（机械设计及理论专业论文）基于图像法的粮食颗粒流动特性测试分析.pdf

摘要 了解粮食颗粒的流动特性，得到其悬浮速度，对于降低粮食气力输送中的能耗、 发展粮食物料的气力输送有重要意义。图像法是一种基于图像处理技术的非接触式测 试手段，作者通过对图像法测试技术的研究和对粮食颗粒在垂直管道中流动状态的观 察、分析，提出一种利用图像法研究粮食颗粒流动特性、测量其悬浮速度的新方法， 通过理论分析与试验验证，用该方法研究粮食颗粒的流动特性是切实可行的。本文利 用此方法着重从粮食颗粒的浓度波动特性和悬浮速度两方面来探讨粮食颗粒的流动 特性。对所获得的信号进行统计及频谱分析，探讨垂直管道中粮食颗粒浓度的波动特 性：并测定了几种常见粮食颗粒的悬浮速度，分析了各种因素对颗粒悬浮速度的影响。 可为粮食气力输送机械的设计、优化提供参考依据。 关键词：图像法；粮食颗粒；流动特性；悬浮速度 t e s ta n d a n a l y s i so fg r a i nf l o wc h a r a c t e r i s t i c s b a s e do ni m a g i n gp r o c e s sm e t h o d a b s t r a c t i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et og e tg r a i nf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n ds u s p e n s i o nv e l o c i t y f o rl o w e r i n gp n e u m a t i cc o n v e y i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n dd e v e l o p i n gp n e u m a t i c c o n v e y i n g i m a g i n gp r o c e s sm e t h o di san o n c o n t a c tt e s t i n gm e a n sb a s e do ni m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y b a s e do ns t u d yo fi m a g i n gp r o c e s sm e t h o dm e a s u r i n gt e c h n o l o g y a n da n a l y s i so fg r a i nf l o ws t a t ei nv e r t i c a lp i p e , an o wm e t h o do fm e a s u r i n gg r a i nf l o w c h a r a c t e r i s t i c sb yi m a g i n gp r o c e s sm e t h o dw a si n t r o d u c e d 。t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t ss h o wt h a ti ti sf e a s i b l et os t u d yg r a i nf l o wc h a r a c t e r i s t i c sb yt h i sm e t h o d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fg r a i nc o n c e n t r a t i o nf l u c t u a t i o na n ds u s p e n s i o nv e l o c i t y , t h i sp a p e r s t u d yg r a i nf l o wc h a r a c t e r i s t i c sb yu s i n gi m a g i n gp r o c e s sm e t h o d t h e o b t a i n e ds i g n a lw a s p r o c e s s e dw i t l ls t a t i s t i c a la n df r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d s ，g r a i nf l o wc h a r a c t e r i s t i c si n v e r t i c a lp i p ew c l ef o