泵内大颗粒固液两相流流动试验

为了研究泵内大粒径球形颗粒运动规律,该研究以一台单级单吸悬臂式离心泵作为研究对象,采用高速摄影试验测试的方法对大粒径球形颗粒在固液两相流泵内的运动轨迹、通过性能以及颗粒与隔舌的碰撞规律进行了研究。测试结果表明:不同粒径的球形颗粒在泵内的轨迹变化规律相似,在叶轮进口处均有向叶片背面运动的趋势,而在运动过程中又逐渐脱离叶片背面,向下一叶片工作面靠近;泵内不同粒径颗粒运动趋势基本相同,但相对运动轨迹长度有所改变;粒径为8 mm和10 mm时颗粒平均过泵时间相对于粒径为6 mm时分别下降了15.15%和11.03%。颗粒体积分数对泵内对颗粒运动轨迹的影响较小,不同体积分数下泵内颗粒的运动轨迹基本重合;体积分数为3%和5%时颗粒平均过泵时间相比体积分数1%时分别上升了4.38%和3.21%。颗粒体积分数为1%、3%和5%时,颗粒与隔舌的碰撞的概率分别为0.5%,0.69%和0.9%;颗粒粒径为6 mm,8 mm和10 mm时颗粒与隔舌发生碰撞的概率分别为0.69%,0.63%和0.55%。研究结果可为运输大颗粒两相流泵的结构设计和防磨损研究提供参考。     

颗粒尺寸对螺旋加料机定量加料性能的影响

为提高螺旋加料机定量加料性能,开展颗粒尺寸对加料量稳定性和准确性的影响研究。以粒径3~5 mm的球形谷物颗粒单圈加料约40 g螺旋加料机为研究对象,基于软球模型,通过对螺旋加料过程颗粒物料力链及颗粒群运动分析,建立具有分料装置的螺旋加料机离散元仿真模型;应用PFC3D(particle flow code in 3dimensions)软件对粒径3、4及5 mm颗粒物料进行螺旋加料过程仿真分析,并以粒径3、4及5mm的球形散珠为试验对象,进行颗粒运动和定量加料试验。综合分析得到:随着球形颗粒粒径的逐步减小,最大接触力逐渐减小,力链分布愈均匀浓密,颗粒间运动的一致性得到提高,物料混合运动趋势逐步减弱,定量加料的稳定性和准确性逐步提高。粒径3 mm球形散珠螺旋加料转动60°,平均加料量为6.477 g,加料量标准差为0.537,加料量最大相对误差为±0.153%。     

滴灌用水力旋流器中颗粒分离的数值模拟

针对滴灌用水力旋流器,采用高浓度混合多相流模型并结合雷诺应力模型和颗粒动力学理论对其内部颗粒体积浓度分布和分离效率进行了数值模拟。模拟首先得到了水力旋流器内不同粒径颗粒浓度分布情况和分离效果,对于小粒径颗粒主要集中在内旋流区域,分离效率较差,而大粒径颗粒集中在外旋流区域,分离效率较高;对于颗粒分离效率,混合多相流模型和欧拉多相流模型的计算结果基本一致;最后分析了旋流器进口速度和浓度变化对颗粒分离效率的影响。计算结果表明,混合多相流模型可用于水力旋流器内高浓度多相流的数值模拟,对滴灌用水力旋流器的选择和结构优化设计具有重要的指导意义。     

狭缝型分布板流化床提高核桃壳颗粒的流化效果

为了提高Geldart D类大颗粒物料在流化床中的流化效果,该文设计了一种结构简单的狭缝型气体分布板,进行了核桃壳颗粒(2~2.8 mm)的流态化试验,结果表明狭缝型分布板比传统多孔分布板提高床层膨胀率约5%,降低最小流化速率约8%。在欧拉-欧拉法的双流体模型和颗粒动力学理论基础上,建立流化床内气固两相流的数学模型并对模型进行验证,模拟值与试验值的误差在8%以内。利用数学模型对2种分布板流化床内大颗粒流化过程进行数值模拟,比较了2种分布板结构对流化床内床层压降、床层膨胀率、颗粒相体积分数及气固两相的流化速度的影响。模拟结果表明:狭缝型分布板的"V"型气流通道结构,使得气流易于集束向上运动,形成大气泡对床层造成扰动,从而增大床层压降波动幅度,提高床层膨胀率,并在流化床内形成4个小环流,促进气体相和颗粒相之间的混合,使得核桃壳颗粒流化均匀。该研究为大颗粒物料处理过程中流化床分布板的设计和选用提供参考。     

