粉体力学与工程-05 粉体的流变学
粉体工程与设备期末复习题
粉体工程与设备思考题第一章概述1、什么是粉体？粉体是由无数相对较小的颗粒状物质构成的一个集合体.2、粉体颗粒的种类有哪些?它们有哪些不同点？分为原级颗粒、聚集体颗粒、凝聚体颗粒、絮凝体颗粒原级颗粒：第一次以固体存在的颗粒,又称一次颗粒或基本颗粒。
从宏观角度看，它是构成粉体的最小单元。
粉体物料的许多性能与原级颗粒的分散状态有关，它的单独存在的颗粒大小和形状有关。
能够真正的反应出粉体物料的固有特性.聚集体颗粒:由许多原级颗粒靠着某种化学力以及其表面相连而堆积起来的.又称为二级颗粒.聚集体颗粒的表面积小于构成它的原级颗粒的表面积的总和.主要再粉体物料的加工和制造中形成。
凝聚体颗粒:在聚集体颗粒之后形成，又称为三次颗粒。
它是原级颗粒或聚集体颗粒或者两者的混合物。
各颗粒之间以棱和角结合，所以其表面与各个组成颗粒的表面大体相等。
比聚集体颗粒大得多。
也是在物料的加工和制造处理过程中产生的。
原级颗粒或聚集体的粒径越小,单位表面的表面力越大，越易于凝聚。
絮凝体颗粒:在固液分散体系中，由于颗粒间的各种物理力，迫使颗粒松散地结合在一起,所形成的的粒子群。
很容易被微弱的剪切力所解絮。
在表面活性剂作用下自行分解。
颗粒结合的比较：絮凝体＜凝聚体＜聚集体＜原级颗粒3、颗粒的团聚根据其作用机理可分为几种状态？分为三种状态:凝聚体（以面相接的原级粒子）、聚集体（以点、角相接的原级粒子团或小颗粒在大颗粒上的附着)、絮凝体4、在空气中颗粒团聚的主要原因是什么？什么作用力起主要作用？主要原因为颗粒间作用力和空气的湿度。
范德华力、静电力、液桥力。
在空气中颗粒团聚主要是液桥力造成的。
而在非常干燥的条件下则是由范德华力引起的。
空气相对湿度超过65％，主要以液桥力为主.第二章粉体粒度分析及测量1、单颗粒的粒径度量主要有哪几种？各自的物理意义什么？三轴径：颗粒的外接长方体的长l、宽b、高h的某种意义的平均值当量径：颗粒与球或投影圆有某种等量关系的球或投影圆的直径定向径:在显微镜下按一定方向测得的颗粒投影轮廓的长度称为定向径。
《粉体工程与设备》课程以颗粒学和粉体学的基本知识为基
《粉体工程与设备》课程以颗粒学和粉体学的基本知识为基础，以粉体单元操作为主线，分别介绍了粉体的几何性质、粉体的堆积和填充、粉体的润湿和流变学性质及粉碎、分级、分离、混合、造粒、输送、贮存等相关的单元操作的基本原理，并系统、详细地介绍了相关机械设备的构造、工作原理、性能和应用特点等。
综合了近年来粉体工程学科的最新理论和技术成果，并力求理论的系统性和完整性。
在工程应用方面强调通俗和实用，因此，本书既可作为本科专业教材，也可作为相关工程技术人员和研究人员的参考书。
本教材所用教材为“山东省高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”的教材。
2003年8月由化学工业出版社正式出版；2010年修订出版了第二版；2015年，再次修订出版了第三版。
第四章-粉体流变学
第四章-粉体流变学
粉体流变学研究的是粉体在外加应力下的变形和流动行为。
粉体是指细小颗粒的固体物质，如粉末、颗粒、颗粒团等。
粉体流变学的研究对于很多工业过程和产品设计都非常重要，特别是涉及到粉末冶金、陶瓷制备、药物制剂、食品加工等领域。
粉体流变学主要研究粉体在外加应力作用下的变形和流动行为。
其流变性质可以通过测量粉体的应力-应变关系来描述。
粉体的流变行为受到多种因素的影响，包括粉体的颗粒形状、颗粒尺寸分布、颗粒间的相互作用力等。
常见的粉体流变行为包括流动、变形和黏弹性行为。
在粉体流变学研究中，常用的实验方法包括剪切流变实验、振动流变实验和压缩流变实验等。
剪切流变实验是通过施加剪切应力来研究粉体的流动行为；振动流变实验是通过施加振动应力来研究粉体
1
的流动特性；压缩流变实验则是通过施加压缩应力来研究粉体的变
形行为。
粉体流变学的研究有助于了解粉体的流动性能和变形特性，为工程
应用提供理论基础和实验依据。
同时，粉体流变学的研究结果也对
设备设计和工艺控制具有指导意义，能够提高工艺效率和产品质量。
