致密颗粒射流冲击下颗粒膜上类液波结构的研究报告
一、 研究团队与发表信息
本研究由华东理工大学能源化工过程智能制造教育部重点实验室、上海煤气化工程技术研究中心的石哲航、李伟锋、刘海峰和王辅臣共同完成。研究成果以题为“Liquid-like wave structure on granular film from granular jet impact”的学术论文，发表于2017年的《AIChE Journal》期刊第63卷第8期（页码3276-3285），并于2017年3月7日在Wiley在线图书馆在线发布，论文识别码（DOI）为10.1002/aic.15693。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于颗粒技术与流态化领域，具体聚焦于致密颗粒射流冲击动力学这一交叉学科方向。冲击过程因其能有效强化相间传递，在快速加热/冷却/干燥、喷砂清洗、混合强化及喷墨打印等众多工业过程中有着广泛应用。当液体射流垂直冲击圆形靶板时，会形成径向扩展的薄液膜，其表面波动行为已被广泛研究。有趣的是，尽管颗粒材料无内聚力且耗散性强，但先前研究（如Cheng等人于2007年在《Physical Review Letters》上的工作）发现，致密颗粒射流冲击圆形靶板时，同样能产生一种类液颗粒膜。这种颗粒集体表现出的类液行为近年来吸引了众多研究者的关注。
然而，与液体射流冲击的深入研究相比，对颗粒射流冲击形成的颗粒膜的研究仍非常有限。已有研究主要关注颗粒膜的开角、内部结构特征或其在无限大平面上的沉积波纹，但对于颗粒膜表面图案（特别是波动结构）的形成机制、影响因素及其动态特性知之甚少。尤其关键的是，先前的研究（无论是实验还是采用无气相离散元模拟DEM的方法）均未系统考察颗粒射流中气相（即固体分数） 对颗粒膜形态的影响。此外，在有限尺寸靶板上形成的颗粒膜，其行为既不同于液体膜（受表面张力等影响），也不同于在无限平面上因摩擦沉积产生的颗粒波纹。因此，系统研究致密颗粒射流冲击圆形靶板产生的颗粒膜表面图案及其影响因素，揭示其类液波动行为的产生机制，具有重要的科学意义。
基于此，本研究旨在通过高速摄像实验，探究致密颗粒射流冲击圆形靶板时颗粒膜的表面图案。具体目标包括：1）观察并表征颗粒膜上是否出现类液波结构；2）研究颗粒直径、射流速度、颗粒射流固体分数等因素对波结构的影响；3）定量分析颗粒波的动态特征（如波频、波速），并与液体射流冲击的波动进行对比；4）揭示颗粒波结构的形成机理。
三、 详细研究流程与方法
本研究主要包含实验系统搭建、参数测量与调控、图像采集与数据处理、结果分析与机理探究四个主要环节。
第一环节：实验系统搭建与研究对象。 研究团队设计并搭建了颗粒射流冲击实验装置（如图1所示）。实验对象为球形玻璃珠（密度ρ_p = 2.49 × 1000 kg/m³），预先在85°C烘箱中烘干2小时以去除水分。颗粒物料储存于料斗中，通过调节加压空气（表压0.01-0.1 MPa）来推动颗粒，形成垂直向下的致密颗粒射流。射流冲击位于其下方的一个圆形平坦有机玻璃靶板。坐标系原点O设于靶板表面中心。研究中使用了两种粒径的颗粒：d = 82 μm 和 350 μm。颗粒射流在喷嘴出口处的直径固定为D = 4 mm。为了探究不同流动条件，研究设置了两种规格的金属喷嘴：归一化直立长度Le/D分别为5和35。靶板归一化直径Dt/D = 3，冲击距离（喷嘴出口到靶板表面）归一化值L/D = 2.5。
本研究的一个关键创新在于提出了一种有效调控颗粒射流固体分数的方法：在喷嘴内部嵌入不同目数的金属筛网（30目或40目，孔径分别为0.60 mm和0.45 mm），如图1所示。筛网的存在可以改变颗粒在喷嘴内的流动状态，从而在出口处获得不同固体体积分数的颗粒射流。所有实验均在常压大气环境下进行。作为对照，研究还进行了水射流冲击实验，其射流直径、靶板直径和冲击距离与颗粒射流实验保持一致。
第二环节：参数测量与调控方法。 1. 颗粒射流出口固体分数（χ_p）：通过公式 χ_p = (4ṁ_p) / (πD²ρ_p u_0) 计算。其中，出口质量流率ṁ_p通过称量5秒内从喷嘴喷出的颗粒质量获得；出口速度u_0采用中国科学院过程工程研究所生产的光纤探头（PV6D）进行测量。 2. 液体射流韦伯数（We）：用于表征惯性力与表面张力之比，定义为 We = (ρ_w u_0² D) / σ，其中ρ_w为水密度，σ为水的表面张力系数。 3. 操作参数：通过改变推动气压（Pg）、使用不同直立长度（Le/D）的喷嘴、以及是否嵌入筛网及筛网目数，系统调节颗粒射流的出口速度u_0和固体分数χ_p。具体实验参数范围总结于论文表1和表2中。
