对湿颗粒碰撞的实验与数值研究

《Powder Technology》：An experimental and numerical investigation of collisions of wet particles

两球及三球系统斜碰动力学实验与模拟研究，揭示Stokes数、初始撞击角、流体粘度及油膜厚度对碰撞结果的影响规律，发现两球碰撞存在粘附、快速反弹和粘附-旋转-分离三种机制，三球系统呈现更复杂动态行为，临界Stokes数与粘度和油膜厚度呈负正相关。

　　在自然界和工业生产中，湿颗粒之间的碰撞和流动现象广泛存在。例如，在雪崩、河流沉积物、山体滑坡以及湿润叶片上捕获花粉等自然过程中，颗粒的表面常常覆盖有液体层。而在工业领域，过滤、浆液输送、颗粒涂层和颗粒凝聚等过程也涉及湿颗粒的碰撞行为。这些颗粒材料构成了美国大量产品和原材料的重要组成部分，全球约有50%的能量来源于颗粒系统，而90%的药品制剂也是通过颗粒系统生产完成的。因此，深入研究湿颗粒碰撞的物理机制不仅有助于理解自然现象，还能优化工业生产流程，提高效率和产品质量。

湿颗粒的碰撞行为与干燥颗粒存在显著差异。当颗粒表面存在液体层时，碰撞的结果可能包括反弹或粘附。这是因为液体层在碰撞过程中会通过粘性力消耗部分动能，从而增加颗粒粘附的可能性。然而，在工业操作中，颗粒的粘附与解粘附往往被视为不利因素。例如，凝聚和凝聚操作依赖于颗粒之间的粘附形成更大的团聚体，而喷雾涂层和流化床干燥等过程则希望避免颗粒之间的聚集。从微观角度来看，碰撞后是否形成液桥，是决定最终产品特性的重要因素。液桥的存在与否不仅影响颗粒之间的粘附强度，还可能改变颗粒的运动轨迹和分离速度。

早期的研究主要集中在正碰撞（即碰撞方向与颗粒表面法线方向一致）的情况下，但近年来，研究兴趣逐渐扩展到斜碰撞（即碰撞方向与颗粒表面法线方向存在一定夹角）的情况。已有研究表明，斜碰撞中颗粒的法向运动受切向运动的影响较小，而切向运动则可能通过滑动润滑效应改变颗粒的旋转行为，从而减少干摩擦的影响。然而，这些研究大多集中在干燥颗粒与湿润表面的碰撞，或者在某些特定条件下进行的实验。对于湿颗粒之间的斜碰撞，尤其是涉及多个颗粒的系统，相关研究仍较为有限。

在过去的实验中，研究者通常采用悬挂式装置，即将颗粒通过细线悬挂，并浸入粘性液体层中，让其自然排水后进行碰撞实验。这种方法虽然能够模拟湿颗粒的碰撞过程，但也存在一些局限性。例如，细线可能会对颗粒的相对运动产生干扰，限制颗粒的旋转角度，从而影响实验结果的准确性。此外，由于重力的影响，实验中难以精确控制颗粒的运动状态，导致部分实验数据与理论预测存在偏差。

为了克服这些限制，本研究采用了一种改进的实验装置，即气垫桌（air table）。气垫桌能够提供一个几乎无摩擦的平面，使颗粒在碰撞过程中能够自由移动，减少外部因素对实验结果的干扰。通过调整初始碰撞角度、液体层厚度、流体粘度以及撞击颗粒的初始速度，研究者能够系统地探索不同参数对湿颗粒碰撞行为的影响。实验数据不仅包括碰撞后的反弹系数，还涵盖了碰撞后颗粒的旋转角度和运动轨迹，从而为理解湿颗粒碰撞的复杂机制提供了新的视角。

