颗粒在圆形偏心滚筒内的运动模式

张立栋，李连好，程硕，李晓博，秦宏，王擎，李少华



颗粒在圆形偏心滚筒内的运动模式

张立栋1，李连好1，程硕1，李晓博1，秦宏1，王擎1，李少华2

（1东北电力大学油页岩综合利用教育部工程研究中心，吉林吉林 132012；2中国大唐集团科学技术研究院 有限公司，北京 102206）

实验研究了影响颗粒在圆形偏心滚筒内运动状态的因素，分析了2种偏心距、4种填充率和4种转速对运动模式的影响。结果表明：转速和填充率是影响颗粒在圆形偏心滚筒内运动模式变化的主要因素，偏心距对其基本没有影响；当转速为15r/min和25r/min时，填充率不会影响颗粒的运动模式；而在转速为5r/min时，颗粒运动模式随填充率由1/6增大到1/3，相应由阶梯模式变为滚动模式；在转速为40r/min时，颗粒运动模式随填充率由1/6增大到1/3，相应由滚动模式变为小瀑布模式；偏心距越大，颗粒在运动过程中产生的涡心越偏离滚筒中心；转速的增加使颗粒群的上表面和下落层两端的弧度发生变化；填充率对颗粒在圆形偏心滚筒中的运动模式的影响只发生在低转速和高转速下。

颗粒；圆形偏心滚筒；运动模式

颗粒材料广泛应用于工业、农业、化工及人们生产生活等各个领域。例如，工业中的建材、煤炭、矿石，农业中的生物质燃料，化工药品和日常生活中的粮食、糖、盐等，都是颗粒材料。颗粒材料作为一种特殊的物质形态，受其自身物性及形状等因素的影响，有别于液态、气态的运动特性[2]。国内外很多研究者从多方面开展了关于颗粒材料的实验和模拟计算，得出很多结论，获得很多成果。其中，陆坤权等[1-3]对颗粒物质的粮仓效应、加压膨胀、应力分布等静态特性以及颗粒物质振动引起的对流、分离，颗粒流动特性进行了系统的阐述。孔维姝 等[4]又对颗粒物质的历史效应、振动下产生的偏析、斑图等现象进行了详细分析。张立栋等[5-7]研究了分别在圆形和椭圆形回转干馏炉内不同粒度颗粒在多种不同影响因素下的混合运动特征，实验验证了颗粒在无内构件回转式混合器中的6种运动形态（滑移模式、阶梯模式、滚动模式、小瀑布模式、大瀑布模式和离心模式）[8]，并总结出填充率、转速、抄板形式、不同粒径、倾角及出口挡板内径都对颗粒群的混合运动有重要影响。赵永志等[9-10]通过建立不同弹性-阻尼离散单元模型进行数值模拟，预测出圆形滚筒内二元S形颗粒流花瓣模式的分层现象，并分析了滚筒转速、颗粒装载率等参数对颗粒分层的影响，以及液体对颗粒体系的混合行为的影响。欧阳鸿武等[11]通过一系列的实验研究，系统地阐述了颗粒混合物体系在半填充转鼓中的花瓣斑图的形成过程以及规则花瓣斑图的形成条件。Gui 等[12]采用离散单元法模拟了颗粒在波纹筒壁的滚筒中的运动情况得出，波纹筒壁在定转速下会产生周期性的振荡运动，颗粒在这种滚筒中的混合比在圆形滚筒中的混合更好，且在低转速下比在高转速在下混合更好。

