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单一尺寸球的一维和三维振动堆积致密化的实验研究

作　者: 李长兴
导　师: 邹宗树；安希忠
学　校: 东北大学
专　业: 钢铁冶金
关键词: 颗粒堆积致密化三维(3D)振动整体加料批量加料 FCC有序排列
分类号: O347.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文对单一尺寸球形颗粒在一维(1D)和三维(3D)振动条件下的堆积致密化进行了系统的物理实验研究。采用整体和批量两种不同的加料方式,系统研究了1D和3D振动中各振动参数(如：振动时间t、振幅A、振动频率ω与振动强度Γ=Aω2/g)、批量B以及容器壁(容器尺寸D)对粒子堆积密度的影响。1D连续振动堆积实验中,通过适当调整振动参数如振幅A和振动频率ω,以及粒子的加料方式,可以实现粒子堆积的致密化。(1)对于整体加料的情形,我们可以重现颗粒堆积由随机松排RLP (Random Loose Packing)向随机密排RCP (Random Close Packing)的转变；并且通过对不同尺寸容器下堆积密度的外推,以消除容器壁的影响,我们获得了在1D振动条件下A=0.1d(d为粒子直径)及ω=210Rad/s时粒子在无限大容器中的堆积密度为0.6360,这很好的验证了我们的数值仿真结果。(2)对于批量加料的情形,在A=0.1d和co=200Rad/s的条件下,对堆积密度的外推结果表明,无限大容器中粒子的堆积密度可达0.6632,这一密度值超越了RCP所对应的最大堆积密度0.64,表明了加料方式对堆积密度的重要影响。3D连续振动堆积实验中,无论是整体加料还是批量加料都可以突破RCP的最大密度,从而实现更高密度的堆积。(1)对于整体加料的情形,实验发现合适的振动条件会造成粒子堆积中局部有序(结晶)的出现。通过外推,我们获得了在A=0.4d及ω=70Rad/s时,无限大容器中粒子的堆积密度可达0.6890。(2)对于批量加料的情形,实验结果表明,合理地选择振动条件,可以实现单一尺寸球形颗粒的有序堆积。在A=0.4d、ω=70Rad/s及批量B=1层/批的条件下,外推后粒子的堆积密度可达0.7399,此值与面心立方(FCC)或密排六方(HCP)晶体所对应的堆积密度值十分接近。对所获得的有序堆积结构的分析发现实验中所得到的为FCC有序结构。这和我们的数值仿真结果一致,同时也证明了堆积中形成的FCC结构比HCP结构稳定。无论1D振动还是3D振动,都存在着一个最佳的A和ω来获得最致密的堆积。振动强度Γ虽然体现了A和ω的综合影响,然而实验结果表明：不同振动条件下Γ对堆积密度的影响不同。所以,仅凭单一的振动参数Γ不足以描述振动条件下的堆积致密化进程,相反,应考虑用A和ω来表征振动过程。因此,合理地选择A和ω是获得最佳堆积的先决条件。本文实验通过变频器的调节作用实现对振动频率ω的精确控制,并且通过使用偏心轮来控制振幅A的变化,从而实现了各个振动参数对单一尺寸球形颗粒堆积密度影响的定量研究。

单一尺寸球的一维和三维振动堆积致密化的实验研究

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