- 文献综述（或调研报告）：
料仓内的散体颗粒流动系统是由无数细小的离散固体组成的复杂系统。其屈服时具有流体的特性，而在静止时则保持原有固体的特性。由大量离散颗粒组成的散体物质同时具有类液体和类固体的性质，是“软物质”的典型代表。其在日常生活中是大量存在的，如粮仓中粮食的存储，粉末冶金中粉体的喂料以及输配煤的过程。
对于颗粒物质的研究始于十八世纪当时重点研究的是土壤以及谷物堆积的过程。法国物理学家库伦首先提出了颗粒屈服运动所遵循的摩擦定律。其中、c、、分别表示材料的切应力、粘附力、正应力和内摩擦角。十九世纪英国科学家杨森在研究粮仓存储时发现了著名的粮仓效应，即当粮仓堆积的高度是粮仓底部直径的两倍时粮仓底部所受的压强不再受堆积高度的增加而变化。进入二十世纪，对于料斗内的颗粒流动的研究越发重要，W.A.Beverloo提出的计算漏斗流量的公式得到了广泛的应用。
随着现代计算机计技术的发展用过计算科学研究颗粒流动已经广为科学界所接受。对于颗粒物质的研究根据研究对象的不同可以分为连续介质法以及离散颗粒法。前者假设物质的特性无论在时间或空间位置上均是一个连续函数,物质可以无限分割而不失去任何固有的特性,也就是不考虑物质的粒子特性,用集总模型定量地描述整体物料的特性。该方法是流体力学的外延，通过流体力学中的N-S方程及固体力学中的原则建立数学模型。这种方法并不复杂但由于颗粒流动本身不符合连续介质假说，而且在实际过程中颗粒物质的流动是复杂的，实际上利用研究连续流动的方法来研究颗粒物质的流动是一种简化计算的方法因此其结果往往是经验性的、不完整的需要对其的结论性范围进行说明。离散颗粒法对于颗粒流动的模拟仅依赖于各个粒子的性质以及相互的作用，现阶段的模拟主要采用两种模型：硬球模型、软球模型。硬球模型将固体颗粒机之间的碰撞当做是即时的，且在碰撞的过程中不会发生变形，对于碰撞的能量耗散由弹性恢复系数及摩擦系数所确定，硬球模型的优点是在低浓度的颗粒流动中仿真得到的结果较为精确。软球模型是将颗粒考虑为力学中的经典模型即弹簧阻尼模型进行仿真。这样，应用牛顿第二定力可以对每个颗粒建立起力学模型通过控制方程组的联合求解可以求得每个颗粒的运动特性。软球模型的优势是在高浓度下仿真的效果较优。值得一体式在浓度过高的情况下，比如流动死区中两种模型的计算结果都不尽人意，因此急需一种新的方法来满足计算的要求。
随着工业的发展料仓中颗粒流动的过程越来越多研究这一过程的需求也越来越迫切，国内外诸多科研团队都致力于弄清以及改善料仓内的颗粒流动过程。广西大学的陈庆发[1]通过实验的方式等研究了柔性隔离层下的漏斗散体流规律。得到了散体流动的流态变化规律以及空腔的形成与散体层曲线的始终相切的关系。中煤科工集团的王倩[2]等研究了漏斗尺寸形状对于颗粒流动的影响，提出了拥有等截面收缩率的双曲线漏斗能够有效防止漏斗颗粒流中堵塞的形成，并且推到了双曲线漏斗方程、切线角及等截面收缩率的计算方程，并运用到实际工程中去，使得煤仓的设计更加合理科学。东南大学能源与环境学院的He Tao[3]等运用离散单元法研究了粒状颗粒在矩形漏斗中的流动特性。通过实验证实并与球状的颗粒的流动特性相比较得出了对于粒装的颗粒其速度分布更加陡凸，其空隙率剖面随横向距离的波动越来越小同时还研究了料斗出口尺寸对于料仓内粒状颗粒流动的影响，为建立一种更贴合颗粒流动实际的模型作出了积极地贡献。中南大学的程亮[4]系统的研究了颗粒材料流经漏斗的动力学特征，重点探讨了漏斗流的流率与压力之间的关系，以及流出漏斗后颗粒自由下落的不稳定性等问题。得出了筒仓卸料过程中的动态颗粒具有类似于静态颗粒的应力饱和的效应；流经漏斗的颗粒自由下落中出现的不稳定性与剪切带的形成以及颗粒介质剪切膨胀效应有关。并提出瓶颈效应的原因是由于存在压力饱和效应，可以采用二级漏斗对瓶颈效应进行遏制。西安建筑科技大学的李志[5]运用数值仿真的方法研究湿颗粒在料仓中的流动状态。提出了湿颗粒间的液桥模型及其计算的方法。并为了减少计算机仿真的时间对已有的窗口法进行改进提出了区域法的概念。发现对于物料流动，小颗粒含水量增加下料会变得越发困难严重时导致结拱下料停止。对于颗粒较大的流动，含水率的增加先使得物料的下落变得容易，只有当含水量达到某一值时才会对物料的流动产生阻碍作用。丹麦的K. Lindemann 和 P. Dimon[6]重点关注了漏斗的形状以及是否处于振动状态对单层小球流动以及阻塞形成的影响。提出振动虽然可以打破阻塞但也会使得漏斗颗粒的流动变得不稳定因此对生产过程产生不良的影响。
虽然上述团队都对于颗粒流动有不同的见解和贡献但对于实际生产料仓中的颗粒流动特性更待进一步的关注和研究。
参考文献
- Chen Q F, Chen Q L, Zhong J Y, et al. Flow pattern of granular ore rock in a single funnel under a flexible isolation layer[J]. Chinese Journal of Engineering,2016.
- 王倩, 郑光军, 梁霏飞,等. 煤仓系统中双曲线漏斗方程的研究与应用[J]. 煤炭技术, 2014, 33(4):149-151.
[3] He T, Jin B, Zhong W, et al. Discrete element method modeling of non-spherical granular flow in rectangular hopper[J]. Chemical Engineering amp; Processing Process Intensification, 2010, 49(2):151-158.
[4] 程亮. 颗粒材料流经漏斗的动力学特征研究[D]. 中南大学, 2012..4
[5] 李志. 料仓中湿颗粒流动规律的数值仿真与试验研究[D]. 西安建筑科技大学, 2003.
[6] Lindemann K, Dimon P. Two-dimensional granular flow in a vibrated small-angle funnel[J]. Physical Review E Statistical Physics Plasmas Fluids amp; Related Interdisciplinary Topics, 2000, 62(4 Pt B):5420.
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