散粒体

几何尺寸基本属于同一量级的颗粒的集合体

散粒体是指几何尺寸基本属于同一量级的颗粒的集合体，如各种谷粒、颗粒饲料、面粉等都是散粒体。根据颗粒粒径的大小，可分为粗粒体和粉粒体，稻谷、麦粒、玉米粒等属于粗粒体，面粉、奶粉属于粉粒体。

意义

散粒体的流动在工业生产中具有重要的意义，它影响物料贮存、定量、零售、装卸、控制以及整个加工运输系统的设计。

流动特性

散粒体的流动特点

散粒体力学特性的研究起源于土壤力学。近几十年来，散粒体力学得到了广泛的重视和应用。为了预测粉体颗粒流动特性，人们试图研究出一种分析模型，在微粒学中，是用有限的、不连续的粒子(理想的刚性或弹性球体)的特性来推导出代表整个物质性能的定律。而在连续介质方法中，物质的特性被假设是一个连续函数，并且物质可以无限被分割而不失去任何固有的特性。不连续的粒子特性不予考虑。

在大量研究工作基础上，己发展一种建立在颗粒特性基础上的流动理论。但是实际存在的粒状颗粒和粉状颗粒都是不均匀的，可以是无限多种粒度、形状和空隙的组合。而连续介质方法，由于不太复杂，己为工程设计提供大量极为有用的资料。土壤力学的研究推动了散粒体力学领域的加速发展，但土壤力学和散粒体力学之间存在着很大的区别。如勤附性在土壤力学中常常是不重要的，但在散粒体力学中却是重要的;贮存在料仓中的散粒体受到的应力仅为土壤正常受到的应力的1/1000,用土壤力学试验的方法是不能测定的;因为散粒体常常是贮存在料仓中，所以散粒体力学的边界条件通常与土壤力学的边界条件不相同;一般情况下，粉体变形量远大于土壤力学中的变形量。

散粒体的流动模型

在存仓排料过程中，最麻烦的问题之一是落粒拱现象。落粒拱是散粒体堵塞在排料口处，在排料口上方形成拱桥或洞穴。前者称为结拱，后者称为结管。

根据经验，物料的粒径越小，粒子形状越复杂，摩擦阻力越大，体积质量越小，越潮湿，落粒拱现象也越严重。从容器方面观察，壁面倾角越小，表面越粗糙，排料口越小，落粒拱现象也越严重。

根据散粒体的流动特点，分为自由流动物料和非自由流动物料两种。对于非自由流动物料，颗粒料层内的内力作用〔由勤聚性、潮湿性和静电力等造成)大于重力作用。这种内力在物料流动开始后，会逐渐扰乱原有的层面而导致形成落粒拱。由于颗粒粒子处于非平衡状态，落粒拱会周期性地坍塌，之后再重新形成。

观察散粒体流动过程的常用方法，是将物料涂上各种颜色，然后分层填满料仓，用高速摄影观察排料过程。

散粒体的流动过程理论

布朗一理查德理论

如图6一14所示，布朗一理查德理论认为，排料口附近自由流动的物料可分成五个流动带。D带为自由降落带;C带为颗粒垂直运动带;B带是擦过E带向料仓中心方向缓慢滑动的带;A带是擦过B带向料仓中心方向迅速滑动的带;E带是没有运动的静止带。A层在B层上滑动，A层上的颗粒迅速滚动。B

层在E层上慢慢滑动，E层处于静止状态。C层迅速向下方运动，从A、B层以大于休止角的角度补充粒子。C层的粒子供给n层排出。这一理论与物料从小孔排出的实验结果相符合。

和克瓦毕尔理论

克瓦毕尔理论认为〔图6一15)，EN带和EG带以几乎恒定的比率(1:15)连续发展，直到EN达到表面为止。EN带产生两种运动，第一位的垂直运动和第二位的滚动运动。凡带称为边界椭圆带，在它以外没有运动。这种流动称为漏斗流动或中心流动。如果料仓的倾角大于物料与料仓壁面的摩擦角，就可把物料卸空。在凡椭圆体边界线以内，产生的是整体流动。这个理论适用于流动性好的粉料从小孔中排出的情况。

