不同卸料流態(tài)對倉壁側(cè)壓力影響的試驗(yàn)研究

周長明 肖昭然 劉克瑾 魏世廣 劉 勇 王世豪 張豐堯

(河南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院1，鄭州 450001) (陸軍工程大學(xué)2，南京 210042)

筒倉作為顆粒物質(zhì)的存儲容器，廣泛應(yīng)用于食品、化工、制藥等工業(yè)工程領(lǐng)域[1]。筒倉卸料是倉儲的重要環(huán)節(jié)，卸料過程中伴隨著流態(tài)的變化，倉壁壓力也會發(fā)生不同的變化，壓力峰值甚至可以達(dá)到靜態(tài)壓力的數(shù)倍[2-5]，使筒倉的不穩(wěn)定性增加，可能會引起筒倉工程事故。因此，對筒倉卸料流態(tài)及倉壁壓力進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對筒倉卸料過程中的流態(tài)及其倉壁壓力分布規(guī)律，學(xué)者們進(jìn)行了相關(guān)性研究。關(guān)于筒倉壓力計(jì)算方法，劉定華等[6,7]、張家康等[8,9]從平衡條件和常系數(shù)假定出發(fā)建立微分方程，得出倉壁靜態(tài)及動態(tài)壓力的計(jì)算公式，并通過模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)與理論計(jì)算值相接近。

筒倉的流動類型分為整體流、漏斗流、管狀流及擴(kuò)散狀流動四種形式[6]，杜明芳等[10]和甄浩淼等[11]指出一種流態(tài)伴隨著另一種流態(tài)一同出現(xiàn)，且各種流態(tài)之間會發(fā)生轉(zhuǎn)化，俞良群等[12]通過速度場分析發(fā)現(xiàn)整體流動區(qū)域和管狀流動區(qū)不存在明顯的分界線。針對各種流態(tài)的變化，Volpato[13]和Yang[14]等對筒倉內(nèi)添加改流體，能夠?qū)崿F(xiàn)流態(tài)由中心流到整體流的轉(zhuǎn)化，其峰值應(yīng)力位置也會發(fā)生改變。同時(shí)，譚源強(qiáng)等[15]和肖國先等[16]對筒倉內(nèi)添加改流體，能使倉壁應(yīng)力峰值降低。

關(guān)于筒倉靜態(tài)側(cè)壓力方面，韓陽[17]利用物理筒倉模型研究筒倉散裝糧堆的邊界壓力分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)儲糧狀態(tài)下，當(dāng)裝糧高度大于筒倉直徑時(shí)，倉壁側(cè)壓力開始逐漸小于Janssen公式計(jì)算結(jié)果。楊鴻[18]對貯料工況下不同物料進(jìn)行參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，泊松比和內(nèi)摩擦角的影響較大。

關(guān)于筒倉動態(tài)側(cè)壓力方面，陳長冰等[17]和肖昭然等[20]通過離散元模擬分析發(fā)現(xiàn)，倉壁最大動態(tài)壓力值不是出現(xiàn)在卸料瞬間，而是在卸料一段時(shí)間以后。劉克瑾等[21]利用離散元軟件與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，從細(xì)觀顆粒層次探求引起倉壁壓力增大的原因是拱的形成，同時(shí)動態(tài)成拱機(jī)制也是倉壁壓力出現(xiàn)波動性變化的根本原因。

國內(nèi)外學(xué)者通過理論計(jì)算、離散元和物理模型試驗(yàn)的方法，對筒倉靜、動態(tài)側(cè)壓力及卸料流態(tài)的研究方面取得了豐碩的成果，但是，關(guān)于在卸料過程中物料內(nèi)部的流態(tài)變化，以及不同的流態(tài)變化下的倉壁壓力變化規(guī)律，仍需從試驗(yàn)的角度加以驗(yàn)證。

因此，本研究采用物理模型試驗(yàn)的方法，自主設(shè)計(jì)并定制了可以觀察內(nèi)部流態(tài)發(fā)展變化的半圓形有機(jī)玻璃試驗(yàn)筒倉，選用質(zhì)地均勻的陶球顆粒為散體物料，設(shè)計(jì)制作固定尺寸、適宜量程、滿足精度要求的土壓力盒傳感器來測取貯料和卸料過程中的倉壁壓力數(shù)值，采用壓實(shí)和松散兩種裝料方式，對物料不同內(nèi)部流態(tài)下的倉壁壓力變化進(jìn)行試驗(yàn)研究， 觀察筒倉內(nèi)部的物料流態(tài)變化，分析不同流態(tài)下的倉壁壓力波動性及超壓變化規(guī)律，為筒倉貯料下的倉儲結(jié)構(gòu)及卸料過程的壓力理論研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型設(shè)計(jì)

