不同颗粒形态下相互作用系数对动态堆积行为影响的仿真与实验研究

本研究针对矸石颗粒动态堆积行为的影响因素，通过构建注入式休止角(AoR)测量装置和动态堆积仿真模型，设计以颗粒-颗粒恢复系数(PPRC)、静摩擦系数(PPSF)、滚动摩擦系数(PPRF)及颗粒-壁面相互作用系数(PWRC/PWSF/PWRF)为变量的正交实验。研究发现静摩擦系数对堆积形态影响最显著，建立的矩形颗粒堆积形态预测公式误差小于15%，为颗粒运动学行为研究提供了新方法。

　　

在矿业、食品和制药等领域，颗粒材料的堆积行为直接影响储存和运输效率。休止角(AoR)作为表征颗粒流动性的关键参数，其形成机制受颗粒形态和相互作用系数共同影响。然而，传统测量方法难以精确量化不规则颗粒的接触特性，导致工程实践中堆积形态预测存在显著偏差。

江苏师范大学的研究团队通过创新性结合实验与仿真手段，系统探究了六类相互作用系数对矸石颗粒动态堆积的影响规律。研究采用注入式AoR测量装置记录真实颗粒堆积过程，同步构建离散元法(DEM)仿真模型，设计包含125组实验的正交方案。通过对比物理实验与仿真数据，首次建立了适用于矩形颗粒的堆积形态预测公式。

关键技术包括：1）基于三轴直径和填充度的颗粒形态建模；2）高帧频摄像记录的颗粒下落时间分析；3）六因素五水平正交实验设计；4）堆积轮廓曲线拟合算法。研究选取10-20mm粒径、密度2206kg/m³
的矸石颗粒作为实验样本，通过控制漏斗投放量（不超过容积2/3）确保实验一致性。

测量方法对比
通过对比排放法与注入法的DEM仿真，证实注入法能更准确反映动态堆积过程。实验测得矸石颗粒AoR为34.0°，与仿真结果误差控制在合理范围。

颗粒下落动力学
高速摄像分析显示，颗粒-壁面滚动摩擦系数(PWRF)对下落时间影响最大，当PWRF从0.01增至0.05时，下落时间延长约23%。

堆积轮廓建模
针对凸面、凹面等特殊堆积形态，提出截面粒子提取法。建立的预测公式对矩形颗粒堆积高度误差小于15%，验证了模型泛化能力。

参数敏感性分析
正交实验表明，颗粒间静摩擦系数(PPSF)对AoR影响权重达42%，显著高于其他参数。滚动摩擦系数(PPRF/PWRF)主要影响颗粒的二次滑动行为。

该研究通过多尺度参数关联分析，首次量化了相互作用系数与堆积形态的定量关系。提出的预测模型可推广至其他非球形颗粒研究，为工业级颗粒处理设备设计提供理论依据。值得注意的是，研究发现的静摩擦主导效应挑战了传统认为恢复系数起决定作用的观点，这对优化颗粒输送系统参数具有重要指导价值。作者团队特别指出，未来需在更广粒径分布和湿度条件下验证模型的普适性。

江苏师范大学的Youtao Xia等研究者完成的这项成果发表于《Powder Technology》，其创新性体现在将DEM仿真精度提升至工程应用级别。研究获得国家自然科学基金(52075230)等项目的支持，相关方法已被应用于矿山充填材料的流动性优化实践。