边界条件对料斗中颗粒物料流动行为的调控机制研究

本文推荐：该研究采用离散元法(DEM)系统探究了边界条件(包括颗粒-边界摩擦系数μpb、恢复系数、出口宽度等)对锥形料斗内颗粒流动的调控作用。研究发现边界摩擦系数超过0.2时流动速率趋于稳定，出口宽度显著影响自由表面形态，而边界粗糙度会形成具有特征性速度/温度分布的边界层。这些发现为工业料斗的优化设计提供了重要理论依据。

　　

Highlight

边界特性对颗粒物料在料斗中的流动行为具有决定性影响。本研究通过离散元法(DEM)模拟，系统揭示了关键边界参数对带有内置构件的锥形料斗内颗粒流动的调控规律。

Numerical model

采用Cundall和Strack提出的离散元法(DEM)进行颗粒流动模拟。该方法通过四个关键步骤实现：(1)计算每个颗粒所受重力及接触力；(2)根据牛顿运动定律计算平动/转动加速度；(3)更新颗粒位置和速度；(4)重复上述过程实现动态演化。特别地，我们采用Hertz-Mindlin接触模型来精确描述颗粒间相互作用。

Results and discussion

当研究单个参数影响时，其他参数均保持基准值不变（见表1）。由于流动在x=30d中心平面对称，结果主要展示0≤x≤30d范围内的特征。

1. 颗粒-边界摩擦系数：流动速率随摩擦系数μ_pb增大而降低，但当μ_pb>0.2时效应趋于饱和。摩擦系数会显著改变出口附近和塞流区的垂直速度分布，并在近壁区域形成明显的速度梯度。

2. 恢复系数：在密实流动条件下，恢复系数对整体流动特性影响可以忽略不计。

3. 出口宽度：这是影响流动速率的最关键参数。随着出口变窄，自由表面形态会从抛物线型逐渐变为平坦型，这种转变伴随着流动阻力的显著增加。

4. 内置构件宽度：当构件与出口保持足够距离时，其宽度对流动速率和结构影响甚微。

5. 边界粗糙度：通过粘接颗粒引入的粗糙度会产生特征性边界层——这里颗粒速度降低而颗粒温度升高。有趣的是，粘接颗粒的直径和固相面积分数都会影响边界层的发展程度。

Conclusions

本研究主要发现包括：

1. 颗粒-边界摩擦系数存在0.2的临界阈值；

2. 恢复系数在密实流中作用有限；

3. 出口宽度主导自由表面形态演变；

4. 边界粗糙度会形成具有独特动力学特征的边界层。这些认识为工业料斗的优化设计提供了重要理论指导。