大连理工大学

粉体力学

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课程概述

粉体力学又称颗粒学,由于其跨学科、跨技术的交叉性和基础理论的概括性,因此它既与若干基础科学相毗邻,又与工程应用广泛连联。20世纪40年代有了颗粒学的第一部专著《Micromeritics》。由于石油化工、能源和矿山技术的发展,颗粒学在20世纪60~70年代得到了迅速的发展,在世界各地出版了各种版本的颗粒学专著。这些颗粒学专著对粉体工程理论与应用的发展起到了很大的推动作用。20世纪80年代以来,随着微米和超细颗粒材料制备与应用技术的发展,由于微米和超细颗粒的行为与颗粒的行为差异很大,微米和超细颗粒成为颗粒学热门研究课题。自20世纪90年代以来,纳米材料制备与应用技术的发展赋予了颗粒学新的生命,从原子和分子的微观尺度和纳米尺度来研究颗粒的行为,使颗粒学成为一门多学科交叉的尖端学科。

粉体同人类的生活和生产活动有着极其广泛的联系并具有重要的作用。在自然界中,粉体是常见的一种物质存在形式,如河沙、粉尘等。在日常生活中,粉体是不可缺少的生活用品,如食盐、米、面粉、洗衣粉等等。在工业中,粉体有着更重要的位置;如在食品、医药、电子、冶金、矿山、能源等工业中,粉体不仅是重要的原料,也是重要的产品。特别是化学工业,约60%的产品是粉体;如果加上粉体悬浮在液体的产品,粉体和含粉体的产品可达80%;考虑粉体原料和中间产物,在化学工业中粉体的处理量可达粉体产品的3~4倍。

由于粉体工程涉及了众多的工业领域,粉体涉及了广泛的操作单元,可粗略地概括为粉体的储存、输运、混合、分离、制粉、造粒、流态化等操作单元。这些操作单元涉及了工程、力学、物理、化学、材料等学科的基础理论和技术,所以粉体工程学科是一门多学科交叉的综合学科。虽然粉体工程学科已有近半个世纪的历史,但粉体工程学科的基础理论还很不完善,粉体操作单元的设计仍依赖于经验或半经验半理论的结果。

本课程的宗旨是介绍粉体工程的基础理论及其在粉体操作单元中的应用。第1讲为颗粒物性,着重介绍颗粒的尺寸、颗粒的球形度及其测量方法、颗粒间的作用力及颗粒的团聚性、颗粒的阻力系数与沉降速度。第2讲为粉体物性,着重介绍粉体应力分析方法和Rankin应力状态。第3讲为粉体静力学,着重介绍粉体粒度分布的数学描述、粒度测量方法及其选择、粉体填充与堆积特性、附着力等力学特征。第4讲为粉体动力学,着重介绍粉体流动流型及共轴理论和塑粘性流体模型。第5讲为专题,以开阔思路为目的,介绍测试技术及装置, 料仓结构设计, 粉体的数值模拟。

授课目标
掌握粉体及其力学特性的基础知识,并能对粉体的各种特性参数进行描述和表征,并要拥有解决粉体过程装备技术问题的技能。对所处的问题具有设计、操作、执行、分析和解释数据的能力,有效地运用各种资源进行实验、设计与操作。具有在工程问题中初步掌握并使用各种技术和知识。
证书要求


本课程的学习环节包含:授课视频学习、参与课程讨论、完成章节练习题和参加期末考试。

课程学习成绩由两部分构成:

1)过程考核(课堂测验、课堂讨论、课后作业等):课堂测验,考察课程内容掌握情况;参与一定次数的课堂交流讨论;完成课后各章节作业,考核作业完成的质量。过程考核占30%

2)期末考试:课程结束后,学生可以参加课程的最后考试,成绩占70%

完成课程学习并参加考试可获得证书。证书分两种等级:总评成绩在60分至79分为合格证书,总评成绩在80分至100分为优秀证书。


预备知识

《工程力学基础》和《工程流体力学》。


授课大纲

一、课程的性质和任务

   本课程是化工装备与控制工程专业的专业基础课,通过课程学习,使学生熟悉和掌握粉体的基本性质及其静力学和动力学特性,是后续课程《粉体工程》的基础,也为以后从事粉体工程工作奠定坚实的理论基础。流程型工业中,粉粒体物料的加工和处理占据1/3强的比重。因此,粉粒体物料的各种流动、传热和传质问题的基础研究、工艺和装置的设计,对工业生产是至关重要的,学习和掌握这些知识,是培养相关专业本科生不可或缺的培养环节。

 

二、课程内容、基本要求与学时分配

绪论(建议学时数:3学时)

要求:① 了解粉体力学学科背景,②了解粉体工程工业背景,③明确粉体力学及粉体工程的研究内容,④ 粉体概念的领悟,⑤ 理解基本原理。

重点:①粉体的概念;②粉体不同颗粒组成的粉体的特点。

难点:粉体的抽象化概念与日常生活中人们所认知的粉体的根本区别。

填充(建议学时数:4学时)

