研究水平旋转鼓内尺寸双分散颗粒流中轴向分离动态的过程

《Journal of Food Engineering》：Study of axial segregation dynamics in size-bidisperse granular flows within a horizontal rotating drum

　　本研究系统探究了水平旋转 drums 中填充度与混合物组成比例对轴向分离行为的影响。通过高分辨率成像和定量分析发现，低填充度与高小颗粒比例条件下形成明显轴向分层，分离指数趋近于1，带宽较宽；而高填充度或低小颗粒比例时分层结构弱或消失。研究建立了填充度-小颗粒比例相图，可有效预测分离模式

　　这项研究围绕水平旋转鼓中的轴向分离现象展开，重点分析了填充度和混合物组成这两个关键参数对分离行为的影响。通过系统实验，研究人员利用高分辨率图像捕捉了双色颗粒在系统中的空间分布，并据此量化了分离指数、动态休止角、带宽以及轴向浓度分布。实验结果表明，填充度和混合物组成在很大程度上决定了分离的表现形式。在低填充度和高小颗粒比例的情况下，形成了明显界定的轴向带，分离指数接近于1，同时带宽相对较宽。相反，当填充度较高或小颗粒比例较低时，形成的带结构则较为微弱，甚至无法出现。此外，还观察到一种超薄的边界层，其组成取决于实验条件，可能包含较多的小颗粒或大颗粒，从而影响分离模式。通过将研究结果绘制在填充度与小颗粒比例的相图上，可以有效地预测和识别系统是否表现出均匀混合、单一中心带或阶梯状交替带等不同的分离模式。

颗粒材料在工业中占据重要地位，仅次于水，广泛存在于各种中间和最终产品中。它们不仅在自然现象中扮演关键角色，如雪崩、泥石流和沉积物运输，也在工业过程中频繁出现，如制药、食品加工、矿物处理、冶金以及现代能源应用如碳捕集和生物质转化。由于颗粒材料的多样性，涉及双颗粒或多元颗粒混合的工艺不可避免地会遇到分离问题。颗粒尺寸差异是导致分离的主要原因之一，小颗粒可以通过由大颗粒形成的空隙向下渗透，这种现象被称为巴西坚果效应。此外，密度差异也会引发浮力效应，使得轻质颗粒与重质颗粒分离。颗粒的形状和机械特性差异则可能引发剪切诱导迁移，进一步加剧分离现象。非理想工业粉末，如形状不规则或表面粗糙的颗粒，其分离行为在之前的研究中也有所探讨。

旋转鼓作为一种广泛应用的设备，其使用范围涵盖了从制药到食品加工，再到矿物处理、冶金以及现代能源应用等多个领域。旋转鼓能够实现高效的混合、造粒、包衣、干燥和热处理。其优势包括机械结构简单、可扩展性强、对物料处理温和、能够确保均匀混合，并增强热质量和能量传递。尽管旋转鼓在工业中应用广泛，但其内部流动过程仍然高度复杂。根据操作条件，可以识别出六种不同的流动模式，每种模式具有独特的颗粒轨迹、剪切速率分布和速度曲线，从而导致不同的分离机制。此外，鼓的特性，如形状、直径、旋转速度和填充度，都会显著改变流动场和分离的程度。其中，填充度尤为重要，因为即使是微小的变化，也可能会对传输特性和分离行为产生明显影响。因此，填充度成为许多研究的重点，旨在预测和优化旋转鼓的性能。

在旋转鼓中，颗粒尺寸差异是导致两种主要分离模式的关键因素。在短鼓中，可以观察到径向分离现象，即小颗粒通过由大颗粒形成的空隙向下沉降并聚集在鼓的中心区域，而大颗粒则集中在鼓的外围。这种现象在之前的研究中已有描述。而在长鼓中，另一种显著的分离形式——轴向分离则出现，其特征是沿着鼓轴形成不同尺寸颗粒的交替带。轴向分离的出现需要径向分离作为前提条件。因此，轴向分离的形成更加复杂，其演化过程也更难以预测。已有研究表明，在滚动模式下，不同颗粒尺寸之间的动态休止角差异会导致床层表面高度的轴向变化，这种高度变化在重力作用下使得颗粒同时发生轴向和径向的滚动，从而增强带结构的形成。同时，由于随机颗粒碰撞产生的扩散效应，浓度梯度会被平滑，从而抵消分离的发展。方向性漂移与非方向性扩散之间的相互作用最终决定了轴向带的清晰度、稳定性及其长期演化。

虽然许多关于双颗粒混合物的分离研究通常考虑的是等体积比例的情况，但在实际工业操作中，这种情况并不常见。工业过程通常采用比例不等的混合物，而这些混合物的比例会对工艺结果产生重要影响。混合物的组成在反应器中对床层的流动性和热传递性能具有决定性作用，同时在制药造粒过程中对产品稳定性也有显著影响。之前关于旋转鼓中轴向分离的研究大多集中在等体积混合物上，而对比例不等的混合物的影响尚未深入探讨。此外，填充度和混合物组成对分离动力学的联合影响也缺乏系统的分析。因此，本研究重点探讨了填充度与大颗粒和小颗粒相对比例之间的相互作用如何影响水平旋转鼓中的轴向分离。我们分析了带结构的形成、带宽、轴向浓度分布以及动态休止角，旨在识别决定带结构模式选择的条件。

