霍 楓，常 穎，陸曉霞，劉英莉，李 聰，鮑邵衡

(國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102205)

危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏事故的有效處置手段多樣，其中非常重要的一種方法是通過(guò)噴撒洗消劑來(lái)消除染毒體和污染區(qū)的毒性危害，該方法不僅可以近距離對(duì)污染地面進(jìn)行洗消，還可以通過(guò)投放洗消彈的方式對(duì)遠(yuǎn)距離污染區(qū)域進(jìn)行大面積洗消。在處置過(guò)程中，洗消劑的成分及作用方式都會(huì)對(duì)洗消效果起到關(guān)鍵作用。其中粉體洗消劑因具有較大的比表面積以及對(duì)有毒化學(xué)品具有較高的吸附-反應(yīng)能力而受到廣泛關(guān)注[1]。粉體洗消劑的使用方式是預(yù)先將粉體壓縮后裝填于洗消彈的料筒內(nèi)，洗消彈被投擲到污染區(qū)后，利用氣流推噴方式將內(nèi)部粉體噴出，布撒并覆蓋危險(xiǎn)化學(xué)品表面使其發(fā)生反應(yīng)從而失去危害性。為加強(qiáng)洗消效果，可以采用提高洗消彈料筒內(nèi)粉體濃度，控制裝量精度和均勻性的方法，以達(dá)到增大粉體與危險(xiǎn)化學(xué)品反應(yīng)量的目的。

為減小粉體裝填過(guò)程揚(yáng)塵導(dǎo)致環(huán)境污染等問(wèn)題，常穎等[2]提出了利用離心方式進(jìn)行粉體氣固分離從而提高壓縮度的新方法。該方法的工作原理如下：在主軸的帶動(dòng)下，裝有粉體的料筒隨著吊杯高速旋轉(zhuǎn)。在離心力作用下，料筒從豎直狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)，內(nèi)部的粉體顆粒在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生擠壓，重新排列，向料筒底部進(jìn)行壓縮，趨向并附著于筒體底部形成具有一定密度的產(chǎn)品。

粉體顆粒具有傳統(tǒng)氣-固-液態(tài)物質(zhì)所不具備的獨(dú)特性質(zhì)，如離散性、非線(xiàn)性響應(yīng)、自我組織性、高耗散性、力鏈不均勻等性質(zhì)，但由于顆粒體系的復(fù)雜性，對(duì)顆粒物質(zhì)的有關(guān)研究目前仍處于起步階段[3-4]。對(duì)于粉體裝填與壓縮過(guò)程，已有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研究，但相關(guān)機(jī)理尚未得到充分研究[5-6]。離心壓縮作為一種新的粉體壓縮方式，其壓縮效果的影響因素也尚未得到充分研究，并且壓坯的密度分布對(duì)后續(xù)分散有著重要影響。目前常用的實(shí)驗(yàn)手段難以獲得粉體在壓縮過(guò)程中的密度變化，現(xiàn)有的能夠獲得粉體柱詳細(xì)信息的非入侵式實(shí)驗(yàn)方法是通過(guò)X射線(xiàn)或γ射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描，但由于其花費(fèi)巨大、過(guò)程復(fù)雜，很少被應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中[7]，因此需要借助數(shù)值模擬方法對(duì)離心壓縮過(guò)程中的粉體密度變化進(jìn)行研究。

由于離散元法(discrete element method,DEM)適用對(duì)象的離散性與粉體顆粒高度匹配，因此離散單元法已在粉體研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。Gao等[8]應(yīng)用離散單元法針對(duì)藥物粉體壓縮過(guò)程進(jìn)行了模擬，建立了一種定量關(guān)聯(lián)離散元藥物粉體壓縮行為的新方法。Thakur等[9]使用離散單元法模擬了粉體在粉體測(cè)試儀中的堆積、壓縮和結(jié)塊行為，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中的壓縮與流動(dòng)特征相吻合。為了研究離散單元法對(duì)受限顆粒床壓縮過(guò)程模擬的準(zhǔn)確程度，Persson等[10]進(jìn)行了顆粒床壓縮的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。已有研究結(jié)果表明，離散單元法適用于模擬粉體的小變形情況，對(duì)大變形情況并不適用[11]。受粉體洗消劑后續(xù)分散使用條件的制約，需要對(duì)粉體洗消劑進(jìn)行低壓壓縮，并不需要其完全致密化，顆粒間更多發(fā)生的是微小形變，因此離散單元法適用于對(duì)粉體洗消劑的離心壓縮過(guò)程進(jìn)行模擬，并且國(guó)內(nèi)外針對(duì)顆粒離心壓縮的實(shí)驗(yàn)、仿真及數(shù)據(jù)分析的有關(guān)研究較少，為促進(jìn)離心壓縮在粉體洗消劑裝填及分散過(guò)程的高效應(yīng)用，亟需開(kāi)展相關(guān)方面研究。

