球体与椭球体二元混合物在料堆形成过程中的混合与偏析机制研究

本研究针对颗粒混合物在料堆形成过程中因粒径或形状差异引发的内部分层偏析现象，采用离散元法(DEM)系统探究了粒径比、质量比及颗粒形状对偏析的触发机制影响。研究发现：大颗粒通过渗流-空隙填充机制向堆底富集，小颗粒则填补空隙形成分层结构；椭球体因流动性差导致偏析减弱，其分层由"静态雪崩"机制主导。成果为工业颗粒混合工艺优化提供了理论依据。

　　

颗粒物料在工业生产中广泛存在，但混合颗粒在堆积过程中常因粒径或形状差异产生自发偏析，导致产品质量不均。这一现象在制药、建材等领域尤为突出，但现有研究对椭球体颗粒的偏析机制认识不足。中国的研究团队通过结合实验与数值模拟，在《Powder Technology》发表论文揭示了这一复杂现象背后的物理机制。

研究采用Rocky? DEM软件基于Hertz-Mindlin接触模型，通过二维透明容器实验验证数值模型的准确性。关键方法包括：离散元法(DEM)模拟颗粒运动轨迹，量化分析粒径比(1.5-5.0)和质量比(0.5-2.0)的影响，对比球形与椭球体颗粒的流动行为差异。

Segregation of binary mixtures of spherical particles
通过3:1粒径比的球形颗粒实验验证，DEM成功复现了料堆分层现象。高分辨率图像显示，大颗粒沿堆体表面流动至底部，小颗粒通过空隙填充形成交替层状结构。当粒径比>3时，分层现象显著增强；而质量比<1时偏析效应更明显。

Conclusions
研究证实渗流-空隙填充是球形颗粒分层的主导机制。椭球体因接触面摩擦增大导致流动性降低，其分层规模较小且依赖"静态雪崩"机制。粒径比与质量比的协同作用决定了偏析强度：较大的粒径比(>3)配合较小质量比(<1)会产生更强的偏析效应。

该研究首次系统阐明了椭球体颗粒的偏析特性差异，为工业级颗粒混合设备设计提供了关键参数依据。通过量化粒径比和质量比的阈值效应，解决了传统经验法难以预测非球形颗粒偏析的难题。研究建立的DEM模型可推广至制药粉体、矿物加工等领域，对实现精准控混具有重要指导价值。