u n do u t ；a l s os u s p e n s i o nv e l o c i t yo fs e v e r a lg r a i nw a sm e a s u r e dw i t h t h i sw a y , t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r ea n a l y z e d t h er e s e a r c hc o u l dp r o v i d eb a s i st h e o r i e s f o ri m p r o v e m e n to fa e r o d y n a m i cf o r c et r a n s p o r t a t i o nf a c i l i t y k e yw o r d s ：i m a g i n gp r o c e s sm e t h o d ；g r a i n ，f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ；s u s p e n s i o nv e l o c i t y d ir e c t e db y ：p r o f t a n a a p p iic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：z h a n gz hiy a o ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) ( c o l l e g eo f m a c h i n e r ya n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n n e rm o n g o l i a a g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y h o h h o t0 1 0 0 1 8 。c h i n a ) 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加l ；乏标注和致 毒 肖 地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果：也不包 含为获得我校或其他教育机构的学位或证书薅使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文律者签名塾查垄- 甚期： 瑚，石。多 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完金了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定帮：研 究生在攻读学位期闻论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本 人保证毕业高校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师菇通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向冒家有关都门或机构遂交论文的复印停和电 - 予文档，允许论文被查阕和借阏。学校可以公布学位论文的全部或部 分内客， b c ；每一种粮食颗粒测量1 0 组( 即1 0 0 粒) 。 长、宽、厚的几何定义n 射： 厚度c 是两个平行平面间的距离，这两个平面与颗粒两个对立面相切，其中之一 应具有最大稳定性； 宽度b 是另一对平行平面间的距离，这一对平行平面与决定厚度的平行平面垂直 相交，并予颗粒的两个相对的边相切； 长度a 是又一对平行平面间的距离，这一对平行平面与决定厚度和宽度的两对平 行平面都垂直相交，并与颗粒的两个相应面相切。 在粮食颗粒流动特性的研究巾，农业物料的形状大都是不规则的，在流体中呈随 机方位，故它们的临界速度不易计算。在工程实际使用中，为了估算形状相似的非球 体物料的临界速度，可把不规则物体转化为当量球体进行计算。 当量直径有体积当量直径、质量当量径、斯托克斯直径，本课题中采用体积当量 直径( 后文中所提到的当量直径均指体积当壁直径) 。 体积当量直径是指如物体体积与某个球体的体积相等，则这个球体的直径就称为 该物体的体积当量直径。 将粮食颗粒看作椭球形计算其体积，则： ；r c a b c 一踅d j t 一1 f ( 1 ) 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 体积当量直径：d = 瓶 c 2 ) 颗粒的形状能够影响物料气力输送的行为，不管是由于物料与管壁、物料与气体 的相互作用还是物料与物料的相互作用，这一点已被广泛接受。