食品散粒体流动特性Word格式文档下载.docx
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凹凸不平表面间的接触时间和接触点的温度都影响粘附力和剪切力的数值，所以也影响摩擦力。
湿度增加时，粘附力增加，因而增加摩擦力。
2散粒物料的摩擦角
摩擦角反映散粒物料的摩擦性质，可用以表示散粒物料静止或运动时的力学特性。
例如物料的流动性、沿固体壁面的流动摩擦特性及滑落特性等。
散粒物料的摩擦角一般有四种，即休止角、内摩擦角、壁面摩擦角和滑动角。
休止角和内摩擦角表示物料本身内在的摩擦性质，而壁面摩擦角和滑动角表示物料与接触的固体表面间的摩擦性质。
（1）休止角:
散粒体的休止角又称静止摩擦角或堆积角，是指散粒物料通过小孔连续地散落到平面上时，堆积成的锥体母线与水平面底部直径的夹角。
它与散粒粒子的尺寸、形状、湿度、排列方向等都有关。
休止角越大的物料，内摩擦力越大，散落能力越小。
图6一1是测定休止角的几种方法。
由于测定方法和所用仪器的不同，测得的数据也不尽相同。
一般用倾斜法测得的值比用其他方法测到的结果要大些，但人为因素造成的误差较小，再现性好。
休止角与粒径大小有关。
粒径越小，休止角越大，这是因为微细粒子相互间的粘附性较大。
粒子越接近于球形，休止角越小。
若对物料进行振动，则休止角将减小，流动性增加。
粒子越接近球形，粒径越大，振动效果越明显。
在有的文献里将休止角分为静态休止角和动态休止角。
物料水分增加时，休止角增加。
（2）内摩擦角:
内摩擦角
是散粒体内部沿某一断面切断时，反映抗剪强度的一个重要参数，其值可利用如图6一3所示的剪切仪进行测定。
将散粒物料装进剪切环内，盖上盖板，在盖板上施加垂直压力FN，加载杆上作用剪切力FT。
如果剪切环内的散粒物料被剪断时达到的最大剪切力为FS，设散粒体的剪切面积为A，则得散粒体的抗剪力等于内摩擦力与粘聚力之和，即
（6一1）
式中，fi——散粒体的内摩擦因数，fi=tanrp
；
Fc——单位粘聚力，即发生在单位剪切面积上的粘聚力。
试验时，先使载荷FN不变，渐增大剪切力，测出剪切环移动时的剪切力Fs；
改变FN值，测出不同载荷FN时的剪切力Fs，作Fs一FN曲线，则该曲线与横坐标FN的夹角即为该物料的内摩擦角那
在纵坐标上的截距FcA即为物料的粘聚力。
（3）壁面摩擦角和滑动摩擦角:
壁面摩擦角表示物料层与固体壁面的摩擦特性，而滑动摩擦角（又称自流角）则表示每个粒子与壁面的摩擦特性。
一般缺乏粘聚性的散粒物料，休止角等于内摩擦角，大于壁面摩擦角;
但对于含水率大的谷物种子，休止角比内摩擦角大得多。
测定壁面摩擦角常用的简易方法如图6一5所示。
滑动角或称自流角，也是衡量散粒物料散落性的指标。
测定滑动角时，将单个颗粒放在平板上，再将平板轻轻倾斜，待颗粒开始滑动时，平板角度即为物料的滑动角。
实际上，类球体的滑动角是壁面摩擦角和粒子沿板面滚动摩擦角的综合。
对于粉状物料，因为存在粘附性，其滑动角也可能大于90°
。
由于散粒体的性质不同，测试的工况不同，所测的摩擦角也不同。
测定农业物料摩擦角的方法很多，除用图6一5所示的测定装置外，也可用如图6一3所示的剪切仪测定，或者用滑尺式摩擦仪测定。
图6一6是与图6一5原理相同的平移式测定装置。
图6一7是结构简单的斜面仪，它除测定壁面摩擦因数外，还能测定滚动阻力和滑动系数。
图6一10所示的装置用于测定纤维茎秆一类物料的摩擦因数。
