食品散粒体流动特性

1 内容提要

组成散粒体的颗粒，可根据其粒径分为粗粒、细粒和粉体三类。大宗的食品初级原料及半成品表现为散粒体(简称散体)。散粒体可以是像谷子、砂糖，甚至红枣、苹果那样粒度较粗的物料，也可以是像面粉、白糖、奶粉等那样较细的粉体。散粒体是由许多单个颗粒组成的颗粒群体。散粒体的流动在工业生产中具有重要的意义，它影响物料贮存、定量、零售、装卸、控制以及整个加工运输系统的设计。本章将介绍散粒体的振动特性、流动特性、应力特性等方面的散粒体的力学特性。

2 重点难点

? 散粒体的振动特性，摩擦角的类型及测定方法； ? 粘附与粘聚的区别与联系，粘附的原因； ? 散粒体变形模量的计算方法； ? 散粒体抗剪强度的测定与计算方法； ? 散粒体流动的特点及流动模型；

? 散粒体在浅仓和深仓内的静态压力分布的特点。

6.1 散粒体食品的振动特性

机械传动影响粘性散粒体、非粘性散粒体以及颗粒物料的物理特性和动态性能，这是一个有广泛工程意义的课题。众所周知，在某些条件下机械振动可使松散的粉体固结成密实状态，这个过程伴随着强度而增加，利用这些特性有助于在粉体的输送和处理过程中达到某些预定的目标。

物体和松散固体物料振动在工业上有相当广泛的应用，并且是多种多样的。例如，在食品工业中很大程度上都需要以散料形式输送物料，这里所概括的原理是，振动使松散物料的强度减低，从而增加了它的流动性。

6.1.1 摩擦性

1 摩擦的基本概念

设计农产品加工机械、食品机械以及谷仓时，应了解物料与其接触表面的摩擦性能。摩擦力是作用在一个平面内的力(在这个平面内包含有一个或一些接触点)，阴碍接触表面间的相对运动。经典力学认为，摩擦力正比于正压力，其比例常数称为摩擦因数。现代物理学认为，摩擦力由两部分组成，一为接触表面间凹凸不平的剪切力，一为克服表面粘附所需的力;摩擦力与实际接触面积成正比；因为滑动速度的不同，接触表面间产生的温度也不同，所以摩擦力与接触表面间的滑动速度有关；动摩擦力小于最大静摩擦力；摩擦力与接触物料的特性有关。

农业物料的摩擦力，还受作用于物料的压力、物料的湿度、颗粒表面的化学物质、测试环境、表面接触的时间等影响，而且动摩擦力与滑动速度、湿度的关系无一定的规律。有的物料随滑动速度的提高而增大，有的则随滑动速度的提高而减小。凹凸不平表面间的接触时间和接触点的温度都影响粘附力和剪切力的数值，所以也影响摩擦力。湿度增加时，粘附力增加，因而增加摩擦力。

2 散粒物料的摩擦角

摩擦角反映散粒物料的摩擦性质，可用以表示散粒物料静止或运动时的力学特性。例如物料的流动性、沿固体壁面的流动摩擦特性及滑落特性等。散粒物料的摩擦角一般有四种，即休止角、内摩擦角、壁面摩擦角和滑动角。休止角和内摩擦角表示物料本身内在的摩擦性质，而壁面摩擦角和滑动角表示物料与接触的固体表面间的摩擦性质。

(1)休止角:散粒体的休止角又称静止摩擦角或堆积角，是指散粒物料通过小孔连续地散落到平面上时，堆积成的锥体母线与水平面底部直径的夹角。它与散粒粒子的尺寸、形状、湿度、排列方向等都有关。休止角越大的物料，内摩擦力越大，散落能力越小。

图6一1是测定休止角的几种方法。由于测定方法和所用仪器的不同，测得的数据也不尽相同。一般用倾斜法测得的值比用其他方法测到的结果要大些，但人为因素造成的误差较小，再现性好。

休止角与粒径大小有关。粒径越小，休止角越大，这是因为微细粒子相互间的粘附性较大。粒子越接近于球形，休止角越小。若对物料进行振动，则休止角将减小，流动性增加。粒子越接近球形，粒径越大，振动效果越明显。在有的文献里将休止角分为静态休止角和动态休止角。物料水分增加时，休止角增加。

(2)内摩擦角:内摩擦角是散粒体内部沿某一断面切断时，反映抗剪强度的一个重要参数，其值可利用如图6一3所示的剪切仪进行测定。将散粒物料装进剪切环内，盖上盖板，在盖板上施加垂直压力FN，加载杆上作用剪切力FT。如果剪切环内的散粒物料被剪断时达到的最大剪切力为FS，设散粒体的剪切面积为A，则得散粒体的抗剪力等于内摩擦力与粘聚力之和，即

(6一1)

式中，fi——散粒体的内摩擦因数，fi=tanrp；

Fc——单位粘聚力，即发生在单位剪切面积上的粘聚力。

试验时，先使载荷FN不变，渐增大剪切力，测出剪切环移动时的剪切力Fs；改变FN值，测出不同载荷FN时的剪切力Fs，作Fs一FN曲线，则该曲线与横坐标FN的夹角即为该物料的内摩擦角那,在纵坐标上的截距FcA即为物料的粘聚力。

(3)壁面摩擦角和滑动摩擦角:壁面摩擦角表示物料层与固体壁面的摩擦特性，而滑动摩擦角(又称自流角)则表示每个粒子与壁面的摩擦特性。一般缺乏粘聚性的散粒物料，休止角等于内摩擦角，大于壁面摩擦角;但对于含水率大的谷物种子，休止角比内摩擦角大得多。测定壁面摩擦角常用的简易方法如图6一5所示。

滑动角或称自流角，也是衡量散粒物料散落性的指标。测定滑动角时，将单个颗粒放在平板上，再将平板轻轻倾斜，待 颗粒开始滑动时，平板角度即为物料的滑动角。实际上，类球体的滑动角是壁面摩擦角和粒子沿板面滚动摩擦角的综合。对于粉状物料，因为存在粘附性，其滑动角也可能大于90°。由于散粒体的性质不同，测试的工况不同，所测的摩

擦角也不同。

测定农业物料摩擦角的方法很多，除用图6一5所示的测定装置外，也可用如图6一3所示的剪切仪测定，或者用滑尺式摩擦仪测定。图6一6是与图6一5原理相同的平移式测定装置。