振动填充床中颗粒形状对混合动力学的影响：基于取向熵的分析

这篇研究采用离散元法(DEM)探究了非球形颗粒(包括椭球体和非椭球体)在振动填充床中的取向与混合行为。通过超二次曲面方程构建颗粒模型，结合欧拉角定义取向，利用香农取向熵(Shannon’s entropy)和子域混合指数(SMI)量化分析。研究发现非球体颗粒易在床层底部形成稳定晶体结构导致偏析，而椭球体-球体混合体系因弱结晶性呈现更优混合效果，为工业颗粒处理设备设计提供了理论依据。

　　

Highlight
振动填充床系统中，三种关键机制主导颗粒行为：促进混合的对流(convection)，以及导致偏析的浮力(buoyancy)和渗透(percolation)机制。这些机制动态交互，其平衡关系决定了体系内混合的长期稳定性。颗粒形状通过影响边缘锐度、扁平度或伸长率等特征，成为调控混合过程的关键因素。

Theoretical background
本节提供研究的理论基础，涵盖离散元法(DEM)模型、颗粒形状表征、取向分析、取向熵及子域混合指数(SMI)的混合评估方法。

DEM model and sensitivity study
详细描述模拟流程后，通过两项敏感性研究建立基准：振动强度分析和总振动时间评估。所有敏感性分析均采用椭球体A-球体(P_AS)二元混合物进行。

Results and discussions
在振动填充床中，椭球体颗粒表现出强对流运动，其混合效果显著优于非椭球体。而非椭球体颗粒易在底部形成晶体结构，导致偏析增强。取向熵分析表明，高熵值对应低结晶度的良好混合区域，而低熵区域反映有序晶体结构。

Conclusion
本研究揭示了非球形颗粒在垂直振动下的结晶结构形成机制及其对混合动力学的影响，为工业颗粒处理工艺优化提供了重要见解。椭球体颗粒因弱结晶性更适合需要均匀混合的应用场景，而非椭球体颗粒的强结晶倾向可用于设计可控偏析系统。