表6一5列举了一些农业物料的摩擦角。
6.1.2粘附性与粘聚性
粘附现象在很多场合均会产生，如气力输送时粉末粘附于管壁等。
粘附是两种材料的粘合，粘聚是材料颗粒问的自身粘合，具有粘聚性的散粒物料往往具有粘附性。
1粘附的原因
影响粘附的因素很多，情况也很复杂。
实验表明，粉状物料的粒径越小、越潮湿，以及显著带电的散粒体，越容易粘附于壁面。
因此，产生粘附的主要原因是粒子问的粘聚力和粒子与壁面问的作用力，包括分子问的引力、附着水分的毛细管力以及静电引力等。
对于不同种类的散粒体，这些力的大小不同。
特别细的粉末，分子引力是主要影响因素;
而含水率高的物料，尤其是亲水性高的物料，湿润角小，毛细管力起主要作用。
壁面光洁度增大，粘附力也随之加大。
对于某些物料，要考虑到相互溶化而粘结的情况。
当散粒体与壁面接触时，只要一方为导电体，另一方为绝缘体，其粘附力就相当大。
粘附力的大小与粒子的带电量、粒子和壁面的导电能力有关，各种谷物碾成的粉料都具有这种特性。
法向压力对粘附力的影响不大。
一般情况下，法向压力增加，粘附力呈线性增大，但增加不多。
当法向载荷增加四倍时，含水率37.5%的粘土与白口铁间的粘附力仅增加一倍。
2粘附力和粘聚力的测定
测定粘附力和粘聚力的方法，需根据物料的性质进行选择。
（1）法向脱附法:
测定垂直于粘附表面的法向脱附力。
粘土对金属材料法向粘附力的测定常用此法。
（2）喷射气流法:
使气流通过放有待测物料的透气板或织物，根据粒子飞散时所需的最小气流速度确定其粘附力。
（3）离心力法:
先将物料粘附于玻璃板、木板或金属板上，再放到立式离心机中旋转。
根据被分离的粒子所受的离心力确定切向粘附力。
（4）粘结性法:
将流动性好的粒子以不同比例混于有粘聚性的物料中，测定混合物料的休止角。
用外插法确定粘聚性物料为100%时的休止角，以此来表示物料的粘聚性。
（5）发尘性法:
将物料放在直径为9cm,长为2.5m的垂直管道中下落，经一定时间后，测量其沉降量。
粘聚性大的物料发尘性小，沉降量大。
取发尘性大的花粉的发尘性为100%，其他物料用相对值表示之。
（6）断裂法:
先将物料放在圆筒内压实成圆柱状，再以水平方向将圆柱慢慢推出。
当推到某一长度时，由于自重而断裂。
用下落物料柱的质量与圆筒断面积之比表示物料的粘聚性。
6.1.3散粒体的变形与抗剪强度
1散粒体的变形
散粒体的变形包括结构变形和弹塑性变形两种基本形态。
结构变形指颗粒问的相互位移，是不可能恢复的，带有断裂性质，即不是连续函数;
弹塑性变形是指颗粒本身的可恢复和不可恢复的变形。
弹塑性变形在每个颗粒所占据的体积范围内是连续的。
一般情况下，弹塑性变形是非线性的。
散粒体在刚性容器内加压试验时，体积改变量与加载的压力有关。
这种试验，称为无侧向膨胀压缩试验。
在这种条件下，散粒体表面上的压力导致颗粒问的孔隙率减小，使散粒体压得更为紧密，但这种压缩变形过程是不可逆的。
如图6一11所示，小麦在无侧向膨胀压缩时，加载曲线与卸载曲线不重合，而是在卸载曲线上面通过。
当重复加载时，卸载后观测到滞后现象。
因而重复加载曲线与前一次卸载曲线不重合，形成滞回圈。
散体颗粒彼此的接触不是沿着它们的整个表面，而是点接触。
因此，即使散粒体的平均压力不太大，接触点处的实际应力己大到塑性变形的程度。
接触点数目越多，散粒体的抵抗变形的能力越大，即在该力作用下的变形越小。
接触点的数目随力的大小而变化。
压力增大时，散粒体颗粒之问原有的联系被破坏，孔隙率减小，接触点数目增加。