国外研究者对方形和圆形回转装置内不同物性颗粒的运动情况进行了讨论，并对装置内的颗粒随滚筒转动所形成的斑图与偏析现象进行了系统分析[13-15]。蔡洪涛等[16]运用坐标变换法研究了偏心圆筒混合机的旋转圆筒的运动轨迹，分别得出单个颗粒做部分圆周运动和整个颗粒群做完全圆周运动的临界角速度，并指出这个临界角速度与颗粒物料常数和充装系数有关。胡银玉等[17]利用先进的无干扰流场测试手段，对比分析了斜叶桨搅拌反应器内的液相在中心和3种不同偏心率下的搅拌混合程度，发现偏心搅拌比中心搅拌更能达到混合均匀。夏建新等[18]采用内外筒均可独立旋转的同心圆筒对颗粒剪切进行实验，测量了非均匀离散颗粒流在旋转剪切流动下的剪切应力变化，并得出颗粒粒径和颗粒浓度均影响剪切应力的产生。田昊等[19]利用稠相的粒子图像测速技术研究了颗粒在二维回转圆筒内的流动模式和时均速度分布，通过测量不同工况下料床的径向对称线、30%径向线和70%径向线上的速度，得出颗粒径向速度分布具有相似性，表面线上速度横向分布在低速下呈对称分布，且峰值在中线处。另外，峰值随着圆筒转速的不断提高而向料床下部移动。

本文将对颗粒物质在圆形偏心滚筒内的运动情况做深入研究。通过设置不同操作参数及结构参数，实验分析了颗粒在不同转速、不同填充率和不同偏心距的圆形偏心滚筒中的运动状态及运动模式，为油页岩固体热载体在圆形偏心滚筒中干馏炼油过程的研究打下基础。

1 实验装置及实验方法

1.1 实验装置及物料物性

本实验采用如图1所示的实验台进行，实验物料采用平均直径为2.5mm的陶瓷球，其硬度> HRA90，密度为6.00g/cm3，松散装度为3.70g/cm3，抗弯强度>1000MPa，断裂韧性为12～14MPa；滚筒的直径为84mm，材料为中碳钢，其硬度约为HRC55，与钢球间摩擦系数为 0.15。

1—实验台；2—调速仪；3—电动机；4—实验滚筒；5—图像采集装置（高清DV）；6—计算机

1.2 实验工况设置

试验工况设置如表1所示。

表1 实验工况

2 结果与讨论

本文通过对所有工况的大量图像进行整理，对比分析了在不同填充率、不同转速及不同偏心距下圆形偏心滚筒中颗粒运动变化情况，得出以上3种因素对颗粒运动的影响，具体分析如下所述。

2.1 不同偏心距时颗粒运动情况

图2所示为陶瓷颗粒在相同转速、不同填充率、不同偏心距的圆形偏心滚筒中的运动情况。图中O表示圆形偏心滚筒几何中心偏离滚筒旋转中心的距离（以下简称为偏心距）为0，A表示偏心距为20mm，B表示偏心距为40mm，1～6分别代表滚筒在运动过程中所处的6个不同位置。根据对实验记录的观察与分析，得出偏心距分别为0、20mm、40mm时，颗粒的运动模式基本相同，都属于rolling（滚动）模式。图中圆圈内为涡心（涡心的颗粒间无相对位移），对转速为15r/min填充率2/3，3种偏心距下颗粒的运动情况比较分析可知：随着圆形偏心滚筒转动，涡心会发生周期性的变化，不同偏心距的对应位置处，偏心距越大，涡心越偏离滚筒中心。如图2(a)，偏心距为40mm的B1位置与偏心距为20mm的A1位置相比，涡心更偏离滚筒中心。当涡心在下滑面与旋转中心之间时[图2(a)中的A1、A2]，涡心的偏移量基本相等；涡心在下滑面和旋转中心两者下方时[图2(a)中的A4、A5]，涡心的偏移量也基本相等；涡心处于其与旋转中心的连线，近似平行于下滑面时[图2(a)中的A3、A6]，上下两处的涡心偏移量不相等，而这3种位置的涡心偏移量各不相等。如图2(a)中的A1和A2涡心偏移量为13.8mm，A4和A5的涡心偏移量为7.8mm，A3、A6的涡心偏移量分别为12mm、18mm。偏心距为40mm时，涡心已经紧贴滚筒壁面或者运动颗粒群的上表面，这种情况下，在紧贴滚筒壁面位置处的涡心偏移量基本相等（涡心半径的变化量相对滚筒尺寸足够小）。而在相同转速下，填充率为1/6、偏心距20mm时，涡心就已经紧贴筒壁或者运动颗粒群的上表面，涡心的偏移量具有上述相同的规律，如图2(b)中A1～A6所示。当偏心距增大到40mm时，颗粒在一个运动周期中的大部分位置处于无涡心运动。但只要在涡心一直存在的运动过程中，沿滚筒的转动方向，如图2(a)中B1-B2-B3-B4- B5-B6-B1方向上，涡心的大小是在不断均匀变化的，涡心总是由大逐渐变小，运动到某一处时达到最小，然后再逐渐地变大，随转动的不断进行，如此往复下去。另外，通过观察涡心外的颗粒运动，发现偏心距越大，涡心以外的颗粒相对滚筒的运动越强烈。