第三环节：图像采集与数据处理方法。 研究采用高速摄像机（Photron, APX-RS）从与垂直方向成15°的斜视角拍摄颗粒或液体射流冲击的瞬时流动图案（图1）。该视角便于清晰观察颗粒膜的表面图案。对于颗粒射流和液体射流冲击，帧率分别设置为3000 fps和5000 fps，曝光时间1/8000秒，分辨率1024×1024像素。
获取图像后，使用NIH开源图像处理软件ImageJ进行分析，具体量化以下波动特征： 1. 波速（u）：通过分析单位时间内波峰在径向位置的位移（Δr）来计算。为减小误差，每个数据点是100次分析结果的时均值，误差棒表示这100次结果的标准差。计算公式为：平均波速 u = (1⁄100) Σ (Δr_i/Δt_i)，标准差 σ_u = sqrt[ (1⁄100) Σ ((Δr_i/Δt_i) - u)² ]。 2. 波频（f）：通过分析单位时间内通过某一固定位置的波峰数量（n）来计算。同样进行100次时均处理，平均波频 f = (1⁄100) Σ (n_i/Δt_i)，标准差 σ_f = sqrt[ (1⁄100) Σ ((n_i/Δt_i) - f)² ]。 3. 波长（λ）：定义为相邻两个波峰之间的间距。计算100个测量值的平均值和标准差。 4. 功率频谱分析：为了获取波动的频率特征，研究对颗粒膜固定位置（如r/D=3）的灰度值时间序列进行快速傅里叶变换（FFT），分析其功率频谱，以识别波动的主导频率范围。 5. 颗粒射流不稳定性频率（f_j）：通过分析单位时间内颗粒射流在特定轴向位置（如z/D=1）的振荡或鼓泡次数来获得，用于探究波动起源。
第四环节：机理探究的辅助实验。 为了揭示颗粒射流不稳定性的起源，研究额外进行了流动可视化实验。使用与金属喷嘴几何尺寸相同的有机玻璃喷嘴，观察在不同推动气压下，颗粒在喷嘴内部的流动状态，特别是振荡和鼓泡结构的形成与发展过程。
四、 主要研究结果及其逻辑关系
结果1：颗粒膜上类液波结构的发现与影响因素。 高速摄像图像（图2, 4）首次清晰捕捉到，在特定条件下，致密颗粒射流冲击形成的颗粒膜表面会出现类液波结构。研究发现，波结构的出现与显著性与多个因素密切相关： * 颗粒直径：当使用大颗粒（d=350 μm）时，颗粒膜消失，射流冲击呈现“烟花状”弥散模式，无波动结构。这表明只有当颗粒足够小（d=82 μm），且射流直径与颗粒直径之比（D/d）足够大时，才能形成连续的、可表现类液行为的颗粒膜。 * 颗粒射流速度：在能形成颗粒膜的条件下（d=82 μm），随着射流速度u_0的增加，颗粒膜表面的“皱纹”会发展为更明显的微小波动结构（对比图2d-f）。 * 颗粒射流固体分数：这是本研究揭示的关键因素。通过改变喷嘴直立长度（Le/D）和嵌入筛网，可以调控出口固体分数χ_p。结果表明，固体分数的降低显著增强了波结构的振幅和明显程度（图4）。例如，在Le/D=5、无筛网时，u_0=1.5 m/s仅产生皱纹；而当嵌入40目筛网降低固体分数后，在相近速度下（u_0=1.5 m/s）即出现了明显的颗粒波。图3进一步定量显示，对于同一喷嘴，固体分数随射流速度增加而降低；且Le/D=35的喷嘴产生的固体分数普遍低于Le/D=5的喷嘴，这与Le/D=35时观察到的波结构更显著、波幅更大的现象（图2j-l）相一致。 * 逻辑关系：这些结果系统表明，颗粒波结构在较高射流速度和较低固体分数的条件下更容易形成和增强。这引导研究者去探究背后统一的物理机制：高速和低固体分数都可能与颗粒射流内部的气固相互作用增强有关。
结果2：颗粒波动态特性的定量表征及其与液体波的对比。 研究对颗粒波的频率、速度和波长进行了定量测量，并与液体射流产生的波动进行了对比。 * 波频：颗粒膜上固定点的灰度值时间序列显示其波动具有准周期性（图5a-c）。FFT功率频谱分析表明，颗粒波在一个特定的频率范围内传播，且该频率范围随着固体分数的降低而拓宽（图5d-f）。时均波频f随射流速度u_0增加而线性增加（拟合关系：f = 95.87 × u_0 - 42.59），但其数值远低于相同速度下液体膜的波频（图6）。此外，颗粒波频的标准差较大，说明其频率并非固定值。 * 波速：颗粒波的归一化时均波速（u/u_0）总体上小于液体波（图7）。随着固体分数的增加，颗粒波的归一化波速增大，耗散减小，行为更接近经典液体射流冲击。一个显著区别是：液体波的波速随径向位置增加而减小（受表面张力导致的液膜收缩和减速影响），而颗粒波的波速在不同径向位置上几乎保持不变。这是因为颗粒间无内聚力，其膜层扩展主要受惯性支配。 * 波长与波合并现象：颗粒波的初始归一化波长（λ/D）在1.18-1.24之间，与射流直径同量级。随着径向位置增加，波长增大，波频减小（图8）。研究发现这是由于波合并现象导致的（图9）。虽然时均波速恒定，但瞬时波速存在波动。当相邻两个波之间存在足够的速度差时，后面的波会追上前面的波并合并，导致波数量减少、波长增加、波频降低。