黄土颗粒分离方法试验研究

以延安新区I期工程的马兰黄土为研究对象,分别采用筛分法、离心机法和静水沉降法对其进行颗粒分离试验,并利用激光粒度仪对3种分离方法的试验结果进行跟踪对比,以研究最适用于黄土颗粒的分离方法。结果表明:筛分法主要适用于粒径大于0.05mm的黄土颗粒的分离,对粒径小于0.05mm的黄土颗粒分离效果较差,筛分结果的可靠性偏低。离心机法由于自身的局限性且受影响因素较多,试验结果的可靠性较低;静水沉降法主要适用于粒径小于0.05mm的黄土颗粒的分离,颗粒分级效果显著,试验结果的可靠性较高,且试验精度满足要求,但对于粒径小于0.002mm的颗粒分离时间较长。通过3种试验方法的对比可知,在对黄土进行颗粒分离试验时,宜采用筛分—沉降相结合的分离方法,对于大于0.05mm的颗粒宜采用筛分,对于小于0.05mm的颗粒宜采用静水沉降法。     

贯流式谷物清选装置气固两相流数值模拟与试验

为解决现有谷物风选装置存在的流场不均匀、宽度受限等问题,该文设计了一种以贯流风机作为风源的贯流式谷物清选装置。基于气相K-ε湍流模型和颗粒离散相模型,对清选室内气固两相流特征进行数值模拟计算。通过建立气相数学模型和边界条件模拟气体流动,同时利用双向耦合拉格朗日法追踪颗粒,得到了气相速度分布和颗粒相的运动轨迹。计算结果表明清选室内的气流场存在一定的水平分层现象,具体表现为靠近清选室上下壁板附近流速低、中部流速高,但在层内流场分布平稳,没有明显涡流产生,而且谷物中不同组分颗粒在清选室内的运动轨迹有很大差异。最后,在自制的贯流式谷物清选试验台上采用高速摄像技术拍摄了谷物在清选室内的运动轨迹,验证了数值模拟结果,表明该贯流式清选装置可有效分离脱出谷物的不同成分。     

迷宫流道滴头内流场和颗粒运动的不同湍流模型数值模拟

为更好研究迷宫流道滴头的内流场水力性能和颗粒运动特性,该文采用k-ε模型和Eulerian-Lagrangian两相流模型进行了一系列数值研究。首先,通过3种湍流模型(标准k-ε、RNG k-ε与Realizable k-ε)预测迷宫流道滴头水力特性并与喻黎明等(2009)的试验结果对比分析,标准k-ε模型更适合于模拟迷宫流道滴头的内流场,与PIV试验数据相比,水力性能曲线平均模拟误差仅为2.32%。然后,基于Lagrangian的颗粒离散相模型,数值研究了齿形迷宫流道内不同密度和直径的单个颗粒运动轨迹及运动特性,并与喻黎明等(2009)的相关试验数据比较,结果表明,考虑了重力、浮力、虚拟质量力和曳力的随机轨道模型能够更加准确地模拟颗粒在迷宫流道内的运动,与PIV试验数据相比,颗粒运动速度后平均模拟误差仅为2.34%。颗粒直径变化较密度变化对颗粒运动影响大,随着颗粒直径或密度增大,颗粒运动速度减小,颗粒速度变化幅值大小依次为:速度极小值、平均速度、速度极大值,随着颗粒粒径增大,流经漩涡区时颗粒速度减小较大,颗粒的运动跟随性变差,颗粒在惯性力的作用下沉积在流道拐角内侧的漩涡区,由此可能造成迷宫流道堵塞。同时,以上对比分析表明,相关两相流模型和数值方法可很好预测滴头内部固液两相流动,可为滴头抗堵塞设计提供参考。     