為了更好的觀察筒倉內(nèi)物料的流動狀態(tài)，同時(shí)將流動狀態(tài)實(shí)時(shí)地與側(cè)壓力進(jìn)行聯(lián)系，參考Fullard等[22]關(guān)于筒倉內(nèi)部顆粒流速的模型試驗(yàn)以及Weinhart等[23]關(guān)于筒倉內(nèi)部流態(tài)的離散元模擬研究，現(xiàn)采用有機(jī)玻璃設(shè)計(jì)制作了半圓形筒倉，可以清楚地觀察到貯料在倉體內(nèi)部的流動情況。筒倉直徑0.5 m，卸料口直徑0.05 m，壁厚0.01 m，倉高1.1 m，標(biāo)記有1 m的刻度，便于觀察和測量裝糧及卸糧高度?？紤]到模型筒倉離地面有一個(gè)高度方便卸料，以及便于與地面固定，模擬筒倉基礎(chǔ)，設(shè)置鋼材支架支撐模型筒倉。模型半圓形筒倉及詳細(xì)尺寸標(biāo)注如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)儀器及物料性質(zhì)

試驗(yàn)中用壓力傳感器直接測取半圓形筒倉倉壁的動態(tài)側(cè)壓力，半圓形筒倉截面?zhèn)}壁上的實(shí)心圓形即為壓力傳感器的所在位置，布設(shè)C1～C7共7個(gè)壓力傳感器，7個(gè)壓力傳感器在一條直線上，所成直線與倉底直徑角度為45°。壓力傳感器采用內(nèi)嵌式固定在筒倉側(cè)壁上，其承壓面與模型筒倉內(nèi)壁齊平，參考文獻(xiàn)[24]中為降低因貯料與倉壁的溫度不同可能引起傳感器有較大的溫度輸出，在傳感器表面貼上一層塑料膜作為隔熱層。所使用的傳感器型號為丹東DYB-2，直徑30 mm，厚度13 mm，量程50 kPa，分辨率5 Pa。采用DHDAS-3816動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與分析，試驗(yàn)過程中，每隔1 s記錄一次數(shù)據(jù)。

參考許啟鏗等[25]關(guān)于糧食力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)研究，選用內(nèi)摩擦角與糧食顆粒相近，顆粒直徑較小，硬度較大，能夠重復(fù)利用的煅燒陶球作為研究對象，陶球的具體物理參數(shù)如表1所示。

表1 煅燒陶球物理參數(shù)

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方案

試驗(yàn)通過兩種不同的裝料方式：壓實(shí)落雨法裝料和松散中心裝料，分別簡稱為壓實(shí)裝料和松散裝料。由于試驗(yàn)過程會受到填料方式、倉體變形、填料時(shí)內(nèi)置傳感器偏移等客觀因素的影響，因此，兩種裝料方式均進(jìn)行5次平行試驗(yàn)。每次試驗(yàn)的裝料高度均為1 m，兩種裝料方式下最終分別裝料約120 kg和110 kg。

裝料完畢，待顆粒密實(shí)后，采集各測點(diǎn)貯料狀態(tài)壓力值，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，快速抽出擋料板，在重力作用下自由卸料，整個(gè)卸料過程中用數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)采集倉壁壓力數(shù)據(jù)，用攝影機(jī)記錄物料流動情況。

2 卸料過程流態(tài)的觀察與分析

為更好反映和對比整個(gè)卸料過程中兩種裝料方式下流態(tài)的不同變化，特將卸料初始狀態(tài)及卸料至1%、20%、40%、60%、80%、100%，共七個(gè)時(shí)期的流態(tài)圖。

2.1 壓實(shí)裝料

壓實(shí)裝料下的物料流態(tài)如圖2所示。

卸料前，整個(gè)筒倉內(nèi)的顆粒間緊密接觸。卸料開始瞬間，卸料口附近的顆粒快速地流出，在卸料口正上方出現(xiàn)一個(gè)管狀的流道，流道寬度上下一致，約12 cm，卸料口正上方物料表面即出現(xiàn)漏斗。隨著卸料的繼續(xù)進(jìn)行，流道逐漸變寬，逐漸演變?yōu)樯戏綀A柱狀、下方漏斗狀，整個(gè)卸料過程，流道邊界均未到達(dá)筒倉壁。整個(gè)卸料過程表現(xiàn)為管狀流態(tài)。