2.2 不同转速时颗粒运动情况

图3所示为填充率为1/2、偏心距为20mm时，圆形偏心滚筒内的陶瓷颗粒在4种不同转速下的运动情况。通过实验观察与分析发现，在5r/min、15r/min和25r/min转速下，颗粒总体运动形式呈现为圆形运动模式中的rolling（滚动）模式，而在40r/min转速下，颗粒总体运动形式已经发生变化，呈现为cascading（小瀑布）模式。图中箭头代表颗粒运动趋势，C区域为颗粒下落层，D区域为相对静止层，曲线a为下落层与相对静止层的分界线。对4种转速下颗粒运动情况对比可得：颗粒群的上表面在不同转速下表现不同，在一定的转速范围内，上表面一直保持直线，转速继续增加时，上表面由直线开始变为曲线；颗粒在下落层两端所表现出的运动弧度随转速的增加而不断减小，这一现象与颗粒在圆形无偏心滚筒中下落层两端弧度随转速增加而增大的结果刚好相反。

2.3 不同填充率时颗粒运动情况

通过全工况实验，对不同工况下颗粒的运动情况观察比较，得到圆形偏心滚筒内颗粒的总体运动模式，如表2所示。

表2 全工况下颗粒总体运动模式

注：s表示阶梯模式；r表示滚动模式；c表示小瀑布模式。

从表2可以看出，在相同的转速和相同填充率时，偏心距对颗粒的运动模式没有影响。但是在5r/min和40r/min下，不同填充率会影响颗粒的运动模式。当转速为5r/min、填充率1/6时，颗粒的运动模式是阶梯模式，填充率分别为1/3、1/2、2/3，颗粒的运动模式均为滚动模式；当转速为40r/min、填充率1/6时，颗粒是滚动模式运动，其他填充率下的颗粒均为小瀑布模式运动。除此之外，在15r/min和25r/min转速、不同填充率时，颗粒的运动模式都是滚动模式。图4为在转速40r/min、偏心距20mm、不同填充率时颗粒的运动情况。

3 结 论

通过研究偏心距、转速及填充率对颗粒在圆形偏心滚筒内运动模式的影响，得出以下结论。

（1）偏心距对颗粒在圆形偏心滚筒内的运动模式基本没有影响，影响因素主要是转速和填充率。在5r/min和40r/min转速下，填充率较小时，填充率的变化会影响颗粒运动模式的变化，填充率增大到一定程度，其变化不再改变颗粒的运动模式。在15r/min和25r/min转速、不同填充率条件下，颗粒一直保持滚动模式运动。

（2）随着圆形偏心滚筒的转动，涡心的位置和大小都发生周期性变化。对应位置处偏心距增大，导致涡心的偏移量增大。同一工况下，涡心的位置决定了涡心偏移量的大小。

（3）填充率1/6、偏心距40mm时，颗粒会出现无涡心的运动状态。

（4）转速增加会导致圆形偏心滚筒内颗粒群的上表面由直线变为曲线，下落层两端的运动弧度变小。

[1] 厚美瑛，陆坤权.奇异的颗粒物质[J]. 新材料产业，2001（2）：26-28.

[2] 陆坤权，刘寄星. 颗粒物质（上）[J]. 物理，2004，33（9）：629-635.

[3] 陆坤权，刘寄星. 颗粒物质（下）[J]. 物理，2004，33（10）：713-721.

[4] 孔维姝，胡林，吴宇，等. 颗粒物质中的奇异现象[J].大学物理，2006，25（11）：52-55.

[5] 李少华，张立栋，余侃胜，等. 回转干馏炉内油页岩颗粒群断续给料混合运动模式[J]. 化工进展，2010，29（8）：1433-1437.