基于粒子图像测速仪的微小流道内固体颗粒运动规律的实验研究

为了解迷宫流道内固体颗粒的运动规律,提高灌水器的抗堵塞能力,采用粒子图像测速仪(particle image velocimetry,PIV)对不同直径和不同密度的固体颗粒在迷宫流道内的运动规律进行了实验观测。结果表明,根据颗粒的运动轨迹线可知齿形流道内水流在各齿尖做类似于正弦波的运动,靠近齿尖处形成主流区,靠近齿底处形成漩涡区;直径小(65mm)或密度低(1 740kg/m3)的颗粒跟随性比较好,颗粒直径或密度越大,运动越紊乱,出现的最小极值速度越低,越容易进入漩涡区并最终可能导致堵塞;与固体颗粒直径相比,颗粒密度对运动轨迹、路程和速度的影响较小。     

三种泥沙扩散系数模型对双吸离心泵内固液两相流流场计算的影响

作为模拟双吸离心泵内固液两相流的一种常用方法,欧拉-欧拉法中的泥沙扩散系数常通过多种模型进行计算。为选择适宜的泥沙扩散系数模型进而提高固液两相流数值计算的精度,该研究采用3种常见泥沙扩散系数模型Non-diffusion coefficient model（NON-DC）;Diffusion-in-volume of fluid model（Diffusion-in-VOF）;Diffusion coefficient affected by particle diameter and particle concentration model （DC-PDPC）,在25、100和200 μm 3种含沙粒径和不同流量(0.6和1.0倍额定流量)条件下,对双吸离心泵内固液两相流场进行数值模拟,分析其对泵内固相浓度和固相速度的定常和非定常结果的影响。结果表明：1）当颗粒粒径不大于100 μm时,3种模型计算得到的双吸离心泵内固液两相流的固相浓度和速度定常结果基本相同;当颗粒粒径大于100 μm时,定常结果有所差异,随着颗粒粒径的增大,差异逐渐增大,差别最大可达60%。2）在不同颗粒粒径的条件下,采用3种模型得到的固液两相流场的固相浓度和速度非定常结果差异较大,且随着颗粒粒径的增大,差异逐渐增大,差别最大可达30%。含沙颗粒粒径不大于100 μm时,3种模型得到的定常结果基本相同;而大于100 μm时,定常结果差异较大;同样地,在不同含沙粒径条件下的非定常计算结果也差异较大,需要选择合适的泥沙扩散系数模型。3）定常计算时,当颗粒粒径不大于100 μm时,推荐NON-DC模型;随着颗粒粒径的增大,推荐使用DC-PDPC模型;当非定常计算时,推荐使用DC-PDPC模型。研究为准确地进行离心泵内固液两相流数值计算提供参考。     

平底筒仓中心卸料流态演化过程及仓壁压力波动性

卸料时的仓壁压力是筒仓结构设计的关键,仓内物料的流动状态(流态)是影响卸料压力分布的关键。为了探究物料流态的演化过程和发生机理以及由此引发的仓壁压力分布情况,该研究采用自主设计的半圆柱形有机玻璃筒仓模型进行筒仓中心卸料试验和离散元(discrete element method, DEM)模拟分析。筒仓壁嵌入定制压力计,贮料为平均粒径3.5 mm的陶球,在测量仓壁压力分布的同时实时观测贮料内部和外部的流动过程。通过标定颗粒追踪贮料运动轨迹。通过PFC^2D建立离散元数值模型,分析卸料过程中贮料的力链网络、速度矢量和孔隙率变化,探讨颗粒的运动机制和颗粒体系的传力方式。基于模型试验和数值模拟结果,根据颗粒物质力学、土力学和散体力学基本原理,从宏观和细观层面分析流态的演化过程和发生机理以及仓壁压力波动性规律,明确仓壁压力和流态的关系。结果表明：卸料瞬间(卸料率0～1%),强力链断裂导致孔隙率增大(由卸料前的0.150 43～0.200 30增至卸料瞬间的0.151 36～0.232 23),各测点仓壁压力骤增,P2测点(深度0.4 m)的增幅最大,达到1.94;卸料时贮料...     

