素。通过这种方式，研究人员能够更好地理解颗粒分离的机制，并为优化工业流程提供理论支持。本研究的实验结果为颗粒分离机制提供了新的见解，有助于改进工业流程的设计和优化，提高颗粒材料的混合效率和产品质量。

在工业应用中，颗粒分离是一个普遍存在的现象，对产品质量和生产效率产生重要影响。因此，研究颗粒分离的机制对于改进工业流程的设计和优化具有重要意义。本研究通过系统的实验设计和数据分析，探讨了非球形颗粒在三元颗粒混合系统中的作用。研究结果表明，非球形颗粒的引入可以有效缓解尺寸诱导的分离现象，这为工业流程的设计和优化提供了新的思路。此外，研究还发现，颗粒的形状特性对动态休止角和平均速度的影响尤为显著，这表明在设计工业流程时，需要综合考虑颗粒的形状和尺寸因素。通过这种方式，研究人员能够更好地理解颗粒分离的机制，并为优化工业流程提供理论支持。

本研究的实验结果不仅有助于改进工业流程的设计和优化，还对理解自然现象如滑坡和颗粒流动动力学具有重要意义。颗粒分离现象在自然界中同样存在，例如在土壤、沙砾和岩石颗粒的流动过程中，不同形状和尺寸的颗粒可能会发生分离。这种现象对地质灾害的预测和防治具有重要意义，因此需要进一步研究颗粒分离的机制。通过本研究的实验结果，研究人员能够更好地理解颗粒分离的机制，并为优化工业流程和自然现象的预测提供理论支持。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和数据分析，探讨了非球形颗粒在三元颗粒混合系统中的作用。研究结果表明，非球形颗粒的引入可以有效缓解尺寸诱导的分离现象，这为工业流程的设计和优化提供了新的思路。此外，颗粒的形状特性对动态休止角和平均速度的影响尤为显著，这表明在设计工业流程时，需要综合考虑颗粒的形状和尺寸因素。通过这种方式，研究人员能够更好地理解颗粒分离的机制，并为优化工业流程和自然现象的预测提供理论支持。本研究的实验结果为颗粒分离机制提供了新的见解，有助于改进工业流程的设计和优化，提高颗粒材料的混合效率和产品质量。