振动与气流共同作用下的双组分颗粒分布特性研究

双组份或宽分布颗粒在振动颗粒床中会出现大颗粒上浮的所谓"巴西果（分离）现象"，在流化床中会出现大颗粒沉积的"反巴西果（分离）现象"。如果在振动床中通入低于床层临界流化速度的气流，使床层处于非流态化或临界流态化，颗粒受到振动和气流共同作用，其分布会表现出不同于无气源振动床和流化床中的分布规律，也即存在一个两种颗粒分离现象之间的过渡区域。如果将这一过渡区域应用于气固床中，可能会有效的解决气固床操作中的均匀性（分布均匀性、停留时间均匀性、处理质量均匀性以及进出料均匀性等）问题。本申请项目以这一过渡区域为研究对象，实验研究这一区域存在的条件，参数分布范围，双组份颗粒的运动及分布（分离）规律，操作参数、颗粒物性对颗粒运动和分布的影响。并基于非平衡态热力学和耗散结构理论，研究分离过渡区域存在的条件或范围（稳定性条件或判据），揭示分离的物理机理。

对颗粒系统在不同激励条件下的对流形式及分布形态的研究对于工业、农业生产都有着重要的应用前景，本项目通过建立三维颗粒取样装置和图像分析软件，研究了振动激励、振动与气流共同作用下二维与三维床中颗粒的对流与分布状况，获得了颗粒体系对流运动形式、和分离相图。研究发现，振动激励下的二维床中，颗粒对流卷个数、方向以及强度对振动频率有较强的依赖性；三维床中，在低频率（f）和低振动强度（Γ）下，观察到巴西果相、巴西果混合过渡相、反巴西果混合过渡相、反巴西果相四种稳定相；较高的f和Γ时颗粒系统呈现震荡态；在振动与气流双重激励下的三维床中，较低或较高气流速度（u/umf<0.40或u/umf>0.73）时，增大Γ使颗粒系统向巴西果分离转变的倾向先强后弱，而0.40≤u/umf≤0.73范围内，巴西果分离转变倾向先弱后强。.通过实验与理论模拟研究，探究了振动系统中能量的传递与耗散，建立了颗粒系统能量耗散模型和混合熵变方程，系统研究了多组分颗粒系统中耗散能的分配以及混合熵的变化，发现无论何种振动振幅和频率，床层能量耗散速率沿床高方向总是降低；颗粒系统总耗散越大，颗粒获得的可形成对流的能量越小，小颗粒的上升运动与大颗粒向下运动被抑制，颗粒系统越倾向于BN分布。.此外，进行了竖直振动和水平旋转共同激励下颗粒体系的对流与分布的研究，观察到床层水平方向上的“蝴蝶分布”，获得了颗粒系统三维分布与分离模式的影响规律，发现垂直振动与水平旋转共同激励下可以达到更好的分离效果。.在项目进行中我们发现了振动条件下竖直管中颗粒逆重力填充的新现象，并进行了系统研究，获得了Γ、f等因素对颗粒逆重力填充特性影响的规律及相图。建立了颗粒提升理论模型，发现“逆重力填充”现象是颗粒与颗粒、颗粒与间隙气体之间相互作用的结果。.结合基础理论研究成果，开展了与相关实用技术结合的应用研究，包括1）分子筛吸附空气纯化过程工艺三分子筛流程的节能效果研究；2）振动、机械搅拌和气流共同作用下超细粉体的团聚性能研究；3）超细硅粉和非晶氮化硅粉在高温下的加速诱导晶化机理研究。.本项目在国内外重要学术刊物发表论文18篇，其中国际期刊10篇（2篇JCR一区，5篇JCR二区，3篇JCR三区），中文期刊1篇，单篇最高影响因子3.909，总影响因子27.58, 申请国家发明专利1项。