在垂直振動傾斜基底上的顆粒流動

核心概念

通過適當調整基底傾斜角度、振動幅度和頻率，可以顯著增強或精確控制顆粒在傾斜基底上的流動。

摘要

文獻綜述

• 顆粒在傾斜表面上的流動在工業和自然界中很常見，表現出多種現象，例如圖案形成和重力驅動的分離。
• 邊界條件，例如基底地形，在控制傾斜顆粒流動的動力學方面起著至關重要的作用。
• 通過基底振動向系統注入能量會出現各種現象，例如條紋、振盪、方塊、扭結和拉鍊等各種圖案的發展。
• 通常使用振動頻率和幅度來表徵振動顆粒系統。
• 研究發現，流動受振動幅度和頻率的乘積控制，而不是僅受這些參數控制。
• 無量綱數 S（振動能與重力能之比）和 Γ（與慣性相關）被用於表徵流動的不同階段。
• 先前的研究主要集中在橫向振動基底，並主要使用 Γ 來解釋結果，而沒有考慮 S。

研究方法

• 本文通過離散元方法 (DEM) 研究了法向振動基底對傾斜顆粒流動的影響。
• 使用 LAMMPS 軟體包進行模擬。
• 顆粒被建模為球形、乾燥、無粘性、非彈性和粗糙的。
• 基底由隨機排列的凍結顆粒組成。
• 通過改變基底的傾斜角 θ、振動頻率 f 和幅度 A 來研究顆粒流動剖面和質量流率 Q 的變化。

主要發現

• 與固定基底相比，振動基底的流動速度剖面是非線性的。
• 振動基底的滑移速度隨著 f 和 A 的增加而增加。
• 隨著 f 和 A 的增加，流動會膨脹，並且體積分數在靠近自由表面處變得恆定。
• 質量流率 Q 隨著 f 和 A 的增加而單調增長。
• 通過適當組合 θ、A 和 f，可以使振動基底的 Q 保持幾乎恆定。
• 與固定基底相比，通過根據傾斜角振動基底，可以將質量流率提高 25 到 100 倍。
• 通過無量綱數 S（振動能與重力能之比）來表徵 Q，發現 Qn（振動基底的 Q 與固定基底的 Q 之比）與 S 呈現出良好的比例關係，而與 Γ 無關。

研究意義

• 本研究為了解傾斜顆粒流動中基底振動的作用提供了寶貴的見解。
• 研究結果對設計高通量輸送系統和控制此類流動具有重要意義。
• 建議將 S 作為主要控制參數重新審視關於振動顆粒流動的研究。

統計資料

與固定基底相比，通過根據傾斜角振動基底，可以將質量流率提高 25 到 100 倍。
在 23° 傾斜角下，振動基底的深度平均質量流率比固定基底高 100 倍。
在 26° 和 29° 傾斜角下，深度平均質量流率分別增加了 40 倍和 25 倍。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Granular flows over normally vibrated inclined bases

by Prasad Sonar... 於 arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.06093.pdf

深入探究

除了調整基底傾斜角度、振動幅度和頻率外，還有哪些其他方法可以控制傾斜顆粒流動？

除了調整基底參數外，控制傾斜顆粒流動還可以考慮以下方法：

改變顆粒性質: 顆粒的形狀、尺寸分佈、密度、表面粗糙度和顆粒間的摩擦係數都會顯著影響顆粒流動。例如，增加顆粒尺寸分佈的廣度或顆粒表面粗糙度可以增加顆粒間的摩擦力，從而降低流動速度。
引入外部流體: 在顆粒系統中引入氣體或液體可以改變顆粒間的相互作用，進而影響流動行為。例如，氣體可以通過改變顆粒間的摩擦力或提供額外的阻力來調節流動速度。
施加電場或磁場: 對於具有電學或磁學特性的顆粒，施加外部電場或磁場可以改變顆粒間的相互作用力，從而控制顆粒流動。
改變邊界條件: 除了基底條件外，側壁的形狀、材料和粗糙度也會影響顆粒流動。例如，使用錐形通道或在側壁上設置紋理可以改變顆粒的流動模式。
利用顆粒塞流效應: 顆粒塞流效應是指在一定條件下，顆粒流動會出現間歇性的阻塞和釋放現象。通過控制阻塞和釋放的頻率和強度，可以實現對顆粒流動的間歇控制。
需要注意的是，這些方法往往相互關聯，實際應用中需要綜合考慮各種因素的影響，才能實現對顆粒流動的有效控制。

在實際應用中，考慮到顆粒形狀、尺寸分佈和濕度等因素的影響，研究結果的適用性如何？

該研究採用了簡化的球形顆粒模型，並假設顆粒是乾燥、無黏性的。在實際應用中，顆粒的形狀、尺寸分佈和濕度等因素都會對顆粒流動產生重要影響，因此研究結果的適用性需要根據具體情況進行評估。

顆粒形狀: 非球形顆粒的旋轉和排列會影響顆粒間的接觸和摩擦力，進而影響流動行為。與球形顆粒相比，非球形顆粒更容易發生阻塞和拱起現象，導致流動不穩定。
尺寸分佈: 顆粒尺寸分佈的廣度會影響顆粒間的堆積密度和孔隙率，進而影響流動性。一般來說，尺寸分佈越廣，顆粒間的堆積越緊密，流動性越差。
濕度: 濕度會影響顆粒間的黏附力和摩擦力，進而影響流動行為。在低濕度下，顆粒間的黏附力較弱，流動性較好；而在高濕度下，顆粒間的黏附力增強，容易形成團聚體，降低流動性。
因此，在將研究結果應用於實際問題時，需要考慮顆粒形狀、尺寸分佈和濕度等因素的影響，並根據實際情況對模型進行修正和完善。例如，可以採用更接近實際顆粒形狀的模型，或考慮顆粒間的黏附力和液橋效應。

這項研究的發現如何應用於開發更有效的藥物輸送系統或改善粉末加工技術？

這項研究發現基底振動可以顯著提高顆粒流動速度，並可通過調整振動參數來控制流動速率，這些發現對藥物輸送系統和粉末加工技術具有潛在應用價值：
藥物輸送系統:

提高藥物釋放速率: 對於口服固體藥劑，可以通過設計具有振動基底的藥片容器，利用振動效應提高藥物從藥片中的釋放速率，進而提高藥物生物利用度。
控制藥物釋放速率: 通過調整基底振動的幅度和頻率，可以精確控制藥物從藥片或膠囊中的釋放速率，實現藥物控釋，提高藥物療效並降低副作用。
改善粉末藥劑的流動性: 對於粉末狀藥劑，可以利用基底振動效應改善其流動性，使其更容易從容器中倒出或填充到膠囊中，提高生產效率和產品質量。
粉末加工技術:

提高粉末輸送效率: 在粉末加工過程中，可以使用振動輸送管道或料斗，利用基底振動效應提高粉末的輸送效率，降低能耗和生產成本。
控制粉末填充密度: 通過調整基底振動參數，可以控制粉末在模具或容器中的填充密度，提高產品的均勻性和緻密度。
促進粉末混合: 基底振動可以促進不同種類粉末的混合，提高混合均匀度，改善產品性能。
總之，該研究的發現為藥物輸送系統和粉末加工技術的發展提供了新的思路和方法，有望促進相關領域的技術進步。