2。
粉体基础与流变学基础【共30张PPT】
一、粉体的基本性质
（四）粉体的密度
真密度：ρp = W/Vp 粒密度：ρg = W/Vg 堆密度： ρb = W/Vb
真密度
ρp = W / Vp
不包括颗粒内外空隙的 体积
粒密度
ρg= W / Vg 液滴在固液表面边缘的切线与固体平面间的夹角称接触角。
（优选）粉体基础与流变学基础
❖ 指固体表面吸附水分的现象 压缩性指粉体在压力下体积减少的能力；
“第四态”：流动性、压缩性、抗形变 成形性表示物料紧密成一定形状的能力。 粒子径的测定方法：光学显微镜法、筛分法、库尔特计数法、沉降法、比表面积法
❖ 后果：流动性下降、固结润湿、液化，直至促进化学反应而降 θ=90-180º，不被润湿。
❖ 6、水溶性成分在粒子的接触点析出结晶形成 固体桥。
二、粉体学在药剂中的应用
1．在处方设计中的应用
❖ 保证药物制剂的质量：溶出、崩解、稳定性、外观、活性物质 的均匀性、强度等。
❖ 保证生产过程的顺利进行：流动性、充填性、压缩成形性、粘冲、退片 等。
(七)润湿性(wetting) 润湿性是指固体界面由固-气界面变为固-液界面现象
。粉体的润湿性对片剂、颗粒剂等到固体制剂的 崩解性、溶解性等具有重要意义。
液滴在固液表面边缘的切线与固体平面间的夹角称接触 角。 固体的润湿性用接触角θ表示。
液滴在固体表面上所受的力达平衡时符合Yong’s公式：
Ysg=Ysl+Ylgcosθ
式中， Ysg、Ysl、Ylg分别固-气、固-液、气-液间的界面张
力。
25
θ=0º，完全润湿； θ=180º，完全不润湿； θ=0-90º， 能被润湿；θ=90-180º，不被润湿。
第四章 粉体流变学
4.1.1 内摩擦角
一、工程力学相关知识
①可以认为各个面上的应力都是均匀分布 ②而且可以认为单元六面体每对互相平行的面 上的应力、大小及性质完全相同 ③剪应力互等定律
4.1.1 内摩擦角
一、工程力学相关知识
主平面：经受力物体内一点所作的剪应力等于零的截面， 称为该点的主平面
主应力：主平面上的正应力叫主应力
4.1.1 内摩擦角
二、莫尔应力圆
Y方向： l s i l n c o x l y c s o y l s s i 0
∴ si n c o x c s y o y s si 0 n
∴ y si n xc y o si n cos
4.1.1 内摩擦角
二、莫尔应力圆
力，在工程实际中应加以考虑。
4.2.2料料斗的圆锥顶角为坐标原点，建立如图所示的直角坐 标系，如图所示，取料斗中的微元，对该微元作垂直方 向上的力平衡。 先求与壁面垂直方向上单位面积的压力
k cp 2 o p s s 2 i n p ( k c2 o ss 2 i)n
此时：
p 4 B w g k D p 0 4 B w g k D e x 4 D w p k h
4.2.1 Janssen公式
分析：
（1）对棱柱形容器，可令横截面面积为F，周长为U，可用 上式中的 D ；
F U
代替
（即2，）当由粉Ja体4n层ss填en充公高式度可达知一，p定~值h后呈，现p指值数趋变于化常，h数值，p这一p现4象Bwg称kD
➢ 角：逆时针为正
4.1.1 内摩擦角
二、莫尔应力圆
设：斜边长度为l，故作受力平衡分析： X方向：
l c o l s s iy n l x s ix n l c o 0
2粉体工程-粉体流变学
2 空隙率ε：空隙体积占粉体填充体积的比率。
第三章 粉体的润湿性
润湿性 (wetting) 是指固体界面由固-气界面 变为固-液界面现象。
固体的润湿性用接触角θ表示。 液滴在固体
表面上所受的力达平衡时符合Yong’s公式： γsg=
γsl+ γlgcosθ 式中， γsg、 γsl、 γlg分别固-气、固-液、气-
定义流动因数ff= σ1/ 用来描述流动通道或 料斗的流动性。流动函数FF和流动因数ff差异：前 者数值越大，粉体流动性越好；而后者数值越大， 粉体流动性则越差。
流动函数FF 和流动因数ff 的关系
问题： 对料仓中颗粒进行流动分析的用途是什么?
