《Advanced Powder Technology》：Effect of orifice positions on velocity fluctuations during granular discharge from a Quasi-2D rectangular silo
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本文通过实验和离散元法（DEM）模拟研究了矩形准二维 silo 放料过程中孔口偏心位置对流速波动的影响，发现极偏心孔口导致最大波动和不对称速度场，孔口尺寸和颗粒直径也有显著影响，为 silo 设计提供了理论依据。
高拉夫·库马尔·米什拉（Gaurav Kumar Mishra）| 里特维克·迈蒂（Ritwik Maiti）| 索门·曼达尔（Soumen Mandal）| 阿普尔巴·库马尔·罗伊（Apurba Kumar Roy）
印度贾坎德邦兰奇市梅斯拉（Mesra）的比尔拉理工学院（Birla Institute of Technology）机械工程系，邮编835215
摘要
本研究探讨了孔口位置如何影响准二维矩形料仓中重力驱动排放过程中的速度波动，结合了实验结果和离散元方法（DEM）模拟。实验使用了一个10 × 10毫米2的孔口和球形玻璃珠（直径d = 0.9 ± 0.1毫米）；高速成像和数字粒子图像测速技术（DPIV）测量了三种孔口布置（同心、中偏心和极端偏心）下的前壁速度场。实验结果表明，孔口偏心度显著改变了平均流动和波动模式：极端偏心的孔口会产生最大的波动，并在侧壁附近形成不对称的速度场。首先使用DEM模拟（前层提取与DPIV数据匹配）来验证实验结果，DEM能够捕捉到平均速度（u_avg和v_avg）和空间趋势（在中偏心位置，DEM预测的平均速度比实际值高约10%，质量流量高约2%），然后用于探索实验中未变化的参数效应。参数化的DEM运行表明，增加孔口宽度和颗粒直径通常会提高平均排放速度和波动幅度。对波动的统计分析显示，接近出口处的波动呈近似高斯分布，且尾部较厚。研究结果表明，孔口偏心度、孔口尺寸和颗粒尺寸共同调节了壁面滑移、剪切局部化以及速度变化，这对料仓设计具有直接意义。
引言
颗粒材料从料仓中排放是食品加工、制药、化工和采矿等行业中的一个重要操作过程。确保物料的无障碍排放对于提高运营效率和产品质量至关重要。然而，由于颗粒间的随机相互作用、力链的形成以及对系统几何形状的敏感性，颗粒流动本质上是复杂的。料仓排放过程中的一个显著特征是存在速度波动[1]、[2]，这些波动是由于粘滑运动[3]、堵塞-解堵转换[4]、[5]以及应力分布的空间不均匀性[6]等机制引起的。这些波动可能导致排放速率不规则[7]、壁面应力波动[8]以及流动模式的不稳定性[9]，所有这些都对料仓的设计和操作提出了重大挑战。
孔口的位置在影响料仓排放的各种因素中起着关键作用。孔口位置影响应力传播[10]、[11]，引起流动不对称[12]、[13]，并改变出口附近的速度场[12]、[14]。尽管其重要性显而易见，但孔口偏心度对速度波动的性质和程度的影响仍缺乏研究，尤其是在准二维矩形料仓中。理解这些波动不仅对于预测流动行为至关重要，而且对于设计能够最小化波动并保持产品质量的料仓也非常重要。
料仓中的颗粒流动主要受重力控制，表现出一系列动态现象，如雪崩式流动[12]、[13]、堵塞[15]、[16]、分离[17]以及冲击波前形成[18]、[19]。这些行为受到料仓几何形状（如孔口尺寸和位置）以及颗粒属性[20]的影响。虽然同心孔口的排放已经被广泛研究[21]、[22]、[23]、[24]，但对偏心孔口位置的研究仍然有限，特别是它们对速度场及其波动的影响。
为了理解这些复杂行为，采用了实验和数值方法。数字粒子图像测速技术（DPIV）[12]、[13]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]等技术实现了非侵入式的、高分辨率的速度场测量，有助于识别颗粒排放过程中的流动区域、停滞区域和剪切层[12]、[29]。最近的实验研究还扩展了这些测量，以量化颗粒温度、运动过渡边界和停留时间场，为模型验证提供了更丰富的数据集[30]、[31]、[32]。在数值方面，离散元方法（DEM）模拟[33]、[34]、[35]、[36]、[37]为分析微观机制和验证实验观察结果提供了强大的工具。进一步的研究展示了DEM-PIV/PTV之间的良好一致性[32]、[38]，并使用结合运动学理论和PIV测量的方法准确预测了多出口料仓中的自由表面剖面[39]。
