料斗出料过程中非球形颗粒的运动特性——实验研究与离散元方法（DEM）分析

《Powder Technology》：Dynamics of non-spherical particles in hopper discharge – Experimental and DEM study

本文通过实验和计算流体力学模拟研究了不同形状颗粒从伪二维漏斗中的排流特性，发现非球形颗粒因棱角存在导致排流速率降低，并引发拱形阻塞现象。实验结合PIVLab分析技术，对比了多球体和多面体DEM模型在模拟立方体颗粒排流中的准确性，验证了GPU加速DEM的有效性。研究揭示了颗粒形状、密度、摩擦系数等参数对排流速率和流动模式的影响规律，为工业 hopper 设计提供了理论依据。

　　在工业生产中，颗粒材料的流动特性对于设备的设计和操作至关重要。颗粒的形状在这一过程中起着关键作用，不同的形状会导致不同的流动行为。例如，不规则形状的颗粒在流动过程中更容易产生流速波动，而规则形状的颗粒则可能保持较为稳定的流动。因此，理解颗粒形状对流动行为的影响，有助于优化颗粒存储和输送系统，提高生产效率并减少堵塞等问题。

本研究通过实验和计算模拟的方式，探讨了颗粒形状对颗粒流动行为的影响。研究使用了一个伪二维（pseudo-2D）的漏斗装置，以分析不同形状颗粒的流动特性。实验部分采用高速摄像机记录颗粒的运动轨迹，并利用Matlab中的PIVLab工具对颗粒的流速分布和流量进行分析。计算模拟则使用了自主研发的GPU加速的离散元模型（Discrete Element Modeling, DEM）求解器，以模拟不同形状颗粒的流动行为。通过对比实验数据与模拟结果，研究验证了DEM模型在预测颗粒流动行为方面的有效性。

在实验过程中，研究人员发现，立方体颗粒的流速明显低于球形颗粒。这是由于立方体颗粒的棱角在流动过程中容易导致颗粒间的相互锁定，从而形成局部的流动障碍。这种现象在漏斗出口附近尤为明显，可能导致颗粒形成拱形结构，进而影响整体的流动效率。此外，实验结果还表明，随着颗粒形状的不规则性增加，颗粒的流速波动也会随之加剧。例如，对于具有较高棱角的颗粒，其流动过程中可能会出现更显著的局部停滞现象，这在一定程度上降低了颗粒的平均流出量。

为了进一步研究颗粒形状对流动行为的影响，研究还扩展了模拟范围，涵盖了三种不同的颗粒形状：正十二面体、六边形棱柱和长方体。通过使用经过验证的DEM模拟工具，研究人员能够更准确地分析这些颗粒在漏斗中的流动特性。模拟结果显示，随着颗粒形状的不规则性增加，其流出速率逐渐降低。这一趋势表明，颗粒形状在影响其流动行为方面具有重要作用，特别是在颗粒流动过程中形成拱形结构或局部停滞时。

在实验设计中，研究人员使用了透明亚克力板制作的伪二维漏斗，其宽度为8毫米，高度为480毫米。漏斗的出口面积为72平方毫米，且漏斗与底面之间的夹角为45度。这样的设计使得实验能够更清晰地观察颗粒的流动行为，同时减少了三维效应带来的干扰。通过高速摄像机记录颗粒的运动轨迹，研究人员能够分析颗粒的流动模式，包括其在漏斗出口附近的堆积情况、流动方向以及流速分布。

在计算模拟方面，研究人员采用了两种不同的DEM方法：多球体（multi-sphere）和多面体（polyhedral）模型。多球体模型适用于模拟具有不规则形状的颗粒，而多面体模型则更精确地模拟了立方体颗粒的形状。研究发现，多面体模型的模拟结果与实验数据高度一致，这表明该模型在预测颗粒流动行为方面具有较高的准确性。相比之下，多球体模型虽然也能模拟不规则形状颗粒的流动，但在某些情况下与实验数据存在一定的偏差。

此外，研究还对颗粒在漏斗中的体积分数进行了分析。通过实验和模拟数据的对比，研究人员发现，颗粒在漏斗中的体积分布与颗粒形状密切相关。例如，立方体颗粒由于其棱角的存在，在漏斗中更容易形成局部堆积，导致体积分数的变化。而球形颗粒则能够更均匀地分布在漏斗中，从而减少流动过程中的不稳定性。

在参数研究方面，研究还探讨了不同参数对颗粒流动行为的影响。这些参数包括颗粒的恢复系数、摩擦系数以及颗粒的密度。研究发现，恢复系数和摩擦系数的调整能够显著影响颗粒的流动速率和流动模式。例如，较低的摩擦系数可以促进颗粒的流动，而较高的恢复系数则可能导致颗粒在流动过程中产生更多的反弹现象，从而影响整体的流动效率。

