粉体力学

从人类社会的发端开始,粉体技术就与每个人息息相关,一刻也没有离开。从原始人制造石器粉碎食物,到工业革命粉体产品批量生产,以及现今粉体的微细化和安全问题等,促使粉体科学步入新阶段。本课程不仅教…

国家精品物理
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大连理工大学
中国大学MOOC
  • 完成时间大约为 11
  • 初级
  • 中文
注:因开课平台的各种因素变化,以上开课日期仅供参考

课程概况

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。

课程大纲

1 绪论
1.1 课程简介
1.2 研究内容及工业背景
1.3 课程内容
1.4 基本概念
1.5 基本原理与讲授内容

第一章 pdf课件
作业1.2 粉体的相关处理工艺过程及装备都有哪些?涉及哪些力学知识?
请论述对粉体的认识
作业1.1   国内外粉体加工处理技术水平如何?
2.填充
2.1.1-密度(影响因素)
2.1 2-密度(多元颗粒)
2.1 3-密度(粘性散料)
2.1 4-密度(配位数)
2.2 安息角
2.3 粉体的可压缩性
2.4 小结
作业2.1粉体的振实密度与松装密度、颗粒的振实密度关联度如何?
作业2.2不同种类的颗粒混合后,振实密度、松装密度如何计算?
作业2.3 粒径分布作业
3基础静力学
3.1 颗粒或连续介质
3.2 应力和应变
3.3 1-散料中的应力(基本概念)
3.3 2-散料中的应力(摩尔应力圆1)
3.3 3-散料中的应力(摩尔应力圆2)
3.3 4-散料中的应力(平衡方程)
3.4 库伦粉体
3.5 内摩察角测定
3.6 壁面摩擦角
3.7 Molerus粉体分类
3.8 摩尔-库伦定律
3.9 壁面最大主应力方向
3.10 郎肯应力状态
3.11 1-粉体压力计算(詹森公式)
3.11 2-粉体压力计算(筒体应力分析)
3.11 3-粉体压力计算(锥体应力分析)
3.11 4-粉体压力计算(walters转换应力)
3.11 5-粉体压力计算(料仓应力分析)
3.12 1-粉体应力的精确分析方法(直角坐标系)
3.12 2-粉体应力的精确分析方法(柱坐标系)
3.12 3-粉体应力的精确分析方法(球坐标系)
3.12 4-粉体应力的精确分析方法(柱体应力渐近解)
3.12 5-粉体应力的精确分析方法(锥体应力渐进解)
作业3.1 画出莫尔圆简图,标出最大主应力和最小主应力的位置点。
作业3.2 二向应力状态有何特点?粉体层的最大主应力面上,剪应力等于多少?
作业3.3 Molerus按照粉体的摩擦行为将粉体分为哪几类?
作业3.4 Molerus I 类粉体和Molerus II 类粉体的区别是什么?
作业3.5 Molerus I 类粉体有什么特点?
作业3.6 内摩擦角测定方法有哪些?
4粉体特性测量
4.1 1-粉体的各向异性(概述)
4.1 2-粉体的各向异性(变形对应力的影响)
4.1 3-粉体的各向异性(堆积密度)
4.1 4-粉体的各向异性(抗拉强度)
4.2 1-剪切变形(简单剪切和纯剪切)
4.2 2-剪切变形(剪切域和剪切带)
4.2 3-剪切变形(剪胀性)
4.3 屈服轨迹
4.4 剪切速率
5流动模型
5.1 流动模型
5.2 改流体
5.3 1-偏析(偏析现象)
5.3 2-偏析(防止方法)
作业5.1 改流体的定义是什么?
作业5.2 偏析现象常发生在什么情况下?
作业5.3 偏析防止方法有哪些?
作业5.4 粉体的流动模型有哪些?
6动力学
6.1 1-概述(膨胀波)
6.1 2-概述(自由流动拱)
6.1 3-概述(流管)
6.1 4-概述(径向流)
6.1 5-概述(渐进角)
6.1 6-概述(讨论)
6.2 能量耗散原理
6.3.1 质量流率1
6.3.2 质量流率2
6.4 使拱稳定的开孔尺寸
6.5 小节
7数值计算
7.1 概述
7.2 连续介质力学模型
7.3 离散颗粒力学模型
7.4 PFC软件介绍

预备知识

《工程力学基础》和《工程流体力学》。

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 ISBN:978-7-122-00683-7
[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, ISBN:978-0-470-01427-1(cloth) & ISBN:978-0-470-01428-8(pbk.) 
[2]     《粉体工程与设备》 陶珍东 郑少华著 化学工业出版社  ISBN:9787122075000
[3]     《粉体技术导论》 陆厚根等编 同济大学出版社 ISBN:9787560818115
[4]     《粉体加工技术》 卢寿慈 编著 中国轻工业出版社 ISBN:9787501922246
[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 ISBN:4842703008
[7]     《粉体シミュレーション入門》粉体工学会 産業図書 1998 ISBN:478289029X

常见问题

粉体与颗粒的联系及区别
粉体操作单元的特点

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