对形态诱导因素对筒仓中静电场分布影响的数值研究

《Powder Technology》：Numerical investigation of the effects of morphology-induced factors on electrostatic field distribution in silos

静电场分布|非球形颗粒|填充率|电荷差异|协同效应

　　

赵星苏|张高强|易思远|周群|蔡亮

中国东南大学能源与环境学院，教育部能源热转换与控制重点实验室，南京211189

摘要

在筒仓填充过程中，由于绝缘粉末中的电荷积累，静电放电会带来严重的安全隐患。然而，工业粉末系统中普遍存在非球形颗粒，而这些颗粒的形态对其对筒仓内静电场分布的影响机制尚未得到充分研究。本研究开发了一个综合考虑电荷松弛和电荷差异的静电场模型，以阐明颗粒形状、堆积分数和充电水平的变化对筒仓内电场分布的影响机制。结果表明，当排除形态引起的堆积分数和充电水平差异时，颗粒形状对电场分布的影响较弱。非球形颗粒的堆积分数变化会对电场产生显著的非线性调节作用：较高的堆积分数不仅会增加筒仓内的总电荷水平，还会由于填充时间延长而加剧电荷耗散效应。非球形颗粒的高电荷水平显著提高了筒仓内的电荷密度和归一化最大电场强度，成为控制电场分布的主要因素。当同时考虑堆积分数和充电水平的差异时，这两个因素会对电场产生协同增强效应。然而，较高堆积分数所带来的电荷耗散增强作用部分抵消了充电水平增加对电场强度的增强作用。

引言

粉末在化学工程、制药、食品加工、能源系统及各种工业应用中得到广泛应用。在生产和运输过程中，颗粒之间的频繁碰撞和摩擦以及颗粒与墙壁之间的摩擦会导致摩擦起电，从而在粉末中积累大量静电电荷[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。当带电粉末被输送到筒仓等储存设施中时，高绝缘性的粉末中的静电电荷难以消散，导致筒仓内的静电电荷不断累积[7]、[8]。这种累积可能引发静电放电，在极端情况下可能导致静电点火和爆炸事故，对生产安全构成严重威胁[9]、[10]。因此，了解筒仓中粉末材料的静电特性对于预防静电点火和爆炸事故至关重要[11]。

许多学者通过实验研究了筒仓中的静电放电特性，以阐明其机制和相关危害。在早期的研究中，Glor等人[10]研究了直径在1.5至3.0米之间的钢制筒仓中聚乙烯颗粒的放电行为。结果表明，放电可能沿着堆垛表面发生，并且随着筒仓直径的增加，放电能量显著增加。Choi等人[12]、[13]在全尺寸气动输送和筒仓填充实验中观察到了刷状、线性和广泛体表放电三种特征性放电模式。进一步的研究表明，筒仓结构和内部凸起显著影响放电的概率、形式和强度[14]、[15]。此外，Zhang等人[16]比较了不同极性粉末在工业规模填充实验中的放电行为，发现带正电的粉末具有更高的静电放电危险性。然而，现有的静电放电实验研究提供的信息有限，通常依赖CCD相机和图像增强器来捕捉放电视频和图像，以分析放电频率和演变模式。因此，越来越多的研究关注筒仓内静电场的分布，这为评估高场区域和预测潜在的放电风险提供了更系统的方法。