当散粒体结构发生不同形式的破坏时，接触点的数目随之改变。
散粒体相对变形增量de与压应力增量dσ间的普遍形式为:
（6-2）
式中，L——表征散粒体刚度的值;
e——相对变形;
σc——初始压应力;
σs——极限承载强度;
σ——加在散粒体上的压应力；
m、n——指数。
（6-3）
式中，εc——相当于压应力σc的初始孔隙比；
ε—相当于任意压应力σ的孔隙比。
经过多次加载和卸载循环以后，散粒体的结构变形趋于稳定。
根据式〔6-2）求得散粒体的变形模量E为
（6-4）
从式（6一4）可以看出，散粒体的变形模量不是一个常数，而是一个可变量。
根据压力和变形形式，它在零到无穷大之间变化。
2散粒体的抗剪强度
从散粒体抗剪强度试验（图6一3）得到，散粒体的剪切力等于内摩擦力与粘聚力之和，即
因此，散粒体的抗剪强度为：
（6-5）
式中，σ——垂直于剪切面的压应力;
σ＇——换算法向压应力；
σ０——粘性压应力，又称张应力。
图6-12为τs一σ应力曲线。
由此可知，散粒体的强度因素由压应力σ，内摩擦因数fi和单位粘聚力Fc组成。
6.1.4离析
粒径差值大且重度不同的散粒混合物料，在给料、排料或振动时，粗粒和细粒以及密度大和密度小的会产生分离。
这种现象称为离析，又称偏析。
在给料和排料过程中出现离析现象，使粒度失去均一性，产生质量不合格的产品。
但振动筛选过程中的离析现象，则有助于达到筛选的目的。
容易引起离析的散粒体，多数是流动性好的物料。
根据离析的机理，离析可分为附着离析、填充离析和滚落离析三种形态（图6一13）。
附着离析是在沉降时粗细粒分离。
此时，微细的粒子在壁面上附着很厚的一层。
由于振动和其他外力作用，这个层可能引起剥落，从而产生粒度不均匀的粉体。
特别是沉降速度和布朗运动速度相等，粒径又在几个微米以下的微粒以及带静电的微粒，这种离析的倾向更强。
填充离析[图6一13（b）]是在倾斜状堆积层移动时产生的。
这时充填状态下的粗粒子会有筛分作用，小粒子从间隙中漏出而被分离出来。
若粒子的填充状态较密，微粒直径是大粒子直径的（起筛子作用的粒子）1/10以下时，微粒才可以漏出。
但填充疏松时，很大的粒子也会下流而被分出。
滚落离析[图6一13（c）]的原因是粒子的形状不同和滚动摩擦状态不同。
装料时，颗粒的运动只发生在物料锥体的表面上。
如为粉体，只有厚度为2一3个颗粒直径的一层物料处于运动之中。
物料的运动是滚动运动，小颗粒会落到大颗粒的孔隙中。
一般来说，大颗粒比微细颗粒的滚动摩擦因数小，大部分滚落到料斗壁面附近，而微细粒子则留在中心位置。
供料速度越小，物料的流动性越大和粒度分布范围越广时，离析现象越严重。
离析主要是由物料的特性决定的，如粒度分布、颗粒形状、密度、表面特征、光滑性、体积质量、流动性、休止角、粘聚力、密度分布等。
间接影响离析程度的有料斗直径、排料口直径、料斗边壁倾斜度、装料高度、壁面摩擦因数、料斗形状、装料位置、装料方法、卸料点和卸料方法等。
降低离析程度的办法有:
尽量使颗粒均匀，采用整体流动，尽可能避免形成料堆，采用多点下料和阻尼下料等办法。
.2散粒体食品的流动特性
6.2.1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。
6.2.2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很多，最著名的是布朗一理查德理论和克瓦毕尔理论。