七、整体流料仓的设计
设计要求：料斗必须足够陡峭，使粉体物料能沿 斗壁流动，而且开口也要足够大以防止形成料拱。
粉体工程与设备
烟台大学环境与材料工程学院
学习重点
1、休止角及内摩擦系数 2、 Janssen（詹森）公式 3、流动与不流动的判据
对数正态分布应用示例
(1)可计算出平均粒径
(2)可计算出每千克样品中含有的颗粒个数n
(3)可计算出比表面积Sw
当颗粒为球形时 =6
(4)个数与质量两种基准分布的变换关系
粒度：在临界粒子径以上，随粒子径增加，粉体流 动性增加。
临界粒子径：当粒子径小于100微米，粒子容易发 生聚集，内聚力超过粒子重力，妨碍了粒子的重力 行为，这时的粒子径称为临界粒子径。
粒子形状和表面粗糙性：不规则、粗糙，流动 性差。
吸湿性：吸湿性大，休止角大，流动性差。但当吸 湿量超过一定值后，水分起到润滑作用，流动性增 加。
再慢慢地使其倾斜，当粉体滑动时，板面和水平 面所形成的夹角。
《粉体工程与设备》课程教学大纲
一、基本信息
课程编号：01A32203 课程名称：粉体工程与设备
英文名称： Powder Engineering and Equipments 课程类型: □通识必修课 □通识核心课 □通识选修课 □学科基础课
■专业基础课 □专业必修课 □专业选修课 □实践环节
总学时：72
讲课学时：72
实验学时：0
学 分：4
适用对象：材料科学与工程专业本科生
先修课程：材料力学、机械设计基础、热工基础、流体力学、无机非金属材料科学基础、无机非金属
材料工艺学等理论课程和技术课程
课程负责人：姜奉华
二、课程的性质与作用
《粉体工程与设备》是材料科学与工程专业的一门专业基础课，其任务是粉体基本性质和粉体制备和 处理单元操作的基本理论及相关机械设备的构造、工作原理、设备选型计算方法。使学生对粉体材料生产 中的机械设备类型、构造、工作原理、工作参数及性能、用途有全面、系统和深入的理解，熟悉和掌握粉 体制备和处理的基本理论、各单元操作的特点及关键，熟悉相关机械设备的构造、工作原理及性能，能正 确进行设备选型，并为开发粉体工程新设备奠定基础。
难点：液桥作用力的分析
[授 课 方 法] 以课堂教学为主，课外学生自学为辅
[授 课 内 容]
第一节 粉体层的液体
第二节 粉体表面的湿润性
第三节 液体架桥
第四节 液体在粉体层毛细管中的上升高度
第五节 粉体润湿的应用
第五章 粉体的流变学
建议学时：6
[教学目的与要求] 掌握用直剪试验方法求粉体的内摩擦角及库仑粉体破坏包络线方程的意义；熟悉
二、不同尺寸球形颗粒的填充
三、实际颗粒的堆积
四、不同尺寸颗粒的最紧密堆积
粉体流变学-分析粉体流与不流行为
粉体流变学-分析粉体流与不流行为1）.内摩擦角-横坐标和屈服轨迹的切线之间的角。
2）.有效内摩擦角--由Jenike 定义的有效屈服轨迹的倾斜角（EYL ）。
有效屈服轨迹与横坐标之间的夹角称为有效内摩擦角δ。
它与粉体物料的内摩擦角有关，是衡量处于流动状态粉体流动阻力的一个参数。
当δ增加时，颗粒的流动性就降低。
对于给定的物体粉料，这个值常常随密实应力的降低而增大，但密实应力很低时，甚至可达900。
对于大多数物料， δ值在250到700之间。
流动时，最大主应力和最小主应力之比可以用有效屈服轨迹函数来表示：则 3）.莫尔应力圆－图形表示正应力和剪切应力坐标系中的应力状态，即正应力，t-平面。
4).正应力－通常作用于要求平面的应力。
也叫固结应力或压实应力.5).剪切应力T-平行作用于平面表面的应力。
6).屈服轨迹－失效时剪切应力与正应力的关系曲线。
屈服轨迹(YL)有时被称为瞬时屈服轨迹来区分于时间屈服轨迹。
屈服轨迹由粉体的剪切试验确定：一组粉体样品在同样的垂直应力条件下密实，然后在不同的垂直压力下，对每一个粉体样品进行剪切破坏试验。
在这种特殊的密实状态中，得到的粉体破坏包络线称为该粉体的屈服轨迹。
7).有效屈服轨迹（EYL ）－直线通过正应力的原点,t-平面，并与稳定状态的莫尔圆相切,符合给定堆积密度的散装固体的稳态流动条件.8).失败(散装固体的)－过度固结的散装固体塑性变形受到剪切,导致膨胀和强度降低。
131sin 1sin σδσδ+=-1313sin σσδσσ-=+9).流、稳态－临界状态时散装固体的连续塑性变形。
10).流动函数FF －特定散装固体的无侧限屈服强度和主要固结应力的关系曲线。
有时也称做开裂函数，是由Jenike 提出的，用来表示松散颗粒粉体的流动性能。
松散颗粒粉体的流动取决于由密实而形成的强度。
当f c =0时，FF=∞，即粉体完全自由流动流动性的标准分级如下：FF <1 不流动，凝结1< FF <2 很粘结，附着性强，流不动2< FF <4 粘结，有附着性4< FF <10 容易流动10< FF 自由流动影响粉体流动性的因素• 粉体加料时的冲击：冲击处的物料应力可以高于流动时产生的应力；• 温度和化学变化：高温时颗粒可能结块或软化，而冷却时可能产生相变，这些都可能影响粉体的流动性；• 湿度：湿料可以影响屈服轨迹和壁摩擦系数，而且还能引起料壁黏附；• 粒度：当颗粒变细时，流动性常常降低，而壁摩擦系数却趋于增加；• 振动：细颗粒的物料在振动时趋于密实，引起流动中断。
粉体材料科学与工程专业基础设置
粉体材料科学与工程专业基础设置一、专业简介粉体材料科学与工程是一门研究粉体材料的性质、制备、加工及应用的学科。
粉体材料是指颗粒尺寸在1微米到1毫米之间的物质。
作为一种新兴材料，粉体材料在能源、环境、电子、化工、冶金等领域具有广泛的应用前景。
粉体材料科学与工程专业的基础设置旨在培养学生掌握粉体材料的基本原理和工程技术，为学生今后的学习和研究打下坚实基础。