要求:①粉体的密度的概念及其影响因素的理解和分析,②安息角的概念及其影响因素的理解和分析,③粉体的可压缩性及其影响因素的理解和分析。

重点:① 粉体密度的概念和影响因素;② 粉体安息角的概念、其测量方式,及其影响因素;③ 粉体的压缩性概念的理解。

难点:一些操作参数对粉体密度和安息角的影响、多元组分粉体的物性参数。

作业一:粉体粒度测量方式及其数据分析:根据特定的有粉体粒度数据,借助计算机和数学语言进行数据分析和整理,从不同的角度分析并得到粉体粒度的表述方式。

基础静力学(建议学时数:10学时)

要求:① 粉体的连续性假设的掌握和理解;② 粉体应力和应变的分析方法;③ 粉体应力的表达方式,④ 莫尔应力圆的意义及其在粉体分析中的应用,⑤ 平衡方程的理解和应用;⑥ 库仑粉体受力特点的解释和理解;⑦ 理解内摩擦角,明确测定方法及其内涵;⑧ 理解壁面摩擦角及其测量方法;⑨ 掌握Molerus 粉体分类方法及其特点;⑩ 理解莫尔-库仑定律的内涵及意义; 确定壁面最大主应力方向; 明确朗肯应力状态的定义及意义; 明确粉体压力计算方法及意义; 掌握料仓中应力模型建立及分布特点; 了解粉体应力精确分析方法。

重点:莫尔应力圆、粉体的摩擦特性、Molerus 粉体分类、粉体的流动特性、莫尔-库仑定律、朗肯应力状态、料仓中应力分布特点。

难点:莫尔应力圆、粉体的摩擦特性、粉体的流动特性。 

作业二:不同类别的粉体描述方式和力学模型:针对粉体的受力特点建立相应的力学模型,掌握将受力状况用恰当的方式描述的方法。

作业三:圆筒形、锥形和组制的料仓应力分析:正确建立数学模型,并针对问题分析料仓的应力分布,从而确定料仓的结构特点。

粉体特性测量(建议学时数:4学时)

要求:① 理解粉体的各向异性及各种因素对各向异性的影响;② 掌握剪切变形的表示方式及各种形式;③ 掌握粉体剪切流动瞬间颗粒的形态和受力状况;④ 结合粉体的特点,了解剪切速率的测量。

重点:掌握粉体的各向异性、屈服轨迹等参数的测量和表征方式

难点:粉体的多样性所导致的各种参数变化以及其量化方法

流动模型(建议学时数:4学时)

要求:① 明晰粉体流动的流型及其特点;② 理解设置改流体的意义,应对粉体流动状况,能合理设置各种形式的改流体;③ 明晰偏析机理和改善方法。

重点:粉体流动的流型、偏析原理及优化方法、改流体的意义

难点:不同的类型的粉体、不同的粉体形态,其流动形式的差异是粉体设备设计必须考虑的因素,根据粉体设备的处理要求,合理的进行设备结构设计及相应的改流体的设置方式。

动力学(建议学时数:5.5学时)

要求:① 掌握膨胀波、自由流动拱、流管、径向流、渐进角等概念及其相应的影响因素;②了解最小能量理论;③ 掌握质量流量的影响因素;④ 了解粉体料仓的开孔尺寸。

重点:粉体料仓流动过程中粉体的形态、质量流率的特点及影响因素、粉体料仓的开孔尺寸。

难点:能量耗散原理、开孔尺寸对粉体流动的影响。

作业四:料仓结构设计及其改进措施总结:根据课堂讲授及查阅资料,明确粉体料仓的结构特点及易发生的问题,并能针对粉体设备中易发生的问题提出可能的改进措施及解决方案。

数值计算(建议学时数:1.5学时)

要求:① 以开拓思路为目的,学习连续介质力学模型;② 学习离散颗粒力学模型;③ 了解粉体计算软件。

重点:两种粉体力学模型的思想。

难点:粉体力学计算软件的所用模型及其使用。


参考资料

主要参考教材:

[1]     《粉体力学与工程》谢洪勇 刘志军 化学工业出版社出 ISBN978-7-122-00683-7

[2]     Powders and Bulk Solids. Dietmar Schulze. Springer Berlin Heidelberg New York. ISBN978-3-540-73767-4

 辅助教材:

[1]     Introduction to Particle Technology. Martin Rhodes. John Wiley & Sons Ltd, ISBN978-0-470-01427-1(cloth) & ISBN978-0-470-01428-8(pbk.) 

[2]     《粉体工程与设备》 陶珍东 郑少华著 化学工业出版社  ISBN9787122075000

[3]     《粉体技术导论》 陆厚根等编 同济大学出版社 ISBN9787560818115

[4]     《粉体加工技术》 卢寿慈 编著 中国轻工业出版社 ISBN9787501922246

[5]     Principles of powder mechanics. R L Brown and J C Richards. Pergamon press.

[6]     《粉粒体の物理学》 中西秀奥村剛訳 吉岡書店 2001 ISBN4842703008

[7]     《粉体シミュレーション入門》粉体工学会 産業図書 1998 ISBN478289029X


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