饲料原料粉体流动特性预测模型

为了研究不同贮藏期大豆分离蛋白（soy protein isolate,SPI）对千页豆腐品质的影响,该文首先研究了贮藏期对大豆分离蛋白结构的影响,进而探讨贮藏期对大豆蛋白制备千页豆腐的品质的影响。对不同贮藏期的大豆蛋白分别采用了凝胶质构特性、感官评价、羰基含量、大豆蛋白亚基以及巯基的测定,并采用拉曼光谱对大豆蛋白二级结构、二硫键构型以及侧链结构进行了分析,同时采用扫描电镜观察千页豆腐的微结构。结果表明：随着贮藏期的延长,千页豆腐的感官评价变差,由88分降低至44分;其凝胶网络结构逐渐疏松;大豆蛋白羰基含量逐渐上升;巯基含量逐渐下降;二级结构含量改变;凝胶硬度呈下降趋势,硬度值低于234 g时,将无法达到千页豆腐的质量要求。这表明在贮藏期内SPI发生了氧化,导致大豆蛋白质结构发生改变,使其凝胶性质下降。     

筛片参数优化对饲料粉碎机筛分效率的影响

传统锤片式粉碎机普遍存在着筛分效率低于粉碎效率的问题,为了寻求提高粉碎机的筛分效率的途径,该文通过试验台试验与颗粒动力学仿真相结合的方法,通过研究粉碎机筛片的结构参数和分离装置内的气流速度对筛分效率之间的影响规律,揭示物料的透筛机理。通过试验台试验发现:随着气流速度的增大,筛分效率呈先高后低的趋势;筛孔形状和筛片安装角度对筛分效率的影响较大;筛孔的排列方式对筛分效率的影响较小。利用颗粒动力学仿真软件EDEM-FLUENT对颗粒筛分过程进行模拟仿真,模拟结果与试验结果基本吻合,二者的相对误差不超过4%,结果显示:气流速度为6~15 m/s时,物料透筛效率呈先逐渐增大后又逐渐降低的趋势;筛片安装角度在20~70°范围内,最佳筛片安装角度为35~45°;在筛片开孔率相同的情况下,长方孔的筛分效率最高,圆孔的筛分效率最低。研究认为:在多种组合中,气流速度为12.37 m/s,筛片安装角度为40°的长方形的T型筛孔的筛分效率最高。     

Drying and Grinding Characteristics of Four‐Day‐Germinated and Crushed Wheat: A Novel Approach for Producing Sprouted Flour

The purpose of this study was to examine the drying and grinding characteristics of sprouted and crushed wheat. The four‐day‐germinated wheat kernels were crushed, dried, and ground in a micro hammer mill. The drying kinetics of sprouts were best described by the Page and two‐factor models. The crushing of wheat sprouts before drying decreased the drying time by about half. Sprouting and crushing of wheat sprouts have a significant influence on the grinding process, both on the particle size distribution and on the grinding energy requirements. It was observed that the ground sprouts showed significantly lower values of average particle size compared with the samples of sound kernels. Sprouting caused an increase in the amount of fine particles (<0.2 mm) and a decrease in the mass fraction of coarse particles (>1.0 mm). All values of grinding indices showed that sprouting and crushing significantly reduced the grinding energy requirements. Moreover, sprouting significantly increased the total phenolics content (from 26 to 31%) and antioxidant activity (from 33 to 72%) of wheat kernels. The results showed that sprouting and crushing of sprouts followed by their drying and grinding may provide a practical method for preparing sprouted flour.     

辐照协同甲酸分离油茶壳中纤维素、木质素和木糖的工艺研究

为了提高油菜壳木质纤维素分离效率,本试验以油茶壳为原料,研究不同辐照剂量(0、200、400、600、800 kGy)处理后其粉碎能耗、粒度分布和化学组分的变化,同时开展辐照协同甲酸分离油茶壳木质纤维素的工艺研究。结果表明,辐照处理后油茶壳粉碎能耗降低,粉碎后细颗粒样品所占比例增加,经400 kGy剂量辐照处理的油茶壳粉碎能耗比对照节约43.59%,800 kGy剂量辐照处理的油茶壳粉碎后粒径<0.075 mm的颗粒占比达到41.38%。辐照处理后油茶壳木质纤维素发生降解,水溶性组分、水溶性单糖、聚糖含量均增加。辐照协同甲酸分离油茶壳纤维素、木质素和木糖的最佳工艺为:辐照剂量400 kGy,反应温度100℃,反应时间3 h,在此条件下分离获得的油茶壳纤维素、木质素、木糖的提取率分别为89.94%、47.74%和96.37%,纤维素和木质素纯度分别为45.05%和91.92%。本研究结果对油茶壳木质纤维素全组分的高效分离和应用具有重要意义。     