二、专业课程设置1.材料科学基础：介绍材料科学的基本概念、材料的结构与性能、晶体学原理等。
2.粉体物理学：讲授粉体物理学的基本原理，包括颗粒的力学性质、表面现象、流变学、分散性等。
3.粉体化学：介绍粉体与化学反应的基本原理，包括反应动力学、反应机理、粉体表面化学等。
4.粉体工程原理：讲解粉体工程的基本原理和工艺，包括制备方法、成型技术、表征方法等。
5.粉体材料性能测试：介绍粉体材料性能测试的原理和方法，包括粒度分析、物理性能测试、化学性能测试等。
6.粉体材料应用与开发：讲授粉体材料在各个领域的应用和开发技术，包括能源储存材料、催化剂、涂料、金属粉末等。
三、实践教学环节1.实验课程：安排粉体材料相关的实验课程，让学生亲自操作并实践学到的知识。
2.实习实训：组织学生参加粉体材料相关的实习和实训，培养学生应用知识解决实际问题的能力。
3.毕业设计：要求学生在粉体材料领域选择一个具体问题进行研究，并撰写毕业设计论文。
四、专业发展前景粉体材料科学与工程作为一门交叉学科，有着广阔的发展前景。
随着科学技术的发展和产业结构的调整，粉体材料的需求量不断增加。
粉体材料广泛应用于能源、环境、电子、化工、冶金等领域，对于提高产品性能和降低能源消耗具有重要作用。
因此，粉体材料科学与工程专业的毕业生具有良好的就业前景，能够在材料研发、制造、工艺优化等领域找到广泛的就业机会。
以上为粉体材料科学与工程专业基础设置的1200字文档，介绍了该专业的简介、课程设置、实践教学环节以及专业发展前景。
第三章 粉体的物性与流变学
6
二、粉体密度的测定方法 （一）真密度与颗粒粒度的测定：
常用的方法是用液体或气体将粉体置换的方法。 液浸法：采用加热或减压脱气法测定粉体所排开
的液体体积，即为粉体的真体积。
7
比重瓶法 测量原理：将粉体置于加有液体介质的容器中，
28
设密度ρ1的大颗粒单独填充时空隙率为ε1，将ρ2、 ε2的小颗粒填充到大颗粒的空隙中，则填充体单位 体积大颗粒的质量W1为： W1＝（1－ε1） ρ1
小颗粒质量
W2＝ ε1 （1－ ε2 ） ρ2
混合物中大颗粒的质量比率为
f W1
(1 1)1
W1 W2 (1 1)1 2 (1 1)2
4.5 内摩擦角：
N F
N
F
F i N
物体在平面或斜面运动示意图
i (对无附着性粉体) i tan i
i 内摩擦角
粉体层上任意一点的应力关系
45
4.6 内摩擦角的确定 直剪试验
1—砝码 2—上盒 3中盒 4—下盒 图 直剪试验
46
垂直应力 /9.8×104Pa 剪切应力τ/ 9.8×104Pa
28设密度的小颗粒填充到大颗粒的空隙中则填充体单位体积大颗粒的质量w混合物中大颗粒的质量比率为对于同材质的球形颗粒30第三节粉体的流变学粉体的流动性flowability与粒子的形状大小重力流动振动流动压缩流动流态化流动一粉体的流动性31种类现象或操作流动性的评价方法重力流动瓶或加料斗中的流出旋转容器型混合器充振动流动振动加料振动筛充填流出休止角流出速度压缩度表观密度压缩流动压缩成形压片压缩度壁面摩擦角内部摩擦角颗粒或片剂的空气输送休止角最小流化速由于颗粒间的摩擦力和内聚力而形成的角统称为摩擦角
利用粉体流变仪简易精准地测量粉体流动性 流变仪工作原理
利用粉体流变仪简易精准地测量粉体流动性流变仪工作原理分散性固体如粉体、颗粒材料遍布于几乎全部行业的很多加工过程中。
粉体的生产和研发可能会很困难，由于他们多而杂的物理特性取决于本身的性质和一系列外部因素。
粉体的特性物理在生产流程中可能发生变化，尤其在条件或者环境发生变化的时候。
例如，粉体从缝隙中释放时会表现为流体化特性，而在贮藏时又表现为固体化特性。
影响粉体流动性的因素粉体的流动性取决于一系列因素。
一方面是材料内部参数，比如颗粒大小、尺寸分布、颗粒形态能猛烈的影响粉体的处理。
另一方面，一系列外部因素也能更改粉体的流动性如湿度、温度等外部环境的变化，或者团聚体的处理加工过程。
为了确保顺当的处理加工，的质量掌控手段特别紧要。
粉体的特点可以通过安东帕流变仪的粉体测量单元来确定什么是内聚强度？内聚强度描述了粉体产生流动的内部阻力，因此用于测量粉体的流动本领。
它被定义为粉体颗粒之间的相互作用力强度。
基于内聚强度，您可以推想粉体是否能在加工过程中顺畅的流动，以及粉体的性质是否发生了变化。
这种测量方式用于质量掌控特别理想，由于它们可以快速有效地进行测量，同时供应重现性帮忙推想粉体的流动。
内聚强度测量还可以作为更加多而杂的质量掌控体系的基础，可以指明在加工或处理过程中可能会发生的问题。
此外，还可以供应更多的参数，如空气保持本领以及通过机械搅拌时的通气行为。
这可用于讨论粉体在气动输送、压片或装填等过程中的性能。
什么是流动指数？流动指数仿佛Carr指数和Hausner比值，通常通过察看粉体的可压缩性来测量。
可压缩性和粉体流动受到很多因素的影响，比如颗粒大小、形状、弹性、含水量和温度等。
推想这些因素对粉体流动性的影响很难很多而杂，因此通常直接讨论流动行为更简单一些。
为此，可压缩性通常通过对比自由放置的聚积密度和处理后的振实密度，得出Carr指数。
Hausner比值同样通过对比物质的聚积密度和振实密度来得到，但计算方式略微有些不同。
粉体力学与工程-05粉体的流变学
k h 1 sin i v 1 sin i
40
对上式积分得:
h
D
4mwk
ln( B g
4mwk
D
p) C
m C D /4w k ln B g
筒体的深度为h时，（Janssen公式)
p
B gD 4mwk
1
exp
4mwk
D
h
41
筒体的深度h=
时， p
p
B gD 4mwk
27
（1）安息角与流动性
h r
28
A
B
29
≤ 30°
安
息 角
≤ 40°
≥ 40°