在理论模型方面，本研究借鉴了Davis和Sitison提出的关于两颗湿颗粒斜碰撞的理论框架，并进一步扩展至三颗湿颗粒的系统。该理论模型基于对颗粒之间润滑力和毛细力的计算，能够描述颗粒在碰撞过程中相对运动的变化。通过引入旋转极坐标系统，研究者可以更精确地追踪每对相邻颗粒的相对运动，从而预测碰撞后的动态行为。该模型在高斯托克斯数（Stokes number）和小碰撞角度条件下与实验数据吻合较好，但在低斯托克斯数和大碰撞角度条件下，模型预测与实验结果之间仍存在一定的差异。

实验结果显示，对于两颗湿颗粒的斜碰撞，当斯托克斯数较低时，颗粒倾向于发生粘附，形成一个稳定的团聚体；当斯托克斯数较高时，颗粒则表现出快速反弹的特性；而在中等斯托克斯数条件下，颗粒会经历粘附-旋转-分离的三阶段过程。这一现象被称为“粘附-旋转-分离”（Stick-Rotate-Separate, SRS），其发生机制与颗粒之间的液体桥、旋转惯性以及离心力等因素密切相关。然而，在低斯托克斯数和大碰撞角度条件下，实验数据与理论模型之间的不一致表明，当前的理论框架可能未能完全捕捉到这些复杂相互作用的细节。

对于三颗湿颗粒的斜碰撞，实验发现碰撞结果更加多样化。在低斯托克斯数条件下，所有三颗颗粒可能完全粘附，形成一个稳定的团聚体；而在高斯托克斯数条件下，颗粒则可能完全分离，恢复原有的运动状态。在中等斯托克斯数条件下，观察到一种部分粘附的现象，即其中一颗颗粒从其他两颗组成的团聚体中分离，而剩余的两颗颗粒则继续粘附在一起。这种现象的出现可能与颗粒之间的相对运动、液体层的分布以及碰撞角度的大小等因素有关。

研究还发现，斯托克斯数对碰撞结果的影响并非线性关系。当斯托克斯数低于某个临界值时，颗粒之间的粘附是不可逆的，即碰撞后颗粒无法分离，湿反弹系数为零。然而，当斯托克斯数超过这一临界值时，颗粒之间的粘附变得可逆，碰撞后可能会发生分离。值得注意的是，临界斯托克斯数会随着流体粘度的增加而降低，而随着液体层厚度的增加则会升高。这意味着，在不同的流体环境中，颗粒的粘附与分离行为可能会有所不同，从而影响最终的碰撞结果。

本研究通过实验和数值模拟相结合的方式，系统地分析了湿颗粒斜碰撞的动态行为。实验数据的获取基于气垫桌的使用，使得颗粒能够在无摩擦的环境中自由运动，从而减少外部因素对实验结果的干扰。数值模拟则基于最新的理论模型，能够预测颗粒在碰撞过程中的运动轨迹和分离行为。通过对比实验数据和模拟结果，研究者能够更全面地理解湿颗粒碰撞的物理机制，并为未来的研究提供新的方向。

此外，本研究还发现，对于三颗湿颗粒的斜碰撞，碰撞后的动态行为比两颗颗粒更加复杂。这可能是因为三颗颗粒之间的相互作用更加多样，不仅包括颗粒之间的直接碰撞，还涉及颗粒与液体层之间的相互作用。因此，理解三颗湿颗粒的碰撞行为需要考虑更多的因素，如颗粒的排列方式、液体层的分布以及碰撞角度的组合等。这些因素可能会显著影响颗粒的粘附与分离行为，从而改变最终的碰撞结果。

综上所述，本研究通过改进的实验装置和最新的理论模型，深入探讨了湿颗粒斜碰撞的动态行为。实验结果表明，斯托克斯数、初始碰撞角度、流体粘度和液体层厚度等因素都会显著影响碰撞结果。特别是在低斯托克斯数和大碰撞角度条件下，颗粒的粘附与分离行为表现出较高的复杂性，需要进一步的研究来揭示其背后的物理机制。这些发现不仅有助于深化对湿颗粒碰撞的理解，还可能为相关工业过程的优化提供理论支持和技术指导。未来的研究可以进一步探索不同液体层厚度和粘度对碰撞行为的影响，以及多颗粒系统中更复杂的相互作用机制，从而推动湿颗粒碰撞研究的深入发展。