[6] 张立栋，朱明亮，刘朝青，等. 颗粒在椭圆形回转干馏炉内运动分析[J]. 化工机械，2014，41（1）：34-38.

[7] 张立栋，王丽伟，朱明亮，等. 回转干馏炉内油页岩与固体热载体颗粒轴向混合特性实验[J]. 东北电力大学学报，2012，32（6）：63-66.

[8] Ding Y L，Forster R，Seville J P K，et al. Granular motion in rotating drums：Bed turnover time and slumping–rolling transition[J].，2002，124（1-2）：18-27.

[9] 赵永志，程易. 水平滚筒内二元颗粒体系径向分离模式的数值模拟研究[J]. 物理学报，2008，57（1）：322-328.

[10] 高红利，陈友川，赵永志，等. 薄滚筒内二元湿颗粒体系混合行为的离散单元模拟研究[J]. 物理学报，2011，60（12）：330-337.

[11] 欧阳鸿武，黄立华，王琼，等. 转鼓中双组元颗粒混合物形成斑图的模式和机制[J]. 粉末冶金材料科学与工程，2014，19（1）：15-23.

[12] Gui Nan，Fan Jianren，Gao Jinsen，et al. Particlemixing study in rotating wavy wall tumblers by discrete element method simulation[J].，2014，53：13087-13097.

[13] Hill K M，Khakhar D V，Gilchrist J F，et al. Segregation-driven organization in chaotic granular flows[J]....，1999，96（21）：11701-11706.

[14] Jain N，Ottino J M，Lueptow Ｒ M. Combined size and density segregation and mixing in noncircular tumblers[J].，2005，71（5）：051301.

[15] Cisar S E，Umbanhowar P B，Ottino J M. Radial granular segregation under chaotic flow in two-dimensional tumblers[J].，2006，74（5）：051305.

[16] 蔡洪涛，杜润生，杨叔子.偏心圆筒混合机的运动及混合机理分析[J]. 华中科技大学学报，2006，34（6）：84-86.

[17] 胡银玉，刘菇，杨基础，等.偏心搅拌反应器内的液相混合行为[J].化工学报，2010，61（10）：2517-2522.

[18] 夏建新，毛旭锋.非均匀颗粒流应力关系实验研究[J].岩土力学，2009，30（s1）：79-82.

[19] 田昊，李水清，柳冠，等.回转圆筒内颗粒流速度场的实验研究[J].工程热物理学报，2008，19（7）：1159-1162.

Motion mode of particles in a circular eccentric drum

1，1，1，1，1，1，2

（1Engineering Research Centre of Ministry of Education for Comprehensive Utilization of Oil Shale，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China；2Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，China Datang Corporation，Beijing 102206，China）

Experiments were conducted to study the factors which affect motion state of particles in a circular eccentric drum，and the effects of two offsets，four filling rates and four rotating speeds on the motion model were analyzed. Rotating speed and filling rate were the main factors affecting the change of the motion model of particles in a circular eccentric drum，while offset had no effect. Filling rate did not have an impact on the motion model of particles at rotating speed of 15r/min and 25r/min. But when rotating speed was 5r/min，the motion model of particles varied from slumping mode to rolling mode accordingly when filling rate increased from 1/6 to 1/3，and when rotating speed was 40r/min，the motion model of particles varied from rolling mode to cascading mode accordingly when filling rate increased from 1/6 to 1/3. With increasing offset，vortex core generated in the process of movement deviated more from the center of the drum. Increasing rotating speed resulted in the change of the upper surface of particle group and the arc of the falling particle group on both ends. The effect of filling rate on the motion model of particles occurred only at low and high rotating speeds.

particle；circulareccentric drum；motion model

TQ 051

A

1000–6613（2015）09–3244–05

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.006

2015-01-29；修改稿日期：2015-02-25。

长江学者和创新团队发展计划（IRT13052）、吉林省重大科技发展计划（20096034）、吉林省自然科学基金（20150101033JC）、吉林市科技计划（201464044）及吉教科合字2015-237项目。

张立栋（1980—），男，博士，副教授，主要研究方向为油页岩综合利用及回转装置混合与分离。E-mail nedu1015@aliyun.com。