为了进一步验证DEM模型的适用性，研究还进行了多组实验和模拟对比。实验数据表明，颗粒在漏斗中的流动行为与颗粒形状密切相关。例如，球形颗粒的流动较为顺畅，而立方体颗粒则容易在漏斗出口附近形成拱形结构，导致流动受阻。此外，实验还发现，颗粒的初始堆积状态对流动行为也有重要影响。例如，较高的堆积密度可能会导致颗粒在流动过程中形成更稳定的结构，从而减少流动波动。

在实际工业应用中，颗粒材料的流动特性直接影响生产过程的效率和产品质量。例如，在采矿、矿物加工、化工、制药、建筑、农业和食品加工等行业中，颗粒材料的流动稳定性对于确保产品的一致性至关重要。因此，研究颗粒形状对流动行为的影响，有助于优化颗粒存储和输送系统，提高生产效率并减少堵塞等问题。

本研究的结果表明，颗粒形状在影响其流动行为方面具有重要作用。通过实验和模拟的结合，研究人员能够更全面地分析颗粒在漏斗中的流动特性。例如，实验数据显示，立方体颗粒的流出速率低于球形颗粒，这是由于其棱角在流动过程中导致颗粒间的相互锁定。而模拟结果则进一步验证了这一现象，并表明不同形状颗粒的流动行为在不同参数下会有显著差异。

研究还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的堆积模式。例如，立方体颗粒由于其棱角的存在，在漏斗中更容易形成局部堆积，导致体积分数的变化。而球形颗粒则能够更均匀地分布在漏斗中，从而减少流动过程中的不稳定性。此外，研究还探讨了不同颗粒形状在漏斗中的流动模式，例如，正十二面体颗粒在流动过程中可能会形成更复杂的堆积结构，而六边形棱柱颗粒则可能表现出更规律的流动行为。

为了进一步优化颗粒流动行为，研究还提出了几种可能的改进措施。例如，通过在漏斗出口处放置适当的障碍物，可以减少颗粒形成拱形结构的可能性，从而提高流动效率。此外，通过在漏斗内部添加螺旋纹理，可以改善颗粒的流动模式，减少局部停滞现象。这些改进措施在实际工业应用中具有重要意义，可以有效提高颗粒流动的稳定性，并减少堵塞等问题。

本研究的结果不仅为颗粒流动行为的分析提供了新的视角，也为工业生产中颗粒存储和输送系统的优化提供了理论支持。通过实验和模拟的结合，研究人员能够更全面地理解颗粒形状对流动行为的影响，并为不同形状颗粒的流动特性提供定量分析。这些研究结果可以为相关领域的工程实践提供指导，帮助工程师更好地设计和操作颗粒存储和输送系统。

在实验和模拟的结合中，研究人员还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的流动速率和流动模式。例如，球形颗粒的流动速率较为稳定，而立方体颗粒则容易在流动过程中形成局部停滞，导致流动速率的波动。此外，实验还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的堆积状态，从而影响整体的流动效率。这些发现表明，颗粒形状在颗粒流动行为中起着关键作用，需要在设计和操作过程中加以考虑。

研究还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的流动路径。例如，球形颗粒在流动过程中能够较为自由地运动，而立方体颗粒则由于其棱角的存在，可能在流动过程中形成更复杂的路径。这种现象在漏斗出口附近尤为明显，可能导致颗粒形成拱形结构，从而影响整体的流动效率。此外，研究还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的流动模式，例如，正十二面体颗粒在流动过程中可能会形成更复杂的堆积结构，而六边形棱柱颗粒则可能表现出更规律的流动行为。

为了进一步验证这些发现，研究还进行了多组实验和模拟对比。实验数据表明，不同形状颗粒的流动速率和流动模式存在显著差异。例如，球形颗粒的流动速率较为稳定，而立方体颗粒则容易在流动过程中形成局部停滞，导致流动速率的波动。此外，实验还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的堆积状态，从而影响整体的流动效率。这些发现表明，颗粒形状在颗粒流动行为中起着关键作用，需要在设计和操作过程中加以考虑。

本研究的结果表明，颗粒形状在颗粒流动行为中起着关键作用。通过实验和模拟的结合，研究人员能够更全面地分析颗粒在漏斗中的流动特性。例如，球形颗粒的流动较为顺畅，而立方体颗粒则容易在流动过程中形成局部停滞，导致流动速率的波动。此外，实验还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的堆积状态，从而影响整体的流动效率。这些发现表明，颗粒形状在颗粒流动行为中起着关键作用，需要在设计和操作过程中加以考虑。

在实际工业应用中，颗粒材料的流动特性直接影响生产过程的效率和产品质量。例如，在采矿、矿物加工、化工、制药、建筑、农业和食品加工等行业中，颗粒材料的流动稳定性对于确保产品的一致性至关重要。因此，研究颗粒形状对流动行为的影响，有助于优化颗粒存储和输送系统，提高生产效率并减少堵塞等问题。