1 離散元法基本原理

離散元法作為一種新的數(shù)值模擬方法研究對(duì)象主要針對(duì)非連續(xù)介質(zhì)，最初由Cundall等[12]提出，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是根據(jù)顆粒間的實(shí)際接觸情況建立相對(duì)應(yīng)的接觸模型。根據(jù)顆粒的受力情況和相對(duì)位移，計(jì)算得到作用于顆粒間的接觸力，再由牛頓第二定律獲取顆粒的加速度[13]，因此選取合適的模型、參數(shù)，可以不斷重復(fù)上述過(guò)程，更新單元的空間信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒體系實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬。

由于二氧化硅顆粒與粉體洗消劑的密度、彈性模量相似，便于模擬粉體洗消劑的壓縮及后續(xù)分散過(guò)程，因此本文中選用二氧化硅球形顆粒作為粉體洗消劑的替代研究對(duì)象，對(duì)其離心壓縮過(guò)程進(jìn)行模擬。由于二氧化硅顆粒球形度較高、表面光滑，采用Hertz-Mindlin接觸模型描述顆粒間的相互作用。圖1為顆粒a(小實(shí)線(xiàn)圓)和b(大實(shí)線(xiàn)圓)接觸時(shí)的受力示意圖。在外力作用下，顆粒b從原有位置點(diǎn)B運(yùn)動(dòng)至顆粒b′(大虛線(xiàn)圓)位置點(diǎn)B′處，在接觸點(diǎn)C與C′間會(huì)發(fā)生微小形變。該模型通過(guò)顆粒間的微小重疊量描述顆粒間的相互作用，通過(guò)引入彈簧與阻尼器描述顆粒碰撞所引起的接觸力和阻尼力。

圖1 顆粒接觸時(shí)的受力示意圖Fig.1 Force schematic diagram of particles in contact

在Hertz-Mindlin接觸模型中，法向力Fn通過(guò)法向重疊量δn計(jì)算得到，即

(1)

式中：E*、R*分別為等效彈性模量和等效接觸半徑。切向力Ft則通過(guò)引入切向剛度及切向重疊量δt計(jì)算：

Ft=-Stδt。

(2)

式中St為切向剛度。

(3)

(4)

其中

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：Sn為法向剛度；m*為等效質(zhì)量；vn為法向速度；vt為切向速度；G*為等效剪切模量；e為顆粒的恢復(fù)系數(shù)；Ea、va、Ra、Ga、ma和Eb、vb、Rb、Gb、mb分別為顆粒a和顆粒b的楊氏模量、泊松比、半徑、剪切模量以及質(zhì)量。

此外，顆粒在接觸過(guò)程中還會(huì)受到由切向力導(dǎo)致的滾動(dòng)摩擦，通過(guò)引入力矩τ進(jìn)行描述，即

τ=-μFnRω,

(12)

式中：μ為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；R為顆粒半徑；ω為顆粒接觸處角速度。

2 實(shí)驗(yàn)