结果3：颗粒波的形成机制——源于颗粒射流的不稳定性。 这是本研究揭示的核心机理。通过对比稳定与不稳定颗粒射流对应的颗粒膜图像，研究者发现：当颗粒射流稳定时，颗粒膜无波动；当颗粒射流不稳定性增强时（在较高速度和较低固体分数下），颗粒膜上便出现波动。 * 两种不稳定性模式：从图像中识别出颗粒波的两种振荡模式（图10）：一是对称于z轴的波动，伴随颗粒射流中出现鼓泡；二是非对称波动，伴随颗粒射流的非对称振荡。这两种模式常随机出现或共存。 * 不稳定性起源——气固相互作用：通过有机玻璃喷嘴的流动可视化实验（图11）发现，当推动气压Pg增加时，喷嘴内的颗粒流变得不稳定，开始振荡并形成鼓泡结构，且这种不稳定振荡沿喷嘴发展。推动气压的增加，提高了喷嘴内气体的分数和速度，从而增强了气固两相之间的相互作用。这种增强的能量传递导致喷嘴出口处颗粒射流速度增加、固体分数降低、压降升高，最终引发了颗粒射流的不稳定性。 * 不稳定性频率与波频的关联：测量了颗粒射流的不稳定性频率f_j（通过分析射流振荡/鼓泡次数），发现其也随射流速度增加而增加（图12a），且具有较大的标准差（准周期性）。尽管颗粒波频率f略低于射流不稳定性频率f_j（比值f_j/f在1.2-1.7之间），但两者变化趋势一致（图12b）。这是因为波频是通过分析颗粒膜上明显的大尺度波结构得到的，而射流中的一些小尺度扰动在冲击过程中可能被衰减或耗散掉了。
逻辑链条：综合以上结果，本研究构建了颗粒波形成的完整机理链条：增加推动气压 → 增强喷嘴内气固相互作用 → 导致颗粒射流速度增加、固体分数降低，并引发颗粒射流的不稳定性（振荡/鼓泡）→ 这种不稳定性传递至冲击形成的颗粒膜，最终表现为颗粒膜表面的准周期性波结构。
五、 研究结论与价值
本研究通过系统的实验研究，得出以下主要结论： 1. 首次实验观测到，通过改变颗粒射流速度或固体体积分数，可以在致密颗粒射流冲击形成的颗粒膜上诱导出类液波结构。 2. 颗粒波结构的形成和显著程度受颗粒直径、射流速度和固体分数共同影响。波结构在颗粒膜演变为弥散模式时消失，其振幅随射流速度增加和固体分数降低而增强。 3. 颗粒波具有准周期性动态特征。其波速径向恒定，波频远低于液体波，且存在波合并现象导致径向波长增加、波频减小。 4. 颗粒波的形成机制与液体波（主要源于气液界面Kelvin-Helmholtz不稳定性）本质不同。颗粒波主要源于颗粒射流本身的不稳定性，而这种不稳定性是由推动气压增强导致喷嘴内气固相互作用加剧所引发的。
研究价值： * 科学价值：本研究首次系统揭示了气相（通过固体分数表征）在致密颗粒射流冲击类液行为中的关键作用，明确了颗粒波结构的产生源于气固相互作用诱导的射流不稳定性，深化了对颗粒物质集体流动行为，特别是其类液态与不稳定性的理解。研究指出，先前采用无气相DEM模型模拟致密颗粒射流冲击可能存在局限，为后续更精确的模拟提供了重要启示。 * 应用价值：研究结果对工业过程中涉及致密颗粒射流冲击的操作（如喷砂、颗粒涂层、流化床进料等）的流动控制和稳定运行提供了理论依据。通过调控推动气压、喷嘴结构（如长度、内部构件）来改变固体分数和射流稳定性，可以实现对颗粒膜形态和铺展特性的主动控制。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究在讨论部分指出，自由落体颗粒射流中的成簇不稳定性、Rayleigh-Plateau不稳定性已有较多研究，但对加压气体推动的致密颗粒射流不稳定性的研究较少。本研究将稠密流化床和气力输送中因气固作用增强而产生的鼓泡、节涌等不稳定性概念，与颗粒射流冲击这一特定场景联系起来，拓展了相关理论的适用范围。同时，论文也分析了其研究与已有文献（如Cheng等人、Boudet等人）结果存在差异的可能原因，如观测视角不同、对气相作用的考虑不足等，体现了研究的批判性和继承性。