随着数值模拟技术的进步和计算机性能的提升，越来越多的研究人员采用模拟方法来研究筒仓内粉末的静电场分布特性。这种方法旨在揭示高电场区域的形成机制并评估潜在的静电放电风险。Zhang等人[17]、[18]开发了一个用于工业规模筒仓的三维静电场模型，全面考虑了粉末的电荷松弛和电荷差异。他们研究了不同填充高度、质量流量、筒仓尺寸和颗粒电荷差异对静电场分布的影响。结果表明，圆锥形部分的放电风险显著高于圆柱形部分。随着填充高度的增加，强电场区域逐渐从中心向筒壁转移。孔隙率和电荷差异都对局部电场畸变有显著影响。Zhou等人[19]使用有限元方法模拟了颗粒分离对圆柱形筒仓内静电场分布的影响，发现两种大小的单极带电颗粒的电场分布与均匀条件相似。然而，在相同净电荷的情况下，双极电荷分布下的静电放电概率是均匀条件的三倍。Wang等人[20]也研究了颗粒分离对电场的影响，发现大颗粒比例的增加和更宽的颗粒尺寸范围增强了粉末表面中心的电场强度。Choi等人[21]观察到工业筒仓中筒壁与聚丙烯（PP）粉末之间的刷状放电，并使用有限元方法模拟了金属凸起对电场的影响。结果表明，当筒仓内部存在金属凸起时，最强的电场出现在凸起表面，这容易引发强烈的静电放电。同时，Zhou等人[22]基于该筒仓模型系统研究了安息角、金属凸起直径和凸起与对面表面之间的距离对凸起处电场的影响。Feng等人[23]、[24]提出了一个动态模拟框架，将静电场模型与放电模型相结合，通过重建三维电场强度等值线来识别不同的放电类型。上述静电场模拟主要依赖于理想的球形颗粒，未能充分考虑非球形颗粒的形态相关因素对静电场分布的影响。

非球形颗粒在工业粉末系统中普遍存在，现有研究主要集中在它们的流动行为[25]、[26]、[27]、[28]、[29]和充电特性[25]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]上。与球形颗粒相比，非球形颗粒在筒仓中的差异主要体现在三个方面：几何形状、堆积分数和摩擦起电水平。在大多数情况下，非球形颗粒的堆积分数高于球形颗粒，其程度依次为立方体形、圆柱形、椭球形和球形颗粒[29]、[35]。大量研究表明，在相同条件下，不规则形状的颗粒通常具有更高的摩擦起电能力和电荷质量比。Hu等人[34]发现，在圆柱形基底上滑动和在侧面滚动所产生的摩擦电荷大于球形颗粒。Huang等人[25]发现，在水平气动输送中，椭球形颗粒的电荷质量比高于球形颗粒，且随着球形度的降低，电荷质量比增加。Saleh等人[8]发现，在气动输送实验中，不规则颗粒的电荷质量比高于球形颗粒。Yao等人[32]也通过实验研究发现，随着球形度的降低，电荷质量比增加。尽管现有研究揭示了非球形颗粒与球形颗粒在形状、堆积特性和充电性能上的显著差异，但筒仓中非球形颗粒的静电场分布仍需进一步深入研究。因此，有必要通过考虑形态相关因素来进一步探索筒仓内静电场的分布模式和差异，以更深入地了解非球形颗粒的静电行为。

为了解决这一空白，本研究开发了一个同时考虑电荷松弛和电荷差异的静电场模型，以研究圆柱形筒仓内静电场分布的形态诱导变化。系统评估了颗粒形状、堆积分数和充电水平的影响，以阐明驱动静电场分布变化的机制。

章节片段

几何形状和网格

圆柱形筒仓被广泛用于研究不同参数对电场分布的影响[11]、[22]、[36]、[37]。在本研究中，使用了一个高度与直径比为2的圆柱形筒仓来研究非球形颗粒对电场分布的影响，如图1所示。该筒仓由磨光的不锈钢制成，内部含有空气和带电颗粒，以考虑颗粒间的空隙影响。

堆积

颗粒形状对电场分布的影响

为了研究颗粒形状对筒仓内电场分布的影响，所有形状的颗粒的初始电荷密度、堆积分数和归一化堆积时间保持相同。由于SuperDEM方法模拟的非球形颗粒的堆积分数大于球形颗粒，因此随机删除部分堆积颗粒，直到其堆积分数与球形颗粒相同。

堆垛的分布

结论

本文建立了一个同时考虑电荷松弛和电荷差异的静电场模型，以研究圆柱形筒仓内静电场分布的形态诱导变化。通过系统评估颗粒形状、堆积分数和充电水平的影响，阐明了控制筒仓内静电场分布的机制。主要结论如下：

(1)

颗粒形状对

CRediT作者贡献声明

赵星苏：撰写——原始稿件、可视化、验证、方法论、研究。张高强：撰写——审稿与编辑、验证、方法论、形式分析。易思远：研究、形式分析。周群：方法论、研究、形式分析。蔡亮：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。