实验过程采用了一套完整的实验装置，包括旋转鼓、速度控制系统、光源和多摄像头采集系统。旋转鼓为水平结构，其长度为300毫米，内径为150毫米，鼓长与鼓径的比例为2。鼓体由10毫米厚的有机玻璃制成，通过与底板同轴安装，并借助轴承连接到伺服电机和齿轮组。所有实验中，旋转速度均设定为15转每分钟，对应的弗劳德数（Fr = Rω2/g）为1.88。该实验条件有助于系统地研究不同填充度和混合物比例对分离行为的影响。通过调整填充度和小颗粒比例，研究人员能够观察到不同类型的轴向分离现象，并记录其发展过程。

实验结果部分展示了在不同实验条件下获得的代表性终端图像，这些图像揭示了径向和轴向的表面分离模式。图像记录于600次旋转之后，以确保充分的流动和分离。在高填充度的情况下，分离现象表现出不同的特征，例如带结构的形成变得更加明显，或者在某些条件下，带结构甚至完全消失。这种现象表明，填充度对分离行为具有决定性影响，其变化会显著改变颗粒的运动模式和分布状态。同时，小颗粒比例的调整也会影响分离的表现形式，例如在低小颗粒比例的情况下，分离指数可能下降，而带宽也可能变窄。这些结果为理解填充度和混合物组成如何共同影响轴向分离提供了重要依据。

此外，研究人员还观察到一种特殊的边界层现象，该边界层的组成取决于实验条件，可能富含小颗粒或大颗粒。这种边界层的存在对分离模式的形成具有重要作用，尤其是在填充度较低或混合物比例发生变化的情况下。边界层的形成和演化过程与颗粒的运动行为密切相关，其厚度和稳定性可能影响带结构的清晰度和持续时间。通过对边界层的观察和分析，研究人员能够更全面地理解轴向分离的复杂机制。

为了进一步验证这些现象，研究人员采用定量指标对分离行为进行了系统分析。通过高分辨率图像，他们能够准确捕捉颗粒的分布情况，并据此计算分离指数、动态休止角、带宽和轴向浓度分布。这些指标不仅能够描述分离的强度，还能反映分离的动态过程。例如，分离指数的数值越高，表明颗粒的分离程度越明显，而动态休止角的变化则反映了颗粒在鼓内的运动状态。带宽的测量有助于理解分离结构的宽度和稳定性，而轴向浓度分布则揭示了颗粒在鼓内的分布模式。这些定量分析为识别不同条件下的分离模式提供了有力支持。

通过将实验结果与填充度和小颗粒比例的关系进行映射，研究人员能够构建一个有效的相图，用于预测和识别系统是否表现出均匀混合、单一中心带或阶梯状交替带等不同的分离模式。相图不仅提供了理论依据，还为实际工业应用提供了指导。例如，在某些工业过程中，控制填充度和混合物比例可以实现更高效的分离，从而提高产品质量和工艺效率。同时，理解这些参数如何影响分离行为，也有助于优化旋转鼓的设计和操作条件，以满足不同工艺需求。

本研究的结论表明，填充度和混合物组成对轴向分离行为具有深远影响。通过实验和定量分析，研究人员揭示了这些参数如何共同作用于带结构的形成、演化和稳定性。实验结果表明，填充度的变化能够显著影响颗粒的运动模式和分布状态，而混合物比例的调整则决定了分离行为的具体表现形式。例如，在低填充度和高小颗粒比例的情况下，分离行为更加明显，而带结构也更加稳定。相反，在高填充度和低小颗粒比例的情况下，分离行为可能变得微弱，甚至无法出现。这种现象表明，填充度和混合物组成在很大程度上决定了分离模式的选择。

此外，本研究还揭示了分离过程中方向性漂移与非方向性扩散之间的相互作用。方向性漂移主要由颗粒的运动趋势驱动，而非方向性扩散则由随机碰撞引起的颗粒运动导致。这两种机制的相互作用决定了轴向带的清晰度、稳定性和长期演化。例如，在某些条件下，方向性漂移可能主导分离过程，从而形成清晰的带结构；而在其他条件下，非方向性扩散可能起主要作用，从而使得带结构变得模糊或不稳定。这种动态平衡为理解分离行为的复杂性提供了新的视角。

通过这些研究，研究人员不仅能够更深入地理解轴向分离的机制，还能够为工业应用提供理论支持。例如，在制药和食品加工过程中，控制填充度和混合物比例可以实现更高效的分离，从而提高产品质量和工艺效率。在矿物处理和冶金过程中，优化这些参数可以改善颗粒的流动性和分离行为，从而提高生产效率和产品均匀性。此外，在现代能源应用如碳捕集和生物质转化过程中，控制这些参数有助于实现更有效的颗粒分离，从而提高能量利用效率和资源回收率。

总之，这项研究为理解填充度和混合物组成如何共同影响轴向分离行为提供了重要的实验依据和理论支持。通过系统的实验分析和定量研究，研究人员揭示了这些参数在不同条件下的作用机制，并构建了一个有效的相图，用于预测和识别分离模式。这些发现不仅有助于优化旋转鼓的设计和操作条件，还为工业应用提供了重要的指导，从而提高产品质量、工艺效率和资源利用率。同时，研究还强调了控制分离行为在工业中的重要性，为传统制造和新兴能源技术的发展提供了新的思路。