速度波动定义为颗粒速度与平均流速的偏差，由于它们在流动和排放稳定性中的关键作用，已被广泛研究[21]、[22]、[23]、[24]、[31]。Baxter等人（1989年）[40]的早期工作揭示了通过颗粒床向上传播的减压波的存在，将波动解释为比整体流动传播更快的应力驱动动力学。后续研究表明，这些波动对颗粒大小、壁面摩擦和孔口配置等因素非常敏感[21]、[31]。Nedderman和Tüzün（1976年）[41]、[42]对应力变化和颗粒碰撞在产生这些波动中的作用提供了早期见解。
排放过程中的自激发动态响应通常表现为颗粒运动的突然振动或脉动[43]、[44]。这种行为通常归因于由拱形结构间歇性坍塌或靠近壁面的粘滑行为引起的应力波动[43]、[44]。起源于孔口的应力波可以通过物料整体传播，并在不同高度表现为速度波动[45]、[46]。这种动态特别受到料仓壁相互作用、颗粒堆积以及准二维系统中侧壁存在的影响。
尽管取得了实质性进展，但大多数现有研究都集中在对称或同心排放配置上。Maiti等人（2016年、2017年）[12]、[47]的研究强调了偏心度的重要性，并提出了基于扩散的模型来描述平底矩形料仓中的流场。然而，对于孔口偏心度如何影响速度波动的全面理解仍然不足，尤其是与其他变量（如孔口尺寸和颗粒直径）相结合时。
本研究旨在探讨孔口位置对准二维平底矩形料仓中颗粒排放过程中速度波动的影响。通过使用DPIV，我们实验性地捕捉了三种孔口配置（同心、中偏心和极端偏心）下的详细速度场。同时研究了孔口尺寸和颗粒大小对波动的影响。为了支持和验证实验观察结果，在相同条件下进行了DEM模拟。研究重点分析了时间平均速度、速度波动以及速度分量的概率密度函数（PDF）。
实验设施和程序
实验装置如图1所示，图2展示了可调孔口位置。料仓由透明亚克力（PMMA）制成，尺寸为高度H=400毫米，宽度L=120毫米，厚度t_c=10毫米。这种设计允许修改孔口的数量和位置，以便实现不同的排放配置。测试了一个尺寸为10毫米×10毫米的孔口，在三种不同的偏心度水平下进行实验：同心（e=0）
离散元方法（DEM）
离散元方法（DEM）[51]用于模拟矩形料仓中的颗粒排放，再现了实验装置。DEM通过整合每个颗粒的运动并解决它们之间的相互作用，为模拟颗粒系统提供了一个颗粒级的框架。DEM适用于模拟柔软、非弹性的摩擦球体集合体。对于每个时间步长，都会求解每个颗粒的平移和旋转运动方程
流动现象
打开孔口会触发一个雪崩式过程，首先使最靠近出口的颗粒开始移动，雪崩前沿向上传播，到达自由表面并向侧壁横向扩散（图3a，e）。这一过程标志着从静态堆积床到动态流动状态的转变，在此过程中，接触网络不断断裂和重新形成，因为颗粒向下加速[4]、[63]。实验和DEM都再现了这一序列（图3，图4，图5）
结论
本研究通过实验和DEM模拟，探讨了孔口偏心度、颗粒大小和孔口宽度对准二维料仓中颗粒排放过程中速度波动的影响。主要发现如下：
•DEM再现了DPIV观察到的空间趋势，并捕捉了速度场的主要特征，支持使用前层DEM提取结果与实验进行比较。
•极端偏心的孔口会产生最大的速度波动
数据可用性
支持本研究结果的数据可在合理请求下从相应作者处获得。
作者贡献声明
高拉夫·库马尔·米什拉（Gaurav Kumar Mishra）：研究、验证、可视化、写作——审稿与编辑。里特维克·迈蒂（Ritwik Maiti）：写作——初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目管理、方法论、研究、数据分析、概念化。索门·曼达尔（Soumen Mandal）：监督、写作——审稿与编辑。阿普尔巴·库马尔·罗伊（Apurba Kumar Roy）：写作——初稿撰写、监督、资源管理、项目管理、方法论、概念化。
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报告的工作。