影响流动性的因素：
流动性好 基本满足 流动性差
粒子大小及分布 粒子形态及表面粗糙性 含湿量 加入助流剂、润滑剂
30
颗粒的形状：粒子越接近于球形，其安息角越小；
粉体的填充状态：对于大多数物料，松散填充时的空
隙率max与安息角之间具有如下关系
•漏斗流（中心流）：只有料仓中央部分产生流动，流动区域呈漏斗 状，使料流顺序紊乱，甚至有部分粉体停滞不动，只有料仓中心的 物料在运动着 •整体流（质量流）：当料仓内任何一部分运动时，整个仓内的全体物料 也在运动。
52
又称“核心流动”。发生在平底料仓、斜度小或壁面 太粗糙的料仓内。 流动形式：中间有一锥形通道，周 围滞留区颗粒密实且表现出很差的 流动性。有时形成料桥或料拱
mic
mi为内摩擦系数，c为初抗剪强度
此式称为Columb公式，式中内摩擦系数为μi ，呈直
线的粉体称为库仑粉体。无附着性粉体，c=0；对于附 着性粉体，由于内聚力作用，引入附着力c项。
20
第5章 粉体的流变学
• 图5-4 •
• • • • • • 三轴压缩试验原理和试料的破坏形式
• 三轴压缩试验结果： • 表5-1 三轴压缩试验测定的例子 水平压力（Pa） 13.7 27.5 41.2 192 垂直压力（Pa） 63.7 129
• 破坏包络线与内摩擦角：以表 5-1 中的数据做 出这三个莫尔圆如图 5-5 所示，这三个圆称为 极限破坏圆。这些圆的共切线称为该粉体的破 坏包络线。这条破坏包络线与轴的夹角即为该 粉体的内摩擦角。
1 1 gy y y p B 1 p0 1 H H
1
• 若α=1，则
H y p B g y ln y p0 H
• 图为0.5，1，2，5时按式（5-19）计算所得到 的料斗压力分布图。
pp
oo
2 2
mm
• 图5-3
莫尔圆上倾角为最大的状态
2.内摩擦角的确定
• (1)三轴压缩试验 如图5-4所示将粉体 试料填充在圆筒状橡胶薄膜内，然后用 流体侧 向压制。用一个活塞单向压缩该 圆柱体直到破坏，在垂直方向获得最大 主应力，同时在水平方向获得最小主应 力，这些应力对组成了莫尔圆。以砂为 例的测定值见表5-1所示。
5.3粉体压力计算
• 1圆筒研究模型：圆筒形容器里的粉体， 取很薄的一层 ABCD 来进行研究，作用于 圆片上的力为：上部的压应力 P, 薄层的 重力Mg，方向向下；下部的支持力 P+dP, 摩擦力f，方向向上 PS V B g ( P dP) S PS w • 平衡时，有 2 2 P
h p
• 积分之 •得
2粉体工程-粉体流变学
流动性好 基本满足 流动性差
粘性粉体或粒径小于100~200μm的粉体粒子 间相互作用力较大而流动性差，相应地所测休 止角较大。
2、流速
流速:单位时间内粉体由一定孔径的孔或管中 流出的速度。
粉体流动性差时可加入100 μm的玻璃球助流。 流出速度越大，粉体流动性越好。
（1）莫尔圆
3、内摩擦系数
将式5-13进行处理、积分后得 即为Janssen（詹森）公式。
粉体压力饱和现象 当粉体填充高度达到一定值后，p趋于常数值，
这一现象称为粉体压力饱和现象。
五、粉体在料仓中的流动模式 (1)粉体从直筒 形料仓口流出
(2)漏斗流
漏斗流料仓的缺点： ① 出料口的流速可能不稳定。 ② 料拱或穿孔崩塌 ff，即fc < fc crit为结拱时的临界开放屈服强度，则有
fc crit < 整理可得
，取
式中ρB—物料容积密度； B—卸料口宽度
H(θ)—料斗半顶角的函数
八、颗粒贮存和流动时的偏析
（1）粉体偏析的机理 a. 细颗粒的渗漏作用 b. 振动 c. 颗粒的下落轨迹 d. 料堆上的冲撞 e. 安息角的影响
2 空隙率ε：空隙体积占粉体填充体积的比率。
第三章 粉体的润湿性
润湿性 (wetting) 是指固体界面由固-气界面 变为固-液界面现象。
固体的润湿性用接触角θ表示。 液滴在固体
表面上所受的力达平衡时符合Yong’s公式： γsg=
γsl+ γlgcosθ 式中， γsg、 γsl、 γlg分别固-气、固-液、气-
是指粉体质量除以该粉体所占容器的体积 V求得的密度，亦称堆密度。
ρb= w/V
填充粉体时，经一定规律振动或轻敲后测
粉体力学特性研究与粉体流动模拟分析
粉体力学特性研究与粉体流动模拟分析粉体力学特性研究一直是材料科学领域的重要研究方向，对于粉体行为的深入理解和粉体流动的模拟分析能够为粉体材料的设计、制备和应用提供重要的理论支持和技术指导。
本文将从实验研究和数值模拟两个方面，讨论粉体力学特性的研究方法和粉体流动模拟分析的应用。
一、实验研究粉体力学特性的实验研究主要通过物理实验和力学试验两种方法来获取粉体的基本性质和行为规律。
物理实验主要包括颗粒形貌分析、颗粒大小分布、颗粒堆积密度等参数的测量。
力学试验则更加关注于粉体的力学性能，包括颗粒堆积的静压力、剪切强度、流变性质等。
通过实验数据的统计分析和数学建模，可以对粉体的力学特性进行描述和预测。
二、数值模拟数值模拟分析是粉体力学研究的重要手段之一，通过建立数学模型和利用计算机进行仿真计算，可以模拟和预测粉体在不同条件下的流动行为。
常用的数值模拟方法包括离散元法、有限元法和CFD （Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）等。
离散元法是一种适用于颗粒系统研究的数值模拟方法，通过对颗粒之间的相互作用力进行计算，模拟和分析颗粒的堆积、碰撞和流动等行为。
离散元法的优点在于可以考虑颗粒之间的相互作用以及颗粒的运动路径，较好地反映了颗粒体系的实际行为。
有限元法是一种广泛应用于力学问题求解的数值模拟方法，将连续体离散为有限的节点和单元，通过求解节点的位移和应力分布来分析问题的全局行为。