布拉道尔雅科诺夫理论

布拉道尔雅科诺夫认为，排料是由动态落粒拱的形成和塌方反复进行的。

动态落粒拱的角度h与内摩擦因数fi有关

式中，d——排料口直径。

卡尔宾科理论

卡尔宾科发现，流动分三个区域:①中心运动粒柱的主流区，它位于孔口上方;②位于主流区周围的随流区，散粒体周期地流向主流区;③随流区的外围的惰动区。他对种子流动得出了下面的结论。

(1)主流区内的种子按长轴平行于圆筒排列，流动速度小于孔口平面处的速度;

(2)种子的流出量与种子层的高度无关;

(3)增加种子层上的压力和增加筒底厚度，流出减少或停止流出;

(4)在混有其他粒子时，首先流出的是小粒种子和光粒种子。

捷敏诺夫理论

捷敏诺夫认为，种子流出分五个阶段。

第一阶段是整个种子层表面均匀下降。此时，许多种子都力图以长轴顺着运动的方向。种子流的排队从出口处向种子上层扩展，当达到动态落粒拱高度时，开始形成动态落粒拱。

第二阶段是种子流不断地从拱桥高度下落。

第三阶段135是种子的排队扩展到上层表面时，马上形成漏斗。

第四阶段是动态落粒拱崩溃，流出过程减慢。

第五阶段是种子沿容器底面滑动。

应用

散粒体的自动分级

由粒度和相对密度不同的颗粒组成的散粒体所构造的均匀分布状态是不稳定的。在受到振动或其他扰动时，散粒体中各颗粒会按其相对密度、粒度、形状及表面状态的不同而重排。重排后从上层到下层依次为:相对密度小的大颗粒，相对密度小的小颗粒，相对密度大的大颗粒，相对密度大的小颗粒；此外，按表面状态及形状不同，表面粗糙或片状颗粒在上层，而表面光滑或接近球形的颗粒在下层。这种现象称为散粒体的自动分级。

产生自动分级的原因主要有:

①散粒体具有液体的性质，对分散在散粒体中的颗粒有浮力作用，促使相对密度小的颗粒上浮;

②散粒体在受扰时较松散，使小颗粒能往下运动以填补空隙；

③表面光滑的球形颗粒，在散粒体中所受阻力较小，容易向下运动，而粗糙颗粒或片状粒受阻大而留于上层。

在食品物料的筛分或风选、水选中，实际都是在利用自动分级现象。关于自动分级的力学解释，部分的可以用两相介质中分散相颗粒在连续介质中的沉浮运动机制来说明。

粉尘爆炸

粉尘爆炸是安全工程中的重要内容。

粉尘爆炸是指在空气中悬浮的粉尘颗粒急剧地氧化燃烧，同时产生大量的热和高压的现象。爆炸的机理非常复杂，通常认为首先是一部分粉尘被加热、产生可燃性气体，它与空气混合后，当存在一定温度的火源或一定能量的电火花时，就会引起燃烧。由此产生的热量又将周围的粉尘加热，产生新的可燃性气体。这样，就产生连锁反应而爆炸。

粉尘爆炸要求粉尘有一定的浓度。这一浓度极限，称为爆炸的下限。它与火源强度、粒子种类、粒径、含水率、通风情况和氧气浓度等因素有关。

粉尘发火所需的最低温度称为发火点。粒径越小，发火点越低。面粉厂里，当面粉在每立方米的空气中悬浮0.15～0.20mol时，最容易爆炸。特别是10μm左右的散粒物料，浓度在0.20mol/m3时，危险性最大。这一浓度相当于能见度为2m。

面粉、奶粉、淀粉等不良导电物料，由于与机器或空气的摩擦产生的静电会积聚起来，当达到一定数量时就会放电，产生电火花，构成爆炸的火源，应当密切注意。

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