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为了进一步验证这些发现，研究还进行了多组实验和模拟对比。实验数据表明，不同形状颗粒的流动速率和流动模式存在显著差异。例如，球形颗粒的流动速率较为稳定，而立方体颗粒则容易在流动过程中形成局部停滞，导致流动速率的波动。此外，实验还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的堆积状态，从而影响整体的流动效率。这些发现表明，颗粒形状在颗粒流动行为中起着关键作用，需要在设计和操作过程中加以考虑。

在实际工业应用中，颗粒材料的流动特性直接影响生产过程的效率和产品质量。例如，在采矿、矿物加工、化工、制药、建筑、农业和食品加工等行业中，颗粒材料的流动稳定性对于确保产品的一致性至关重要。因此，研究颗粒形状对流动行为的影响，有助于优化颗粒存储和输送系统，提高生产效率并减少堵塞等问题。

本研究的结果不仅为颗粒流动行为的分析提供了新的视角，也为工业生产中颗粒存储和输送系统的优化提供了理论支持。通过实验和模拟的结合，研究人员能够更全面地理解颗粒形状对流动行为的影响，并为不同形状颗粒的流动特性提供定量分析。这些研究结果可以为相关领域的工程实践提供指导，帮助工程师更好地设计和操作颗粒存储和输送系统。

在实验和模拟的结合中，研究人员还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的流动路径。例如，球形颗粒在流动过程中能够较为自由地运动，而立方体颗粒则由于其棱角的存在，可能在流动过程中形成更复杂的路径。这种现象在漏斗出口附近尤为明显，可能导致颗粒形成拱形结构，从而影响整体的流动效率。此外，研究还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的流动模式，例如，正十二面体颗粒在流动过程中可能会形成更复杂的堆积结构，而六边形棱柱颗粒则可能表现出更规律的流动行为。

为了进一步验证这些发现，研究还进行了多组实验和模拟对比。实验数据表明，不同形状颗粒的流动速率和流动模式存在显著差异。例如，球形颗粒的流动速率较为稳定，而立方体颗粒则容易在流动过程中形成局部停滞，导致流动速率的波动。此外，实验还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的堆积状态，从而影响整体的流动效率。这些发现表明，颗粒形状在颗粒流动行为中起着关键作用，需要在设计和操作过程中加以考虑。

在实际工业应用中，颗粒材料的流动特性直接影响生产过程的效率和产品质量。例如，在采矿、矿物加工、化工、制药、建筑、农业和食品加工等行业中，颗粒材料的流动稳定性对于确保产品的一致性至关重要。因此，研究颗粒形状对流动行为的影响，有助于优化颗粒存储和输送系统，提高生产效率并减少堵塞等问题。

本研究的结果不仅为颗粒流动行为的分析提供了新的视角，也为工业生产中颗粒存储和输送系统的优化提供了理论支持。通过实验和模拟的结合，研究人员能够更全面地理解颗粒形状对流动行为的影响，并为不同形状颗粒的流动特性提供定量分析。这些研究结果可以为相关领域的工程实践提供指导，帮助工程师更好地设计和操作颗粒存储和输送系统。

在实验和模拟的结合中，研究人员还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的流动路径。例如，球形颗粒在流动过程中能够较为自由地运动，而立方体颗粒则由于其棱角的存在，可能在流动过程中形成更复杂的路径。这种现象在漏斗出口附近尤为明显，可能导致颗粒形成拱形结构，从而影响整体的流动效率。此外，研究还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的流动模式，例如，正十二面体颗粒在流动过程中可能会形成更复杂的堆积结构，而六边形棱柱颗粒则可能表现出更规律的流动行为。

为了进一步验证这些发现，研究还进行了多组实验和模拟对比。实验数据表明，不同形状颗粒的流动速率和流动模式存在显著差异。例如，球形颗粒的流动速率较为稳定，而立方体颗粒则容易在流动过程中形成局部停滞，导致流动速率的波动。此外，实验还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的堆积状态，从而影响整体的流动效率。这些发现表明，颗粒形状在颗粒流动行为中起着关键作用，需要在设计和操作过程中加以考虑。

在实际工业应用中，颗粒材料的流动特性直接影响生产过程的效率和产品质量。例如，在采矿、矿物加工、化工、制药、建筑、农业和食品加工等行业中，颗粒材料的流动稳定性对于确保产品的一致性至关重要。因此，研究颗粒形状对流动行为的影响，有助于优化颗粒存储和输送系统，提高生产效率并减少堵塞等问题。

本研究的结果不仅为颗粒流动行为的分析提供了新的视角，也为工业生产中颗粒存储和输送系统的优化提供了理论支持。通过实验和模拟的结合，研究人员能够更全面地理解颗粒形状对流动行为的影响，并为不同形状颗粒的流动特性提供定量分析。这些研究结果可以为相关领域的工程实践提供指导，帮助工程师更好地设计和操作颗粒存储和输送系统。

在实验和模拟的结合中，研究人员还发现，颗粒的形状会影响其在漏斗中的流动路径。例如，球形颗粒在流动过程中能够较为自由地运动，而立方体颗粒则由于其棱角的存在，可能