2.2 松散裝料

松散裝料下的物料流態(tài)如圖3所示。

卸料前，整個(gè)筒倉內(nèi)的顆粒間緊密接觸。

卸料開始瞬間，卸料口附近的顆?？焖俚亓鞒觯读峡谏戏筋w粒不斷地向下流動。距離倉底30 cm及以上顆粒沿著倉壁緩慢向下移動，各點(diǎn)顆粒流動速度基本一致,處于整體流動，物料的水平截面保持水平；而距離倉底30 cm及以下部分,以卸料口正上方位置的物料流動為主，倉壁處，測點(diǎn)C6附近及以上位置顆粒流動緩慢,處于漏斗狀的流動狀態(tài)。該卸料階段表現(xiàn)為整體流與漏斗流共存階段。該試驗(yàn)流態(tài)與俞良群[12]所觀察到的試驗(yàn)結(jié)果一致。

隨著卸料過程的進(jìn)行，卸料口正上方位置顆粒繼續(xù)保持高速流動，在倉壁處，具有緩慢流速的區(qū)域從測點(diǎn)C6位置不斷向上延伸。至卸料40%，整個(gè)物料區(qū)域轉(zhuǎn)變成漏斗狀流態(tài)，中心流動區(qū)域水平寬度變寬，卸料口正上方物料表面開始出現(xiàn)漏斗，倉壁附近的顆粒停止豎向移動，不斷地流進(jìn)漏斗，沿著中間流道流出卸料口。卸料口正上方物料顆粒繼續(xù)豎向勻速向下流動。測點(diǎn)C3-C5高度位置為過渡區(qū)域。該卸料階段表現(xiàn)為整體流向漏斗流過渡階段。

圖2 壓實(shí)裝料下卸料流態(tài)圖

圖3 松散裝料下卸料流態(tài)圖

隨后，卸料口正上方物料表面形成漏斗的曲率不斷增大，整個(gè)物料區(qū)域繼續(xù)保持漏斗狀流動狀態(tài)。至卸料完畢，整個(gè)物料區(qū)域靠近倉壁的顆粒不再移動，卸料口正上方顆粒逐漸形成漏斗狀空間，直至漏斗狀底部接觸卸料口位置，卸料停止。整個(gè)卸料過程結(jié)束后，由于陶球自身的內(nèi)摩擦力作用而在倉內(nèi)存在如圖3中卸料100%時(shí)期的流動死區(qū)，剩余物料最大堆積高度為11.25 mm。該卸料階段表現(xiàn)為漏斗流階段。

兩種裝料方式在整個(gè)卸料過程中，卸料前，顆粒密實(shí)度高，卸料瞬間，顆粒間密實(shí)度降低的區(qū)域由卸料口不斷向物料表面延伸，隨后的卸料過程，除流動死區(qū)外，其余物料區(qū)域都保持著低密實(shí)度的狀態(tài)。同時(shí)在整個(gè)卸料過程中，卸料口正上方物料區(qū)域都保持著較大的流動速度，倉壁位置流速較低。同一水平面上的顆粒，卸料口正上方的顆粒先流出。

3 倉壁壓力測試結(jié)果與分析

本研究給出的貯料工況及卸料工況壓力為5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的代表值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)方法分析和處理。

3.1 貯料工況

兩種裝料方式下，裝料完畢后，貯料狀態(tài)的壓力值與Janssen公式計(jì)算值的具體數(shù)值如圖4所示。

圖4 貯料工況壓力值與Janssen公式計(jì)算值

由圖4可見，三組數(shù)值變化趨勢大致相同，其中松散裝料比壓實(shí)裝料時(shí)壓力值大，且在筒倉下部分更為明顯，這是由于壓實(shí)裝料時(shí)顆粒密實(shí)度更大，內(nèi)部具有更密集的力鏈網(wǎng)絡(luò)[26]，顆粒的重力更多的是由內(nèi)部的力鏈網(wǎng)絡(luò)來承擔(dān)，因此，傳遞到筒倉倉壁上的應(yīng)力較小，且壓實(shí)裝料時(shí)的各測點(diǎn)壓力值均分布在Janssen理論計(jì)算值左右，說明該試驗(yàn)結(jié)論基本符合客觀事實(shí)。同時(shí)，在松散裝料時(shí)，隨深度的增加，試驗(yàn)值與計(jì)算值的差值增大，這一研究結(jié)果與劉定華、楊鴻和Fullard等[6,18,22]所得結(jié)果相同。因此，在《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50077—2003)中都會在計(jì)算倉壁側(cè)壓力時(shí)乘以深倉儲料水平壓力修正系數(shù)。