射流三通产生的脉冲波对灌水器水力与抗堵塞特性的影响

该文应用CFD两相流模拟与水力试验相结合的方法,研究射流三通产生的脉冲水流对灌水器流道水力性能和抗堵塞性能的影响。进行射流三通水力性能试验,获取其脉冲参数(振幅、周期),用以生成波动压力,为数值模拟提供参考;对比射流三通、普通三通下定制灌水器出口流量的模拟值与实测值,验证模拟方法的可行性;数值模拟研究不同时刻脉冲条件下含沙量在流道的分布情况和不同密度、不同粒径颗粒的运动路径及速度变化。结果表明,射流三通产生的波形与同参数正弦波波形类似,可由正弦波代替射流三通波进行模拟。射流三通波形压力和恒压下的流量的实测值与模拟值之间的相对误差在7%以内;脉冲条件下灌水器流道的主流区和漩涡区都具有脉冲性能。脉冲条件下流道最大含沙量低于恒压条件下的22%。同一密度不同粒径条件下,恒压条件高于脉冲水流下颗粒路径的1.21%~26.9%,同一粒径不同密度条件下,恒压高于脉冲水流条件颗粒路径的3.25%~9.6%。综上,射流三通产生的脉冲波能够提高水流的挟沙能力和抗堵塞性能。     

旋流排沙渠道排沙特性试验

旋流排沙渠道是基于旋转水流的特点提出的一种水沙分离新技术,为明确不同来流条件对旋流排沙渠道排沙特性的影响,该研究通过物理模型试验探究了来流流量、来流流速、泥沙级配及下游渠道水力条件下旋流排沙渠道的排沙、余沙及淤沙特性,分析了其截沙率变化规律。结果表明,当来流条件改变时,旋流排沙渠道的排沙特性发生规律性变化,在来流流量增加或流速增加或来沙中值粒径减小情况下,旋流排沙渠道的排沙量减小,余沙量增加,其中改变来流流量对截沙率的影响最为明显,最大变幅为16.3%。不同水沙条件下0.075～0.315 mm细颗粒泥沙的排沙量及余沙量均存在较大差异,且下游渠道余沙均以该粒径区间的泥沙为主,而粒径>0.315～3.0 mm泥沙的排除效果受水沙条件改变的影响极小。排沙洞内泥沙淤沙量随来流量和泥沙中值粒径的增加而增加,而随流速的增加而减少,但各水沙条件下最大淤沙量仅为来沙量的2.6%。在渠道下游设置挡水板后,旋流排沙渠道的排沙性能得到进一步提升,提高了粒径>0.16～0.315 mm泥沙的排除效果,与不设挡水板相比截沙率增加了4.6个百分点,也改善了排沙洞内的泥沙淤积问题。旋流排沙渠道具有良好的泥沙分选效果,能有效排除高含沙水流中的粗颗粒泥沙（在不同水沙条件下最小截沙率为76.9%）,从而减少了泥沙对渠道下游设施的影响,因此工程中可通过优化流量、流速、下游水力条件等提升旋流排沙渠道的排沙特性。研究明确了不同水沙条件下旋流排沙渠道的适用性,成果可为其在工程中的设计和应用提供参考。     

揉碎机揉碎机理分析及锤片结构优化

为了提高揉碎机性能,实现物料的高能效揉碎。该文首先分别从喂入、切碎、揉搓3方面深入阐述了锤片本身结构及其激励下揉碎机内流场变化对高效揉碎的影响机制。通过在理论上丰富锤片结构参数对揉碎性能影响,提出锤片倾角作为新的结构参数,及倾角锤片设计原理。运用计算流体力学方法分别讨论了无倾角与倾角8°的锤片激励下内流场变化规律,对锤片倾角与高效能揉碎之间相关性加以验证。结果表明,具有倾角锤片可以通过对气流场调节实现高能效揉碎,仿真结果与验证实验结果误差不超过7%。该研究为揉碎机锤片参数优化提供了新思路,为实现高效揉碎提供了理论依据。     

森林枯落物影响花岗岩风化沙粒起动流速研究

运用室内水槽实验方法，对无粘性均匀花岗岩沙粒的起动流速和马尾松林枯落物对其起动流速的影响进行了研究，结果表明：沙粒起动流速与沙粒平均粒径、坡度和枯落物量之．间存在明显的幂函数关系，枯落物与苔藓组合层对沙粒起动流速的影响比仅枯落物层时更明显。粒径大于２．０ｍｍ的沙粒当有枯落物覆盖时，即使在３５°的坡度条件下也很难起动。