双分散颗粒尺寸分选中的二次崩塌效应：转鼓实验与捕获扭结结构演化机理

《Results in Engineering》：Rotating drum experiments on secondary avalanching in bidisperse particle-size segregation

本文针对二元颗粒混合物在转鼓中由崩塌流向滚动流态转变过程中的二次崩塌现象及其对分选结构的影响展开研究。作者通过引入崩塌静止时间比(Tc)这一无量纲参数，结合捕获扭结(trapped kink)模型，揭示了二次崩塌的触发机制。实验结果表明，随着转速增加，捕获扭结的分布从对数正态分布向指数分布转变，条纹长度逐渐缩短并出现合并现象。该研究为理解颗粒分选模式演化提供了新的理论视角，对工业混合过程优化具有指导意义。

　　

在工业生产和自然现象中，颗粒物质的分选行为一直备受关注。从制药行业的粉末混合到地质领域的滑坡运动，理解颗粒混合物在流动过程中的分离机制至关重要。转鼓作为研究颗粒流动的经典装置，能够模拟从间歇性崩塌到连续滚动的不同流态。然而，现有研究多集中于单纯的崩塌流或连续流 regime，对于两者之间的过渡状态及其对分选模式的影响尚缺乏深入探讨。

针对这一研究空白，山东理工大学的研究团队在《Results in Engineering》上发表了关于双分散颗粒尺寸分选中二次崩塌现象的实验研究。该研究通过精密设计的转鼓实验系统，首次系统揭示了在流态转变过程中捕获扭结结构的演化规律及其对分选条纹形成的决定性作用。

研究团队采用的关键技术方法包括：准二维转鼓实验系统的构建，通过步进电机精确控制转速范围(0.0069–0.6822 rad/s)；基于CCD成像的表面倾角测量技术，结合Canny算子边缘检测和最小二乘线性回归算法；捕获扭结几何参数的量化方法，通过曲率极值点识别扭结顶点位置；分选强度的网格化统计方法，采用20×20像素的网格分辨率确保测量准确性。

实验结果表明，在低转速崩塌流状态下(ω=0.0069 rad/s)，颗粒床表面倾角呈现大幅波动(0.3665-0.5760 rad)，分选模式呈现明显的条纹结构。研究人员观察到独特的二次崩塌现象：第一次崩塌发生后，由于上游捕获扭结的存在，大颗粒首先到达其休止角并停止运动，阻塞后续颗粒的崩塌，从而在流动层上游形成突出的楔形结构。当转速增加至过渡状态(ω=0.0343 rad/s)时，崩塌静止时间比(T_c)显著降低，表面倾角波动范围扩大(0.3665-0.6458 rad)，条纹数量开始减少。在高速连续流状态下(ω=0.0683 rad/s)，表面倾角波动幅度减小(0.4887-0.5934 rad)，条纹明显粗化。

研究团队引入修正弗劳德数(Fr_m)对流态进行量化分类：崩塌流状态(Fr_m<10^-5)、过渡状态(10^-5<>_m<10^-4)和滚动流状态(Fr_m>10^-4)。通过分析不同流态下捕获扭结顶点的位置分布，发现随着转速增加，分布特征从对数正态分布逐渐转变为指数分布，标准差从0.313增大到0.791。这一转变直接导致条纹合并现象的发生。

分选强度(I)的量化分析进一步证实了流态转变对分选效果的影响。在崩塌流状态下，分选强度相对较低(I=0.6942)；随着转速增加，分选强度逐渐升高，在过渡状态达到最大值(I=0.7334)。这表明适中的流动条件最有利于颗粒分选，而过低或过高的流速都会降低分选效率。

研究还建立了捕获扭结几何参数与崩塌特征的定量关系。通过引入比例系数α，推导出扭结头部长度的计算公式：l(t)=D/[α·tan(θ_T-θ_ST)]，其中D为流动层厚度，θ_T为扭结角度，θ_ST为颗粒床表面倾角。该模型成功预测了扭结位置分布随流速变化的规律。

这项研究的创新之处在于首次系统揭示了二次崩塌现象在颗粒分选中的作用机制，建立了捕获扭结结构与分选模式演化的定量关系。研究结果不仅深化了对颗粒物质非平衡动力学的理解，而且为工业颗粒处理过程的优化提供了理论指导。例如，在制药行业的粉末混合过程中，通过控制转鼓转速调节流态，可以实现更均匀的混合效果；在建筑材料行业，该研究为水泥等颗粒材料的混合工艺优化提供了新思路。

值得注意的是，本研究采用的准二维实验装置虽然便于观察，但与实际三维工业过程存在差异。壁面摩擦等因素可能影响定量结果的精确性，但研究揭示的基本物理机制和趋势具有普适意义。未来研究可进一步拓展到三维系统，并考虑更多实际因素的影响，以推动理论成果向工业应用的转化。