材料選用粒徑為0.4～0.5 mm的二氧化硅球形顆粒。利用電子天平(精度為0.001 g)稱(chēng)取質(zhì)量為30 g的二氧化硅顆粒置于容器內(nèi)，再利用玻璃漏斗全部倒入內(nèi)徑為23 mm、高度為95 mm、壁厚為1.5 mm的聚丙烯(PP)平底料筒內(nèi)，再緩慢提高玻璃漏斗至全部顆粒流入料筒內(nèi)。使用Hite700型測(cè)高儀(瑞士TESA公司，精度為0.000 1 mm)測(cè)量料筒內(nèi)的二氧化硅顆粒堆積高度。將料筒放入非標(biāo)離心機(jī)(實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì))中，在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的條件下進(jìn)行離心壓縮，60 s后取出，再使用測(cè)高儀對(duì)離心壓縮后的二氧化硅顆粒堆積高度進(jìn)行測(cè)量。由于二氧化硅顆粒的堆積過(guò)程具有一定隨機(jī)性并且離心壓縮后顆粒高度并不水平，為減小誤差，選取沿徑向上2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。為獲得精密度較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用Q檢驗(yàn)法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 粉體顆粒離心壓縮前、后兩側(cè)高度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值Tab..1 Experimental measured values of height of powder particles on both sides before and after centrifugal compression mm

表2 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)Tab..2 Data validation with Q-test

通過(guò)查Q值表，在置信度為90%、測(cè)量10次的情況下，Q=0.41。10組數(shù)據(jù)的Q值均小于0.41，故無(wú)異常值。

3 仿真

3.1 粉體顆粒離心壓縮仿真

應(yīng)用離散元軟件仿照實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)離心壓縮過(guò)程進(jìn)行模擬。為減小計(jì)算量，選擇對(duì)單一粒徑的球形顆粒進(jìn)行模擬，生成粒徑為0.45 mm、總質(zhì)量為30 g的球形顆粒，通過(guò)有關(guān)文獻(xiàn)[14-17]獲得仿真所需參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 粉體顆粒離心壓縮仿真參數(shù)設(shè)置Tab..3 Setting of simulation parameters for centrifugal compression of powder particles

模擬過(guò)程按照離心機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)分為以下3個(gè)階段。1)階段I(0～0.1 s)。在內(nèi)徑為13 mm、高為95 mm的料筒內(nèi)靜態(tài)生成質(zhì)量為30 g的顆粒。2)階段II(0.1～4 s)。料筒從豎直狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，開(kāi)始進(jìn)行離心壓縮。3)階段III(4～4.8 s)。離心壓縮結(jié)束，料筒從水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)。仿真過(guò)程如圖2所示。

圖2 粉體顆粒離心壓縮仿真過(guò)程Fig.2 Simulation process of centrifugal compression on powder particles

(a)自然堆積 (b)壓縮后圖3 粒徑為0.45 mm的顆粒壓縮前、后兩側(cè)高度Fig.3 Height on both sides of 0.45 mm particles before and after centrifugal compression

3.2 離心壓縮粉體顆粒密度變化

在上述模擬基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)顆粒堆積階段(0.1 s)、離心壓縮階段(4 s)、壓縮結(jié)束轉(zhuǎn)至豎直階段(4.8 s)粉體柱各區(qū)域的密度數(shù)據(jù)，并應(yīng)用Matlab軟件繪制了如圖4所示的縱剖面密度分布云圖。由于粉體柱上表面并非平整界面，故統(tǒng)計(jì)范圍選為從料筒底部至粉體柱上表面最低點(diǎn)。

當(dāng)顆粒堆積完成后，粉體柱有最大高度；隨著離心壓縮的進(jìn)行，粉體柱高度不斷減小，在壓縮剛結(jié)束時(shí)，高度減至最小，約為50 mm。之后料筒在水平狀態(tài)變?yōu)樨Q直狀態(tài)過(guò)程中，由于離心力變小，會(huì)導(dǎo)致一部分顆粒發(fā)生回彈并且在粉體柱上端有小部分顆粒發(fā)生滑移現(xiàn)象，類(lèi)似于圖2(b)中的情形，造成粉體柱高度有一定回升，上表面最低點(diǎn)從50 mm回升至52 mm。從密度分布圖中可以看出，無(wú)論是局部最高密度還是平均密度，均為壓縮剛結(jié)束時(shí)最大(如圖4(b)所示)，但即使經(jīng)豎直操作并短暫放置，粉體發(fā)生回彈，其最終密度(如圖4(c)所示)仍大幅大于初始密度(如圖4(a)所示)。在圖4(c)中左上部分密度降低正是由顆粒在從水平狀態(tài)轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)時(shí)發(fā)生滑移所造成的。離心壓縮時(shí)，在離心力的作用下，顆粒間堆積十分緊密，具有穩(wěn)定的力鏈結(jié)構(gòu)，顆粒間相互作用較強(qiáng)，其間產(chǎn)生的摩擦足以對(duì)抗顆粒的重力作用，顆粒不發(fā)生顯著滑移；但隨著離心轉(zhuǎn)速逐漸降低，顆粒間相互作用也隨離心力減小而減小，部分粉體顆粒在重力作用下產(chǎn)生滑移，原有的穩(wěn)定力鏈體系被打破，該部分顆粒重新變?yōu)樗缮顟B(tài)，導(dǎo)致局部密度減小。