颗粒的形状常用颗粒 的球形度来表示。 颗粒的球形度是定量描述颗粒形状的参数，它定义为：与颗粒具有相同体积的球 形的表面积除以颗粒的表面积。 球形度的数学表达式为： = j r ( 6 v r 一) ( 3 )= ( 3 ) 其中：、，_ 为颗粒体积， 矿= 夕r a b c (4)6 、1 s 一颗粒表面积，其近似公式为： s = 2 7 r 归瓦瓦瓦习可硒忑否丽 表2 颗粒平均尺寸及当量直径 t a b l e 2t h e a v e r a g es i z ea n de q u i v a l e n td i a m e t e ro fg r a i n 2 2 2 密度的测量 密度是物料的一个重要物理量，在很多研究过程中都与其有关。例如在其贮存、 加工、输送、流动等过程中，它的流动性、摩擦特性、贮存特性都与密度有密切关系。 由于研究的对象不同和过程的不同，表示密度的方法也不同9 1 ： ( 1 ) 研究单个颗粒时，其密度可出其质量和占有的体积之比求得，称为颗粒密 l o 度。 基于图像法的粮食颗粒流动特性测试分析 ( 2 ) 研究散粒体群体时，用其所占的容积以及其质量，计算如的密度称为散粒 体密度。 ( 3 ) 真密度岛：颗粒或敖粒体的质量除以其固体部分的体积。 ( 4 ) 表观密度成：颗粒或散粒体的质量除以除去表面开口，缝隙后固体部分的 体积。 ( 5 ) 有效密度反：颗粒或散粒体静质量除以包括表面开1 ：3 ，缝隙和内部空洞等。 显然，真密度 表观密度 有效密度。 教粒体密度的测量：采用的l o o c m 3 环刀量取颗粒，然后用天平称其重量，多次 测量取平均值( 本试验中测量5 次) ，即可得物料的散粒体密度。 真密度的测量：采用浸渡法测量物料的真密度，首先在量程为2 5 0 m l 的量篱中加 入约1 5 。l i l l 的永，读取水的精确体积乙。；然后，称取l o o g 的颡粒物料，将其倒入量 筒中，再次读取量筒中液面处的刻度l 2 ，则l 2 _ l ，即为l o o g 物料的体积。重复上述操 作，多次测量取平均俊，逶过计算便可得出颗粒物料的真密度。 表3 试验材料的物理特性 t a b l e 3 p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f e x p e r i m e n t a ! m a t e r i a l s 当量直径单粒质量真密度数救体密度 颗粒 ( m m ) ( g )( g c m 。3 )( g c m 3 ) b b 弹6 o oo 1 ll 。0 9o 6 l 绿豆4 3 唾o 。o s1 3 9o 8 6 青豆 6 6 9o 1 91 2 70 7 3 大豆 6 4 6o 1 s1 2 8o 。7 4 冀豆8 5 0o 3 71 2 0o 7 1 3 颗粒的受力及悬浮速度 3 1 颗粒的受力概述 粮食颗粒流动特性的研究属于气体固体颗粒两相流问题，气固两相流中颗粒受 到多种力的作用，主要包括啪1 ： ( 1 ) 重力：出于是在重力场中研究气体一固体颗粒两相梳，重力w 始终作瘸在 颗粒上。其计算式为： w = m 尹g = p p 匕g ( 6 ) ( 2 ) 浮力：由于固体颗粒处在气体中或被气体携带着运动，浮力疋也始终作 内蒙古农业大学硕士学位论文 ii 用在颗粘上。其计算式为： 兄寻依名 ( 7 ) ( 3 ) 气动阻力：只要颗粒体与气体有相对运动，便有气动阻力作用在颗粒上。 如果颗粒是球形的，流动又是定常的，则气动阻力为： b = c o 坐掣趔丝4 方向与气体相对于颗粒的速度方向一致。其中阻力系数c d 随雷诺数r e 而变化， 雷诺数在不同的范围，阻力系数有不同的表达式。 ( 4 ) 压强梯度力：在有压强梯度的流动中，例如管内流动等，总有压强的合力 作用在颗粒上。如果沿流动方向的压强梯度用印刮表示，则作用在球形颗粒上的压 强梯度力为： f p - 一等害 可见，该力的大小等于颗粒的体积与压强梯度的乘积，方向与压强梯度相反。浮 力也是压强梯度力，成便是重力场中静止流体沿铅垂方向的压强梯度。 ( 5 ) 附加质量力：当直径d ，的球形颗粒在理想不可压缩无界静止流体中以等加 速度口，作直线运动时，它必将带动周围的流体，也加速运动。周围被带动的按加速 度口，折算的流体质量称为附加质量，推动周围流体加速的力称为附加质量力。在颗 粒推动周围流体加速运动的同时，流体将以同样大小的力反作用在颗粒上，该力应当 是作用在颗粒上分布不对称的压强的合力。