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。
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
（6-7）
式中，d——排料口直径。
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。
由于物料的物理性质不同，形成的流动过程也不一样。
料仓内散粒体受重力作用的流动情况如图6一16所示，有两种流动形态，即整体流和漏斗流（又称中心流）。
漏斗流只有中央部分的物料流出，上部物料由于崩溃也可能流出。
漏斗流流动时，先进的料后流出去。
整体流流动时，无论中心部分还是靠壁处的物料都充分滑动，和液体流动相似。
整体流时，先进的料先流出去，因而较少离（偏）析现象。
为使料仓内的流动为整体流动型，可采用内插锥体法和流动判定图。
内插锥体法是在料斗中加入锥体。
6.2.3散粒体的流动函数
对散粒体进行剪切强度试验时。
如果先加预压实载荷FQ1,于散粒体表面，然后将FQ1除去。
再加小于FQ1的垂直载荷FN1，测得剪断时的剪切力FT1；
加FN2测出FT2；
依次类推，就可得到一组屈服轨迹线。
将屈服轨迹线各终点连接起来，可得到一条稳定流动线。
稳定流动线的倾角δ＇，表示在不同预压实状态下散粒体的破坏条件。
如果散粒体的应力状态在稳定流动线以下，散粒体都不会产生剪切流。
设在一个筒壁无摩擦的理想刚性圆筒内，装入散粒体。
以预压实载荷FQ1压实，散粒体的预压实应力为σl，然后轻轻取去圆筒，不加任何侧向支撑，即σ3＝0，这时散粒体可能出现如图6一19所示的两种情况。
一为保持圆柱原形，一为崩溃后以休止角呈山形。
对于保持原形的圆柱体，须施加一定的载荷FQC以克服散粒体在一定预压实状态下的表面强度σc，散粒体才会崩溃。
σc称为散粒体的无围限屈服强度。
在图6一19（c）的情况下，σc=0。
散粒体的无围限屈服强度σc与预压实应力σ1之间的关系，称为流动函数FF，以式（6一8）表示。
（6-8）
要得到散粒体的流动函数，须用几种预压实载荷进行剪切试验，以得出σ1和σc值绘成曲线图〔图6一20）。
料斗本身的流动条件或流动性用流动因素ff表示
（6-9）
式中，σa——散粒体结成稳定拱的最小拱内应力。
ff值越小，料斗的流动条件越好。
对于一定形状的料斗，存在一条流动因素临界线，如果散粒体的流动函数曲线在这条临界线下方，则散粒体的强度不足以支持成拱，不会产生流动中断。
这条临界线称为料斗的临界流动因素。
流动函数FF是由散粒体本身的性质所决定，而流动因素ff则由散粒体性质和料斗的几何形状、壁面特性等因素确定。
表6一6列出了流动函数与流动性的关系。
6.2.4落粒拱的形式
加料过程中，由于粒子之间和粒子与容器之间的摩擦、粘附和粘聚而形成落粒拱。
对于粗大粒子来说，摩擦是成拱的最基本而且是必要的条件。
例如对于有棱角的粗大粒子或大块物料，颗粒之间的摩擦力较大。
此时，如果容器壁面比较粗糙，则摩擦严重，会产生如图6一22（a）所示的成拱形式；
如果加上壁面倾角太小，或粒子的勤附性大，则产生如图6一22（b）所示形式；
更严重时，则形成如图6一22（c）形式。
图6一22（a）是由于排料口附近粒子相互支撑或咬合形成拱架，可采用加大孔口或强迫振动来解决。
图6一22（b）是物料在料斗的角锥部积存而形成的。
粉体物料由于压力、吸湿或化学反应等原因，会相互勤结成大块，产生如图中的成拱形式。