(a)0.1 s顆粒堆積階段(b)4 s離心壓縮階段(c)4.8 s轉(zhuǎn)至豎直階段圖4 不同階段時(shí)的離心壓縮密度分布云圖Fig.4 Density distribution of centrifugal compression in different stages

3.3 壓縮方式對(duì)密度分布的影響

離心壓縮與傳統(tǒng)的單向高速液壓壓制相比，主要區(qū)別在于主導(dǎo)顆粒壓實(shí)的力不同。離心壓縮是全體顆粒受到離心力作用，其中距離旋轉(zhuǎn)軸心較遠(yuǎn)的顆粒即容器底部顆粒受力更大；而單向液壓壓制條件下，顆粒受到由上而下的壓力作用，顆粒間成拱效應(yīng)使得上層的壓力可能不能完全傳導(dǎo)至下層，導(dǎo)致顆粒上層受力大而下層受力小。受力情況的不同導(dǎo)致顆粒密度分布存在一定區(qū)別。

圖5(a)為離心壓縮結(jié)束時(shí)的密度分布等高線(xiàn)圖。從圖中可以看出，壓縮后粉體柱的密度分布主要呈現(xiàn)以下規(guī)律：1)沿料筒徑向密度基本呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布；2)料筒中部密度分布較為均勻，所占比例較大；3)料筒底部中下位置密度最大，密度呈現(xiàn)向四周逐漸減小趨勢(shì)并在四角處密度最小。圖5(b)為對(duì)鐵粉進(jìn)行單向液壓壓制所得到的密度分布等高線(xiàn)圖。文獻(xiàn)[18-19]指出其密度分布主要呈現(xiàn)規(guī)律如下：

(a)離心壓縮(b)單向液壓壓制[18]圖5 不同壓縮方式時(shí)的密度分布等高線(xiàn)圖Fig.5 Density distribution contour with different compression modes

1)從上到下密度減?。?)中上部分密度最大，其他部分次之，下端兩角最??；3)左右密度呈對(duì)稱(chēng)分布。

與傳統(tǒng)的單向液壓壓制相比，離心壓縮的粉體柱密度分布規(guī)律具有一定特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在密度最大部分主要集中在料筒底部位置，料筒底部以及壁面附近都存在一定的密度梯度，并且料筒中部密度所占比例較大；而單向液壓壓制密度最大部分主要位于模具的中上位置，軸向密度變化主要體現(xiàn)在壓坯底部。

3.4 粒徑對(duì)密度分布的影響

為了研究顆粒粒徑對(duì)離心壓縮過(guò)程中密度分布的影響，選用直徑為0.45、0.9 mm的顆粒與混合顆粒(直徑為0.45、0.9 mm顆粒的等質(zhì)量混合，每種顆粒各占混合后顆粒質(zhì)量的50%)3類(lèi)球形粉體顆粒進(jìn)行離心壓縮模擬，生成顆粒質(zhì)量均為30 g，參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。對(duì)離心壓縮結(jié)束(4 s)時(shí)的密度分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到3種顆粒的密度分布見(jiàn)圖7。從圖中可以看出，壓縮后的粉體密度分布規(guī)律與之前總結(jié)的規(guī)律大致相同，但當(dāng)所模擬的顆粒粒徑發(fā)生變化時(shí)，其密度變化也存在一些明顯差異，主要表現(xiàn)在密度分布及密度大小上。