3.2 卸料工況

物料顆粒在自重作用下流出卸料口， 將兩種裝料方式下各測點(diǎn)的變化曲線繪制如下圖5所示：

由上圖可見，靠近倉壁頂部越近的測點(diǎn)，側(cè)壓力數(shù)值趨于零的試驗(yàn)越早，因此曲線總體變化趨勢是合理的。松散裝料時(shí)，在卸料瞬間，測點(diǎn)C2、C3、C7位置壓力數(shù)值明顯增大，測點(diǎn)C4、C5位置明顯減小，這是由于卸料口打開后，筒倉貯料由倉底向外流出，各個(gè)顆粒在較短的時(shí)間內(nèi)完成了由靜止?fàn)顟B(tài)向運(yùn)動狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，顆粒間發(fā)生相互碰撞和擠壓，直接導(dǎo)致倉壁壓力增大，而測點(diǎn)C4、C5處在卸料前有較大的物料密實(shí)度，在卸料瞬間，測點(diǎn)以下位置的物料快速流出，密實(shí)度減小，因此，該處壓力數(shù)值瞬間減小，在測點(diǎn)C7處為流動死區(qū)，顆粒流速為零，具有較密集的力鏈網(wǎng)絡(luò)[27]，加上卸料死區(qū)所在區(qū)域斜面會受到上部流動荷載的壓力沖量，并將壓力荷載傳遞至倉壁，因此表現(xiàn)為壓力數(shù)值增大。壓實(shí)裝料時(shí)，在卸料瞬間，各測點(diǎn)壓力數(shù)值無明顯的增大或較小現(xiàn)象。

在卸料過程中，松散裝料時(shí)，測點(diǎn)C2、C3處表現(xiàn)出較大的波動性變化，該區(qū)域?yàn)檎w流區(qū)域，測點(diǎn)C4～C5出為漏斗流區(qū)域，表現(xiàn)出較小的波動性變化，壓實(shí)裝料時(shí)，整個(gè)卸料期間，各測點(diǎn)壓力數(shù)值無較大的波動性變化。

對比兩種裝料方式，各測點(diǎn)在卸料瞬間及卸料期間的壓力數(shù)值變化規(guī)律分析可見，壓實(shí)裝料下，筒倉具有更好的整體穩(wěn)定性，同時(shí)，管狀流為筒倉卸料設(shè)計(jì)的首選流態(tài)。

3.3 超壓分析

參考國家規(guī)范《糧食鋼板筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50322—2011)第4.2.3條，定義動態(tài)壓力修正系數(shù)為卸料中動態(tài)倉壁壓力與靜態(tài)倉壁壓力之比，下圖給出了兩種裝料方式下動態(tài)壓力修正系數(shù)隨深度的分布圖，如圖6所示：

圖6 動態(tài)壓力修正系數(shù)

由圖6可見，壓實(shí)裝料時(shí)，動態(tài)壓力系數(shù)均為1左右，無明顯的超壓現(xiàn)象。松散裝料時(shí)，在測點(diǎn)C2、C3、C7處有明顯的超壓現(xiàn)象，其中在測點(diǎn)C2處具有最大的超壓系數(shù)1.85。說明整體流時(shí)超壓現(xiàn)象比管狀流時(shí)及漏斗流時(shí)超壓明顯，且整體流時(shí)波動性最大點(diǎn)與具有超壓系數(shù)最大點(diǎn)一致。

4 結(jié)論

本研究通過自主設(shè)計(jì)并制作半圓形筒倉，采用兩種不同的裝料方式，觀察不同的卸料流態(tài)，并對貯料工況壓力及卸料過程中物料流態(tài)和倉壁壓力的聯(lián)合分析，得出如下結(jié)論：

筒倉卸料時(shí)的流動狀態(tài)與物料的密實(shí)度有關(guān)，當(dāng)物料密實(shí)度較大時(shí)，表現(xiàn)為管狀流，當(dāng)密實(shí)度較小時(shí)，表現(xiàn)為整體流與漏斗流。

當(dāng)物料密實(shí)度較大時(shí)，倉壁壓力數(shù)值與Janssen公式計(jì)算值較為一致，當(dāng)物料密實(shí)度較小時(shí)，倉壁壓力數(shù)值比Janssen公式計(jì)算值大，這與物料內(nèi)部的力鏈網(wǎng)絡(luò)的密集程度有關(guān)，因此，在GB 50077—2003《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求在計(jì)算倉壁側(cè)壓力時(shí)乘以深倉儲料水平壓力修正系數(shù)。

筒倉卸料過程會出現(xiàn)管狀流、整體流與漏斗流三種物料流態(tài)形式，不同的流態(tài)會有不同的倉壁壓力變化，其中壓力波動性變化按照從大到小的順序排列為：整體流區(qū)域>漏斗流區(qū)域>管狀流。同時(shí)，整體流區(qū)域更易產(chǎn)生超壓變化，在倉壁波動性最大測點(diǎn)位置具有最大的動態(tài)壓力修正系數(shù)。