在粉体力学中，有限元法可以用于模拟粉体的力学响应以及粉体的变形和破坏过程。
CFD是一种求解流体流动问题的数值模拟方法，可以模拟粉体在流体中的运动行为。
通过建立粉体流动的数学模型，考虑流体的流动方程和颗粒的相互作用力，可以模拟和预测粉体的运动速度、流动性质以及颗粒的分布情况。
三、研究应用粉体力学特性的研究和粉体流动模拟分析在材料科学、化工工程、矿山等领域具有重要的应用价值。
在材料科学中，对于粉末冶金材料的制备工艺和性能优化，粉体力学研究可以提供理论依据和指导；在化工工程领域，粉体流动模拟分析可以用于旋转鼓、物料输送管道等粉体设备的设计和优化；在矿山工程中，通过研究粉体颗粒的堆积和流动行为，可以为矿石的分离和选矿提供参考。
粉体材料科学与工程专业本科课程设置
粉体材料科学与工程专业本科课程设置概述粉体材料科学与工程专业是指培养从事粉体材料科学与工程的本科人才的学科专业。
该专业旨在培养具有扎实的自然科学基础和工程技术知识，熟悉粉体材料科学与工程的原理和技术，具备粉体材料的开发、制备、应用与控制的能力。
课程设置1.自然科学基础课程–高等数学–线性代数与解析几何–大学物理–大学化学–高等英语2.专业基础课程–粉体科学与工程导论–粉末冶金学–粉末复合材料制备与应用–粒度学与颗粒表面化学–粉体流变学–粉体技术实验3.专业核心课程–粉状金属材料–粉末陶瓷制备与应用–纳米材料与纳米技术–粉末冶金工程设计与实践–粉体材料表征与分析4.专业选修课程–粉末冶金材料与工艺–粉末冶金成型技术–粉体涂敷技术–粉末冶金模具设计与制造–粉末冶金材料的性能与应用实践环节1.实验教学粉体材料科学与工程专业的实验课程设置多样，旨在培养学生实践动手能力和科学研究能力。
其中包括粉末制备与加工实验、粉末颗粒表面化学实验、粉末流变学实验、粉体材料性能测试与表征实验等。
2.实习实训学生需要参加规定的实习实训活动，以提升实际操作能力和工程实践经验。
实习实训地点可以设在企事业单位的科研实验室、生产车间等。
3.毕业设计毕业设计是粉体材料科学与工程专业本科生的专业综合实践活动，学生需要结合所学课程的知识和实践经验，完成一个具有一定实际意义的研究课题。
就业方向与前景粉体材料科学与工程专业本科毕业生可在粉体冶金、高性能陶瓷、纳米材料、材料表面工程、粉末涂层等领域从事产品研发、工艺设计、生产制造、技术支持等工作。
随着科技进步和高新技术的发展，粉体材料科学与工程专业将会有更广泛的发展前景，并对社会经济的发展做出积极贡献。
以上是粉体材料科学与工程专业本科课程设置的简要介绍，通过系统的学习与实践，学生将具备掌握粉体材料科学与工程的基本理论和实践技能的能力，为未来从事相关领域的工作做好充分准备。
粉体工程考研题库
粉体工程考研题库粉体工程是一门研究固体颗粒材料的加工、处理、应用和特性的学科。
在考研题库中，通常会包含基础理论、工艺技术、设备设计、材料特性分析以及实际应用案例等方面的问题。
以下是一些可能包含在粉体工程考研题库中的问题和解答：1. 粉体的基本概念：- 粉体是指粒径在一定范围内的固体颗粒的集合体。
通常，粒径小于1毫米的颗粒可以被认为是粉体。
2. 粉体的分类：- 根据颗粒大小，粉体可以分为粗粉、细粉和超细粉。
根据颗粒形状，可以分为球形、不规则形等。
3. 粉体的物理特性：- 包括颗粒大小分布、比表面积、孔隙率、颗粒形状、密度等。
4. 粉体的加工技术：- 包括粉碎、筛分、混合、造粒、干燥等。
5. 粉体的表面改性：- 通过物理或化学方法改变粉体颗粒的表面性质，以提高其在特定应用中的性能。
6. 粉体的流变学特性：- 研究粉体在流动过程中的力学行为，如流动性、压缩性、凝聚性等。
7. 粉体的储存与输送：- 涉及粉体在储存和输送过程中的设备选择、防结块、防污染等。
8. 粉体在工业中的应用：- 如在医药、食品、化工、建筑材料等领域的应用。
9. 粉体工程中的环境问题：- 包括粉尘的控制、废气处理、废物回收等。
10. 粉体工程的发展趋势：- 探讨粉体工程在新材料开发、节能减排、智能制造等方面的前景。
实例问题：- 某制药企业需要将一种药物粉末进行粉碎以提高其溶解速率，应选择哪种粉碎方式？- 根据药物粉末的特性，可以选择湿法粉碎或干法粉碎。
湿法粉碎适用于易燃易爆或有毒的粉末，而干法粉碎适用于一般粉末。
结尾：粉体工程是一个多学科交叉的领域，它涉及到材料科学、化学工程、机械工程等多个学科。
掌握粉体工程的基础知识和技能对于从事相关领域的研究和开发至关重要。
希望以上的题库内容能够帮助考研学生更好地准备考试，深入理解粉体工程的各个方面。
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所以安息角不是细颗粒的基本物性。
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习题：
600g 面粉用堆积法测量安息角如下图所示，高
10cm,下表面直径20cm,求面粉的安息角。已知面粉
的颗粒密度是1100kg/m3, 求其堆积密度和孔隙率。
H=10cm D=10cm
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5.1.3 壁面摩擦角与滑动摩擦角
粉体与固体材料壁面接触存在摩擦行为，其中：
3. 动态时的压力是静态时的3~4倍，称动态超压 现象 4. 粉体上层有外载荷 p0 情况下，粉体的铅垂应 力为:
4 mwk p p ( p 0 p ) exp( h) D
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2 料斗（锥体）的应力分布