對(duì)比圖6(a)、(b)可以看出，隨著顆粒粒徑的減小，粉體柱密度呈現(xiàn)整體增加趨勢(shì)并且圖6(b)中間位置的密度分布相對(duì)均勻。分析認(rèn)為，在體積固定的情況下粒徑越小的顆粒越容易發(fā)生顆粒間的重排，而離心壓縮過(guò)程又促進(jìn)了顆粒間的重排，使得小顆粒更容易填充原有的空隙，導(dǎo)致其密度分布相對(duì)均勻，并且壓縮后小顆粒間的排布會(huì)更加緊密，因此其壓縮后的密度也更大。從圖6(c)可以看出，壓縮后的混合顆粒密度顯著增加，不僅中部區(qū)域密度值較大而且高密度區(qū)域面積也更大。較圖6(a)、(b)，圖6(c)中的粉體柱在底頂部距離為5～35 mm區(qū)域軸向密度變化較小，整體而言密度變化相對(duì)均勻，但是其中局部區(qū)域間密度存在一定差異。分析認(rèn)為與混合顆粒體系中大小顆粒的排布方式有關(guān)。在混合顆粒體系中，當(dāng)小顆粒占主導(dǎo)地位時(shí)，小顆粒環(huán)繞少量大顆粒，形成類(lèi)似于嚙合結(jié)構(gòu)的顆粒聚集體，如圖7(a)所示。該類(lèi)顆粒結(jié)構(gòu)間存在的楔入效應(yīng)隨離心壓縮的作用而減弱，趨近于實(shí)心材料并具有更大的密度[20]。當(dāng)大顆粒占主導(dǎo)地位時(shí)，小顆粒填充于大顆粒之間，如圖7(b)所示，但受尺寸因素影響顆粒之間仍會(huì)存在一定間隙，計(jì)算可得在固定體積情況下小顆粒占主導(dǎo)地位的顆粒聚集體具有更大的密度。圖8所示為粉體柱截面，從圖中能夠清楚地觀(guān)察到，在混合顆粒體系中存在許多類(lèi)似的顆粒結(jié)構(gòu)。該截面中以小顆粒為主的顆粒結(jié)構(gòu)用紅圈標(biāo)出，以大顆粒為主的顆粒結(jié)構(gòu)黑圈標(biāo)出，還有許多類(lèi)似結(jié)構(gòu)并未全部標(biāo)出。

(a)0.9 mm的顆粒(b)0.45 mm的顆粒(c)0.9 mm與0.45 mm的顆粒的混合顆粒圖6 不同顆粒粒徑時(shí)的密度分布圖Fig.6 Diagram of density distribution of particles with different sizes

(a)小顆粒為主導(dǎo)(b)大顆粒為主導(dǎo)圖7 顆粒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of particle structure

圖8 粉體柱截面Fig.8 Section of powder column

通過(guò)上述對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在離心壓縮實(shí)驗(yàn)中，改變顆粒粒徑在一定程度上影響壓縮后的粉體柱密度及其密度分布。在其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)減小顆粒粒徑使得壓縮后的粉體柱密度增大，密度分布均勻。同時(shí)，如果適當(dāng)添加部分小顆粒，不僅可以大幅增大壓縮密度，還能使得壓縮后的粉體柱密度分布更加均勻，并增大粉體柱內(nèi)的高密度區(qū)域面積。

