基于阻抗自扰动抑制技术的超低载重型主动悬挂系统乘坐舒适性研究

《Results in Engineering》：Study on ride comfort of ultra-low heavy-duty active suspension based on impedance auto-disturbance rejection

二次雪崩与受困褶皱的分选机制研究。通过旋转鼓实验发现，当颗粒混合物流态从雪崩向滚动转变时，受困褶皱的分布模式从对数正态分布转为指数分布，且雪崩静止时间比例显著影响分选结构演化。引入无量纲参数α量化雪崩长度与褶皱位移关系，建立动态分选模型，揭示流态转变过程中颗粒分选强度（I）从0.69增至0.73的规律。该研究为理解颗粒两相流态转变机制提供了新视角。

　　### 二元粒度分离中的二次雪崩现象对分离的影响分析

在颗粒物质的研究中，粒度分离是一种常见的现象，其本质在于颗粒之间的物理特性差异，如尺寸、形状和密度等。这种分离现象在工业应用中尤为关键，例如水泥混合、制药生产和食品加工等领域。然而，目前对颗粒分离模式的研究大多集中在雪崩流动或连续流动状态，而对于这两种流动状态之间的过渡过程，其机制尚不完全清楚。本文旨在深入探讨二次雪崩对二元颗粒混合物分离结构的影响，并通过实验与理论模型相结合的方式，揭示其背后的物理机制。

#### 研究背景与意义

颗粒物质由大量离散的固体颗粒组成，其流动行为复杂多变，常表现出层状分离或条纹状分离等特征。在颗粒流动过程中，颗粒之间的相互作用决定了其运动状态和分布模式。当颗粒混合物在旋转筒中流动时，由于颗粒尺寸差异，细颗粒与粗颗粒在流动层中会表现出不同的运动特性，从而导致分离现象的发生。这种分离通常与颗粒的“倾角”有关，即颗粒在堆积过程中形成的静态结构所对应的倾角。

在一些研究中，学者们提出颗粒的“倾角”差异是导致条纹分离模式形成的关键因素。例如，Makse 等人发现，当细颗粒和粗颗粒的倾角存在差异时，细颗粒会向下层流动，而粗颗粒则倾向于堆积在上游区域，形成“楔形结构”或“褶皱”。这种结构的形成不仅与颗粒的倾角差异有关，还与颗粒的运动状态密切相关。当颗粒流动过程中，上游区域的颗粒堆积形成“褶皱”，会阻碍后续颗粒的流动，从而引发局部塌陷，形成二次雪崩。

在旋转筒实验中，由于颗粒的运动状态随旋转速度的变化而变化，因此二次雪崩的频率和颗粒分布模式也会随之改变。研究发现，随着旋转速度的增加，颗粒的流动性增强，二次雪崩的频率逐渐减少，而颗粒的堆积时间则相应延长。此外，颗粒的倾角也会发生变化，导致分离模式从雪崩状态向滚动状态过渡。这种过渡过程中的颗粒分布模式变化对于理解颗粒分离的机制具有重要意义。

#### 实验设计与方法

本研究采用了一种准二维旋转筒装置，其旋转速度由步进电机精确控制，从而模拟颗粒在实际工业系统中的流动状态。旋转筒的直径为 290 毫米，壁厚为 10 毫米，便于观察颗粒的动态行为。实验过程中，通过 CCD 摄像机和 LED 光源对颗粒流动进行图像采集，结合图像处理技术，对颗粒的倾角和褶皱位置进行测量。同时，实验中采用了两种不同粒径的颗粒：大颗粒直径为 3.0 毫米（误差 ±0.1 毫米），小颗粒直径为 1.0 毫米（误差 ±0.02 毫米），以模拟二元颗粒混合物的分离行为。

为了更准确地描述颗粒流动状态，本文引入了“弗劳德数”（Froude number）这一无量纲参数，用于分类颗粒流动模式。弗劳德数不仅反映了颗粒的运动速度，还与颗粒的粒径、旋转筒的直径以及重力加速度相关。通过调整旋转速度，可以观察到颗粒流动状态的变化，并据此分析分离模式的演变。

此外，为了量化颗粒分离的程度，本文定义了“分离强度”（segregation intensity）这一参数，用于衡量颗粒在流动层中的分布不均匀性。分离强度的计算基于颗粒浓度的方差和平均浓度之间的关系，其值介于 0（完全混合）与 1（完全分离）之间。实验中，通过图像处理技术，对颗粒的分布进行统计分析，从而获得分离强度的变化趋势。

