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题名	颗粒系统中偏析结构的离散模拟
作者	刘晓星
学位类别	博士
答辩日期	2008-05-24
授予单位	中国科学院过程工程研究所
授予地点	过程工程研究所
导师	李静海
关键词	颗粒物质 离散单元法（DEM） 协调 颜色场（Color Field） 滚筒 端面效应 流动结构 混合 偏析
其他题名	Discrete Simulation on Segregation Patterns in Granular Systems
学位专业	化学工程
中文摘要	颗粒物质是由大量离散固体颗粒构成的聚集体，它在自然界、工业生产以及人们的日常生活中普遍存在。不同于一般的固体和流体，颗粒物质的运动具有远离平衡的复杂非线性耗散特征。目前对颗粒物质的静态结构和动态行为的理解尚不深入，因此研究颗粒物质不仅具有重要的工程应用价值，也将有力促进统计物理、流体力学、非线性动力学等学科的交叉与发展。 本论文报告了采用离散模拟方法（DEM、MD）对颗粒物质在外界作用下的复杂行为的数值模拟。论文首先分析了两股以一定角度相向运动的颗粒流之间的协调现象，提出了系统的控制机理以及稳定性条件，并进一步模拟了两组份颗粒混合物在“颜色场”（Color Field）中的稳态结构。模拟结果表明，根据外力场强度以及颗粒数密度的不同，初始时刻随机分布的两组份混合物最终会呈现不同的稳态结构：在数密度很高的情况下，随着外力场强度的增大，系统的稳态结构会经历静止—有序—阻塞—混乱的转变；当作用力较小时，随着颗粒数密度的提高，系统会呈现有序—阻塞—有序的稳态结构。当系统呈现有序结构时，通过两组分颗粒的偏析，系统中同种颗粒会沿着外力场的方向分别形成条带结构。 上述模拟研究的是颗粒物质在周期性边界条件下的偏析现象，而实际过程中颗粒的偏析现象往往与边界条件的设置有关。为此论文随后报告了对封闭滚筒中的颗粒偏析现象的研究。为了预测并解释可能的偏析现象，论文首先在第三章通过DEM方法模拟分析了颗粒在滚筒中的流动结构，模拟中滚筒的一侧端面固定而另一侧端面可以转动。模拟结果表明，滚筒两个端面的不对称状态（转动/不转动）会导致颗粒在滚筒中呈现显著的轴向运动。这种轴向运动在物料的表面以及内部都存在，并且由物料层顶部到物料层趾部的颗粒轴向流动速度呈不对称分布，颗粒在物料层顶部的轴向流动速度小于在趾部的轴向流动速度。论文中详细探讨了滚筒轴径比、滚筒转速以及物料装载量对滚筒中物料流动结构的影响。 颗粒的轴向流动有可能会导致颗粒偏析。根据第三章的模拟结果，论文的第四章模拟了不同操作条件下仅颜色存在差异的两种颗粒在这种设置的滚筒中的混合过程。模拟结果表明，根据操作条件的不同，这两种颗粒在完全混合之前会经历不同的短暂偏析结构。当初始时刻等量的黄、红粒子分别布置于靠近滚筒固定端面和转动端面两侧时，根据滚筒的转速以及物料装载量的不同，混合的过程中会出现“黄—红”、“红黄—黄—红”和“红—黄”三种偏析结构。 上述的轴向流动以及偏析现象在实际的工业滚筒中也有所体现。论文的第五章即模拟了一个在钢渣处理工艺中使用的侧壁带有缝隙的滚筒。模拟中小粒径的钢渣颗粒连续地由滚筒轴向中部加入，通过和大粒径的钢珠作用后由滚筒的侧壁缝隙排出滚筒。论文中考察了钢渣的加料速度以及滚筒转速对滚筒中钢渣贮存量、钢渣停留时间、钢渣沿滚筒轴向的排料规律的影响，并分析了滚筒中钢渣粒子的流动结构以及偏析现象，为工业上对该装置的优化提供参考。 论文的第六章对本文的工作进行了总结，并对后续的工作进行展望。
语种	中文
公开日期	2013-09-13
页码	139
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1018]
专题	过程工程研究所_研究所（批量导入）
推荐引用方式 GB/T 7714	刘晓星. 颗粒系统中偏析结构的离散模拟[D]. 过程工程研究所. 中国科学院过程工程研究所. 2008.

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