3.5 粉體層密度隨時(shí)間的變化

為了進(jìn)一步分析離心壓縮過(guò)程中粉體柱各位置的密度變化情況，在料筒內(nèi)部分別選取2個(gè)位置進(jìn)行密度統(tǒng)計(jì)。選取的研究對(duì)象為2個(gè)直徑為23 mm、高度為5 mm的顆粒層。其中心分別位于距離粉體柱底部2.5、17.5 mm處。在模擬過(guò)程中，對(duì)2個(gè)顆粒層的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，從而得到顆粒生成階段至離心壓縮結(jié)束(0～4 s)粉體顆粒層的密度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖9。其中底部顆粒層密度變化為黑色曲線(xiàn)，中間顆粒層密度變化為紅色曲線(xiàn)。從圖中可以看出，在離心壓縮過(guò)程中粉體顆粒密度隨時(shí)間變化具有明顯規(guī)律性，即在離心壓縮過(guò)程中粉體顆粒密度隨時(shí)間具有先迅速增加，之后趨于固定值的變化趨勢(shì)。分析認(rèn)為，在離心壓縮開(kāi)始階段，粉體顆粒處于自然堆積狀態(tài)，此時(shí)顆粒體系內(nèi)存在較大空隙。隨著料筒開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，自然堆積狀態(tài)下的顆粒穩(wěn)定體系被打破，顆粒間開(kāi)始進(jìn)行重新排列，導(dǎo)致原有的空隙被迅速填充，該階段為粉體顆粒密度隨時(shí)間變化而迅速增加的階段；隨著壓縮的繼續(xù)進(jìn)行，粉體顆粒體系變得密實(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度后，粉體顆粒體系內(nèi)形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使得粉體顆粒密度趨于固定值。該現(xiàn)象與粉體壓縮過(guò)程第一階段的理論相吻合[21-22]，但由于離心壓縮過(guò)程為低壓壓縮，因此并不會(huì)導(dǎo)致顆粒發(fā)生大的形變。另外，在3條曲線(xiàn)的上升階段都出現(xiàn)了粉體柱密度突然減小的現(xiàn)象。原因是該現(xiàn)象與離心方式有關(guān)，在料筒從豎直狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)過(guò)程中，料筒內(nèi)粉體顆粒產(chǎn)生如圖2(b)所示的滑移現(xiàn)象，導(dǎo)致粉體堆積變得松散，密度突然減小。

從數(shù)值方面，對(duì)圖9中的曲線(xiàn)進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，顆粒按密度從大到小排列的次序?yàn)榛旌项w粒、直徑為0.45 mm的顆粒、直徑為0.9 mm的顆粒。該現(xiàn)象與Yohannes等[23]的結(jié)論相符。同時(shí)，在經(jīng)過(guò)離心壓縮后，料筒底部顆粒層與料筒中部顆粒層存在一定密度梯度，該梯度在圖9(a)、(b)中較為明顯，且二者差距不大，但在圖9(c)中該梯度并不明顯，即混合顆粒密度梯度小于單一顆粒密度梯度。這也從數(shù)值方面證明了相比于單一粒徑，混合顆粒底部與中部顆粒層密度梯度更小，密度分布更加均勻。

(a)0.9 mm的顆粒(b)0.45 mm的顆粒(c)0.9 mm、 0.45 mm混合后顆粒圖9 單位體積內(nèi)粉體密度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.9 Temporal evolution of per unit volume density of powder particles

4 結(jié)論

1)基于離散元法的粉體顆粒離心壓縮仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果誤差不大于5.82%，證明在合適的接觸模型和參數(shù)設(shè)置情況下，采用該方法進(jìn)行數(shù)值模擬合理、可靠，能夠?yàn)殡y以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的粉體柱密度及分布提供一種解決方法。

2)不同壓縮方式作用下粉體柱密度分布存在明顯不同。離心壓縮后粉體密度沿料筒軸向呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，料筒中部密度分布相對(duì)均勻且所占區(qū)域較大，料筒底部中下位置密度最大，密度總體呈現(xiàn)向四周減小的趨勢(shì)。

3)在離心壓縮中，減小顆粒粒徑有利于增大粉體柱密度，并使其分布更加均勻。適當(dāng)添加部分小顆粒，可以大幅增大壓縮后粉體柱密度及均勻性。

4)離心產(chǎn)生的單位體積粉體密度隨壓縮時(shí)間和轉(zhuǎn)速先迅速增大，之后趨于固定值。仿真數(shù)據(jù)解釋了隨著轉(zhuǎn)速增大，粉體顆粒經(jīng)歷了穩(wěn)定體系重建直至最終穩(wěn)定的過(guò)程。隨著離心轉(zhuǎn)速逐漸增大，料筒發(fā)生了垂直—水平—垂直運(yùn)動(dòng)方式的改變，頂部表面顆粒出現(xiàn)部分滑移。

通過(guò)對(duì)粉體顆粒離心壓縮的過(guò)程特征進(jìn)行分析，得出的以上結(jié)論為洗消彈內(nèi)粉體分散所需氣流力、氣流導(dǎo)入方向及結(jié)構(gòu)等研究提供了技術(shù)支撐。