#### 实验结果与分析

实验结果显示，颗粒分离模式随着旋转速度的变化呈现出明显的差异。在低速旋转条件下，颗粒的流动性较低，颗粒之间的相互作用较强，导致分离模式以“条纹”形式出现，即细颗粒在流动层中分布不均，形成明显的条纹结构。随着旋转速度的增加，颗粒的流动性增强，分离模式逐渐向“核心”形式转变，即细颗粒集中于流动层的中心区域，而粗颗粒则分布在流动层的外围。

进一步分析发现，二次雪崩的频率与旋转速度之间存在显著的负相关关系。当旋转速度较低时，颗粒的堆积时间较长，导致二次雪崩的频率较高；随着旋转速度的增加，颗粒的堆积时间缩短，二次雪崩的频率也随之降低。此外，二次雪崩的发生还会导致颗粒的倾角发生变化，进而影响分离模式的演变。例如，在旋转速度较低时，颗粒的倾角分布呈现出不对称性，而随着旋转速度的增加，倾角分布逐渐趋于对称，表明颗粒的运动状态趋于稳定。

在分离强度方面，实验表明，随着旋转速度的增加，分离强度呈现出先增加后趋于稳定的趋势。在低速旋转条件下，分离强度较低，表明颗粒之间的混合程度较高；而在中等旋转速度下，分离强度显著提高，颗粒分布更加不均匀；当旋转速度进一步增加时，分离强度趋于稳定，颗粒分布模式基本形成。这一趋势表明，旋转速度对颗粒分离具有显著的影响，且在一定范围内，旋转速度的增加会促进颗粒分离的发生。

此外，实验还发现，颗粒的分布模式在旋转筒中会受到“褶皱”结构的影响。当颗粒在流动过程中形成“褶皱”时，其分布模式会表现出一定的不对称性，且“褶皱”的位置分布呈现出对数正态分布。随着旋转速度的增加，颗粒的分布模式逐渐向指数分布转变，表明颗粒的运动状态趋于均匀，分离现象减弱。这种分布模式的变化不仅反映了颗粒的运动特性，还揭示了分离机制的动态演变过程。

#### 理论模型与实验验证

为了更系统地分析颗粒分离的机制，本文引入了一个基于“褶皱”结构的理论模型。该模型通过分析颗粒的倾角差异，预测“褶皱”结构的形成及其对分离模式的影响。实验结果表明，该模型在低速旋转条件下与实际观测数据具有良好的一致性，能够准确描述“褶皱”结构的形成过程及其对分离模式的调控作用。

进一步研究发现，当颗粒的倾角差异较大时，分离模式更倾向于形成“条纹”结构，而当倾角差异较小时，分离模式则以“核心”形式出现。此外，颗粒的分布模式还受到颗粒运动状态的影响。例如，在雪崩状态下，颗粒的运动较为剧烈，导致分离模式以“条纹”形式出现；而在滚动状态下，颗粒的运动较为平稳，分离模式则趋于均匀。

通过对比实验数据与理论模型的预测结果，可以发现两者在多个方面表现出高度的一致性。例如，在低速旋转条件下，实验观测到的“褶皱”分布与理论模型预测的对数正态分布相吻合；而在高速旋转条件下，实验观测到的“褶皱”分布则与指数分布相符。这一结果表明，理论模型能够有效描述颗粒分离的动态过程，并为理解颗粒分离的机制提供了重要的理论依据。

#### 结论与展望

综上所述，本文通过实验与理论模型相结合的方式，深入探讨了二次雪崩对二元颗粒混合物分离结构的影响。研究发现，二次雪崩的发生与颗粒的倾角差异密切相关，且其频率和颗粒分布模式会随着旋转速度的变化而变化。在低速旋转条件下，二次雪崩较为频繁，导致分离模式以“条纹”形式出现；而在高速旋转条件下，二次雪崩频率降低，颗粒分布趋于均匀，分离模式向“核心”形式转变。

此外，本文还揭示了“褶皱”结构在颗粒分离中的关键作用。当颗粒在流动过程中形成“褶皱”时，其分布模式会受到“褶皱”位置和形态的影响，且“褶皱”结构的演变过程与颗粒的倾角变化密切相关。这些发现不仅加深了对颗粒分离机制的理解，也为相关工业应用提供了理论支持。未来的研究可以进一步探讨颗粒分离在三维系统中的行为，以及如何通过优化旋转速度和颗粒比例来提高分离效率。