这种形式较难解决。
图6一22（c）是物料在排料口上部垂直地下落，形成洞穴状，常见于粒子间有勤聚性的细粉。
图6一22（d）是物料附着在料斗的圆锥部表面，常见于壁面倾角过小和对壁面有较强附着性或勤聚性的粉体物料。
6.2.5防止成拱的办法
成拱现象非常复杂，目前，尚不能从根本上解决落粒拱间题。
防止成拱的办法主要有下列几种。
（1）加大排料口。
例如，可将淀粉等物料的料斗做成直筒形结构；
（2）尽量使料斗内壁光滑；
（3）加大壁面倾角。
原则上倾角必须大于休止角；
（4）将料斗做成非对称形[图6-23（a）,（b）,（c）]形式。
成拱现象的原因，主要是物料受力后形成稳定的静止层。
因此，如将料斗底部做成左右非对称形，可有效地破坏物料的受力平衡；
（5）在料斗内加入纵向隔板以形成左右非对称性[图6一23（d）]；
（6）在料斗中悬吊链条[图6一23（e）]；
（7）在排料口上方插入锥体[图6一23（f）]，以减小排料口承受物料的压力；
（8）将壁面做成抛物线形的曲面[图6一23（g）]，以使物料顺利滑落；
（9）采用条形卸料器[图6一23（h）]；
（10）安装振动器；
（11）吹入压缩空气，使物料流态化。
发生在加料和卸料期间。
仓壁应力至少受三种状态的影响:
初始加料状态、流动状态以及从初始加料到流动的转换状态，这己为当前大多数研究工作者所接受，每种状态分述如下。
6.3散粒体应力分析
6.3.1初始加料状态
当料仓或料斗刚开始加料时，物料受落差压力的作用在垂直或接近于垂直方向上的压缩，水平变形很小，因此对于整体流料仓和料斗，最大主应力的方向假设为沿着这条近于垂直的方向，形成的应力场称之为积极应力场或峰值应力场，如图6一24（a）所示。
当物料慢慢下沉时，沿着仓壁发生滑移，并产生摩擦应力。
6.3.2流动状态
打开出口闸门后，颗粒就在流动通道内运动，流动通道向下朝着出u处收缩。
为了流动，颗粒必须按滑动通道的形状扩展并在横向收缩，这样应力场就要重新分布，最大主应力作用在近于水平的方向上，形成的应力场称之为消极应力场或起拱应力场，如图6一24（b）所示。
6.3.3转换状态
Nanninger观察到在积极应力场和消极应力场的过渡面上，质量的平衡要求产生一个超压。
1enike和Johanson以及Walters假定装满物料的料仓在没有任何物料排出的情况下，料仓的流动一开始就会形成一个大的瞬间转变应力。
积极应力场是在加料时产生的，当卸料开始时，正好处于出口上方的物料由于没有支撑就向下扩展，在这一区段形成一个消极应力场。
扩展继续时，四个应力场之间的接触面迅速向上移动到某一位置，也就是流动通进与料仓垂直部分相交的位置。
整体流料仓中的这一位置将是料斗与垂直部分之间的过渡段，而在漏斗流料仓中该位置可能不与仓壁相交。
但是如果相交，将在垂直圆筒上的某个位置并定义为“有效过渡段”。
整体流料仓转换期间，将转换而达到某个位置的应力状态近似地表示在图6一24（b）上。
在转换面以下，应力处于消极状态（动态），而料斗壁的应力比其上面的积极应力状态要小。
在两个应力场之间的过渡段，物料不再受下面流动物料的支托，而力的平衡导致转换区产生一个附加应力〔或称“超压”）。
整体流料仓中的仓壁应力比漏斗流料仓中的要高。
因为漏斗流料仓中有一个不与仓壁相交的流动通道，不流动的物料把仓壁与这些应力隔开。
由于物料层的
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