按压强分布计算的附加质量力为： c ：三孚& (10)2 1 胂 6 尸g ”， “”。 可见，附加质量为与颗粒同体积的流体质帚的一半；附加质量力数值上等于与颗 粒同体积的流体以a 。加速运动时的惯性力的一半。附加质量力虽然是按理想流体计 算的，但对粘性流体同样适用。因为颗粒在粘性流体中加速运动时，同样要带动周围 的流体加速运动。推动颗粒及其带动的流体加速运动的力为： f = 孚删畦缸 ) 实验证明，实测的附加质量比上面的理论计算值大些。对于气体一固体颗粒两相 流，由于b p p 的数量级为1 0 ，当相对加速度不是很大时，通常都不考虑附加质量 力。 ( 6 ) 巴塞特( b a s s e t ) 力：如果上述流场的流体是有粘性的，颗粒在流场内作 1 2 基于图像法的粮食颗粒流动特性测试分辑 。 任意变速直线运动，作用在该颗粒上除有附加质量力以外，必定还有因颗粒在粘性流 体中作变速运动面增加的阻力，这种力便是巴塞特力。如果如为起始时刻，t 为积分 变量，巴塞特力的计算式为： 1 虼，拳三3 口尹2 ( 磁心) 2 ：( t - t 。陀丢心一o ) 承 ( 1 2 ) 对子气体一固体颗粒两相流，上式中密度沈的数量级为l o 咭，当t t 。2 时，巴 塞特力约为斯托克斯阻力的十分之，可以忽略不计。 ( 7 ) 萨夫曼( s a f f m a n ) 升力：当圆体颗粒在有速度梯度的流场中运动时，由于 颗粒两侧的流速不一样，会产生一由低速指向高速方向的升力，称为萨夫曼升力。最 常见的是边界层，在边界层的高切向应力区，萨夫曼升力是必须考虑的。在以气体和 固体颗粒相对速度计算的雷诺数r e l 的情况下，萨夫曼升力的计算式为： 曩= 1 6 1 d ；( p g # g ) 1 1 2 ( k 一) l 呶咖r ( 1 3 ) 在高雷诺区，尚无合适的萨夫曼升力计算式。 ( 8 ) 马格努斯( m a g n u s ) 效应：当固体颗粒在流场中自身旋转时，会产生一与 流场的流动方向相垂直的瞻逆流侧指向顺流侧方向的力，称为马格努斯效应。如果颗 粒的旋转角速度为国，该力的计算式为： f m = 瑕矗三( 弋- v , ) c o l 8 ( 1 ) 除上述这些作用力外，还可能有颗粒与颗粒、颗粒与管壁的碰撞力，但这些作 用力很难计算。同时作用在颗粒上的是哪几种力，要根据具体情况而定。 在实际的多相流系统中，颗粒群阻力的大小还受到许多因素如流体的不稳定流 动和湍流流动、流体的稀薄效应和可压缩性、壁面的存在、颗粒群的稠密度等的影响。 尽管作用在颗粒上的力相当复杂，但般情况下并非所有力都同样重要。如在气圊两 楣流动中，由于气体的密度通常远小予颗粒的密度，与颗粒本身惯性褶比，浮力、压 力梯度力、虚假质量力等力均很小，可以忽略不计在以上所有的力中，气动阻力相 对恧言是最重要的力，它对流动、传热、传质等都起着十分重要的作用，不能忽略。 实际上，很多作者在计算时，对相间作用力只考虑了气动阻力秘钉。在不同的情况下， 对气动阻力系数进行修正。尽前大部分的研究工作是归纳德到各种操作条件下的关联 式，而不同的研究者的关联式计算结果相差较大，迄今为止还未有很可靠的计算公 式。 3 2 悬浮速度 颗粒悬浮速度是通撤除尘、气力输送及燃烧等工程技术中的一今重要概念。它是 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 3 这样引入的：颗粒在静止空气中自幽沉降，当阻力与重力相等时，颗粒在空气中作等 速沉降所能达到的最大下落速度称为沉降速度。如果颗粒不是处子静止空气中，而且 处于速度等于沉降速度的上井气流中，颗粒便会处于悬浮状态，这时的上升气流速度 便称为悬浮速度。 物体的自幽悬浮速度在数值上等于该物体的自由沉降速度的气流速度如果忽 略其他因素，当气流的速度大予物料的自幽悬浮速度时，物料将随气流上升；反之， 则逆气流丽下降。如果流体以此速度向上运动，则固体将处在一个水平藤上呈摆动状 态，既不上升也不下降。因此，物料的自由悬浮速度是风选和风送的重要参数之一 嗍。 3 2 。1 单颗粒的悬浮速度 在垂直系统中，对于直径为的单个球形物体，在空气中的浮重为： 形2 詈( 绣一力g ( 1 5 ) 当悬浮速度以表示时，则物体所受的空气动力为： 火= c 三彩p 譬 如果固体颗粒处于悬浮状态，即由于流体向上运动使颗粒群悬浮， 气动力r 与浮重形相平衡的力学条件，即有 c 警连= 挈t 旷g 由此可解磁： ( 1 6 ) 则必须满足空 ( 1 7 ) 2 詹警以6 2 、警 ， 式中：，o 球形物体的自出悬浮速度，m s 致球形物体的真密度，蠹g r n 3 矿气流的密度，姆掰。 c 球体的l j 且力系数 球体的阻力系数c 随钌 j ：i ! 数r e 的变