倒锥形料斗的粉体压力可参照Janssen法进 行推导。如图以圆锥顶点为起点，取单元体部分 粉体沿铅锤方向力平衡。
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（2）摩擦角 以三组不同的数据作出莫尔圆（这三个圆称为极 限破坏圆），这些圆的共切线称为该粉体的破坏包络 线。这条破坏包络线与轴的夹角φi即为该粉体的内
摩擦角。
i
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（3）破坏角 破坏面与铅垂方向的夹角，大小等于p到1 连线与轴的夹角，大小等于（π/4-φi/2） 1
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5.1 粉体的摩擦角
5.1.1 内摩擦角 粉体层中，压应力和剪应力之间有一个引起破坏的极限。即 在粉体层的任意面上加一定的垂直应力σ，若沿这一面的剪 应力τ逐渐增加，当剪应力达到某一值时，粉体沿此面产生
滑移，而小于这一值的剪应力却不产生这种现象。
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莫尔圆
用二元应力系分析粉体层中某一点的应力状态。根据
r 0.05(100 max 15)1.57
振动条件 ：振动时间越长，安息角越小，流动性增加。
输送条件：流动堆积角为静止堆积角的70％
***(皮带运输机)
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（2）安息角测定
堆积法（注入法）：粉体通过小孔，慢慢地落到平板 上，形成圆锥形堆积，而测定堆积体的倾钭角。 排出法（卸流法）：撤掉静止堆积的粉体层的局部支 撑形成崩塌面所显示的角。
直剪仪
p 垂直压力 水平力T
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1.直剪试验 （直接剪切试验,Direct shear test)
直剪仪
p 垂直压力 水平力T
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例1.对某砂土样做的直剪试验结果如下：
编号 σ （kPa） τ 1 2 3 50 150 250
f（kPa）
34 103 172
求出试验2破坏面上的主应力。
h
r
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A
B
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安 息 角
≤ 30° ≤ 40° ≥ 40°
流动性好 基本满足 流动性差
影响流动性的因素：
粒子大小及分布 粒子形态及表面粗糙性 含湿量 加入助流剂、润滑剂
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颗粒的形状：粒子越接近于球形，其安息角越小； 粉体的填充状态：对于大多数物料，松散填充时的空 隙率max与安息角之间具有如下关系
mi c
粉体沿粉体内某一平面滑移：该平面上的应力满 足库仑定律
mi c
粉体内任一平面上的应力，不会发生：
mi c
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粉体所处流动状态的判断
已知库仑粉体的临界流动条件曲线（抗剪强度 曲线），以及粉体中某点的应力状态，判断该点是否 发生流动！！
将粉体的临界流动曲线与莫尔圆画在同一坐标图 上，如下图所示，它们之间的关系有下列三种情况。
• 粉体有一系列松装性质，例如力学性质、 热性质、电性质、磁性、光学性、声学性 及表面物理化学性质等。
• 在应用领域里，粉体的流变性是被广泛研 究的性质，它与粉体贮存、给料、输送、 混合等单元操作密切相关。
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粉体的流变性
• 在于在少许外力的作用下呈现出固体所不 具备的流动性和变形。它表示物质存在的 一种状态，即不同于气体、液体，也不完 全同于固体，正如不少国外学者所认为的 ，粉体是气、液、固相之外的第四相。 • 在后面的分析中，假定粉体完全均质（填 充状态，力学性质）并且是连续体 。
半径为
1 3 2
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粉体层的破坏是当α角为最大时发生。如图所示的p点，
在op为圆的切线时的、作用下，粉体层发生破坏。
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内摩擦角的确定 （1）三轴压缩试验
如图所示，将粉体试料填充在圆筒状橡胶薄膜内，然后用流体 侧向压制。用一个活塞单向压缩该圆柱体直到破坏，在垂直方向获 得最大主应力1，同时在水平方向获得最小主应力3，这些应力对 组成了莫尔圆。
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2 物料的流动模式
物料在料仓内流动时，仓壁压力不仅取决于颗粒沿仓
壁滑动引起的摩擦力，而且还取决于加料和卸料过程中形 成的流动模式。 了解料仓中物料呈现的流动模式是理解掌握作用于 物料或料仓上各种力的基础。
•漏斗流（中心流）：只有料仓中央部分产生流动，流动区域呈漏 斗状，使料流顺序紊乱，甚至有部分粉体停滞不动，只有料仓中心 的物料在运动着 •整体流（质量流）：当料仓内任何一部分运动时，整个仓内的全体物料 也在运动。
第五章 粉体的流变学
