[论文解读] Mixing Grains with Different Elongation in a Rotating Drums

Claudia Piacenza, Marco Marconati+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2018

Granular flow and fluidized beds参考文献 9被引用 5

一句话总结

本实验研究调查了在旋转鼓中，体积相同但长径比（长细比）不同的二元颗粒混合物的混合动力学。结果表明，只有当长细比差异低于临界阈值时，才能实现有效混合；否则，会形成富含更长颗粒的核心，导致严重分离，即使长时间混合也无法实现均匀性。

ABSTRACT

Mixing grains with different properties is a remarkably challenging process, relevant to many industrial applications. Rotating drums have been used extensively as model systems to study granular media flow and mixing and segregation. Numerous studies considered the mixing of grains with different sizes, but only few studies considered shape and elongation, which have been already identified as important characteristics affecting packing and inducing segregation. In this contribution, the mixing of binary mixtures of grains having the same volume, but different elongations was studied experimentally. The mixing dynamics of a layered granular medium was characterized in a rotating drum, highlighting the impact of the grain shape, of the drum angular speed and of the drum filling ratio. A mixed or segregated state is reached very rapidly, but experiments are continued to verify that the state reached is a steady state. The experiments demonstrated that below a critical difference of elongation, the grains can be mixed effectively. Conversely, when grain elongations are very different, a central core is formed, rich in the more elongated grains. In this case only limited mixing can be achieved. These results can guide the formulation of mixtures of grains with different elongations.

研究动机与目标

• 理解颗粒形状（特别是长细比）如何影响旋转鼓系统中的混合与分离行为。
• 研究鼓的角速度和填充率在长形颗粒混合动力学中的作用。
• 确定相同体积、不同长细比颗粒的二元混合物在何种条件下实现有效混合或发生分离。
• 识别触发旋转系统中不可逆分离的长细比差异临界阈值。

提出的方法

• 采用透明旋转鼓进行实验，其中填充有体积相同但长径比不同的二元颗粒混合物。
• 在每次实验开始时对颗粒混合物进行分层，以模拟初始不均匀性，并监测其随时间的演变。
• 以受控的角速度旋转鼓，并系统性地改变填充率，以评估其对混合行为的影响。
• 通过视觉和定量方式随时间监测混合状态，以判断是否达到稳定状态。
• 分析颗粒的最终空间分布，以分类结果为混合或分离状态，特别关注核心的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 颗粒长细比的差异如何影响旋转鼓中的混合效率？
• RQ2 鼓的角速度在长形颗粒的分离或均质化过程中起什么作用？
• RQ3 鼓的填充率如何影响二元颗粒混合物中分离区域的形成？
• RQ4 在何种长细比差异临界值下，有效混合失效，核心分离占主导地位？

主要发现

• 当颗粒长细比差异低于临界阈值时，混合物可实现有效混合，分离程度极低。
• 超过此临界长细比差异后，富含更长颗粒的中心核心会迅速形成，表明存在强烈分离。
• 混合动力学迅速达到稳定状态，但最终状态在很大程度上取决于颗粒之间的长细比差异。
• 富含长颗粒的核心形成限制了混合程度，即使经过长时间旋转也难以改善。
• 鼓的角速度和填充率虽能调节分离速率，但无法克服长细比不匹配的根本影响。
• 体积相同但长径比不同的颗粒由于形状相关的堆积和流动动力学，表现出不同的迁移行为。