• 基本要求：掌握内摩擦角、安息角、壁摩 擦角和滑动摩擦角等概念；掌握粉体压力 计算方法；了解料仓的设计、粉体储存和 流动时的偏析、粉体结拱和预防
• 重点：筒仓内部的粉体压力分布、料斗内 部的粉体压力分布、料仓的设计
• 难点：内摩擦角、安息角、壁摩擦角和滑 动摩擦角。
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倾箱法（倾斜法）：使装有粉体的容器倾斜测定粉体开始 流动时的角度。
旋转圆筒法：将粉体装入透明的圆筒容器内使其旋转测定
流动表面与水平面所形成角度的方法。 上述方法使用的虽然是同一类物料，而测定结果并不 一定相同。 通常：倾斜角>排出角>注入角
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对于细颗粒，粉体具有较强的可压缩 性和团聚性，安息角与过程有关。 如:粉体流出速度、容器提升速度和转筒 旋转速度有关。
III. 剪切激烈运动
IV. 完全不运动
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粉体在柱体底部出料口料流状态
粉体在料仓排料口正上 方的部分首先流出，然后 逐步扩大
•A 为颗粒擦过B区向出口中 心迅速滑动区
•B 为颗粒擦过E区向出料口 中心方向缓慢滑动区 •C 为颗粒垂直运动区 •D 为颗粒自由降落区 •E 为颗粒不动区
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圆 柱 体 容 器 内 受 力 分 析
kp
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对圆筒形容器内的一薄层ABCD来进行研究，当作 用于这个圆片上的力处于平衡时，有： 上层压力 重力 下层支持力 壁摩擦力
2 2 2 D p D B g d h D ( p d p ) D m w k pd h 4 4 4
1）先做f—关系曲线 2）作出莫尔圆，求出1 和3
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200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 µ Á Ï Ð 1
f tg
3=96kPa
1=346kPa
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（5）库仑粉体与库仑定律
粉体层与固体壁面之间摩擦特性用壁面摩擦角表示
w
单个粒子与壁面的摩擦用滑动角表示
s
wo
wW ws
F
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5.2 粉体压力计算
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1 Janssen公式
对下图所示的圆筒形容器里的粉体进行分 析，并作如下假定：
容器内的粉体层处于极限应力状态；
同一水平面的铅垂压力相等；
粉体的物性和填充状态均一； 水平和垂汽车工程学院
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（4）剪切法测定内摩擦角 粉体经过压实后,利用摩擦角测量装臵，进行剪切
实验，会得到一系列粉体流动临界值。
W ( )
F ( )
例如，用单面剪切仪，在上下重叠的二个容器内填 充粉体，加垂直载荷，在水平方向上如果加上剪切力， 粉体层将发生滑动，记录错动瞬间的和，在-坐标系 中做出一条轨迹线，这条轨迹线即为破坏包络线。
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直剪预压仪
直剪仪
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土的抗剪强度试验
1.直剪试验 （直接剪切试验,Direct shear test)
直剪仪
p 垂直压力 水平力T
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1.直剪试验 （直接剪切试验,Direct shear test)
直剪仪
p 垂直压力 水平力T
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1.直剪试验 （直接剪切试验,Direct shear test)
料仓起到对贮存物料均化的作用 (物料标准化)
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立式料仓
结构简单
占地面积小
贮存密度大 易 “搭桥”
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卧式料仓
贮料高度低，堆积密度较均匀，不易“搭桥”，但 占地面积大，动力消耗大
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1 粉体从孔中流出
I. 作均匀运动 II. 偏离垂直方向
粉体的破坏包络线方程可以写成
mi c
mi为内摩擦系数，c为初抗剪强度
此式称为Columb公式，式中内摩擦系数为μi ，呈直 线的粉体称为库仑粉体。无附着性粉体，c=0；对于附 着性粉体，由于内聚力作用，引入附着力c项。
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小结：
库仑定律是粉体流动和临界流动的充要条件。 粉体处于静止状态：粉体内任一平面上的应力为
p0