论文总字数：26765字

摘 要

颗粒静电是气固两相流过程中，普遍存在的现象。在气固系统中，颗粒和壁面碰撞接触是引起的静电主要原因。本文对单颗粒与平板碰撞所产生的静电量及其影响因素进行研究。

实验中用高速摄像机记录下颗粒与平板碰撞之前自由下落和碰撞后颗粒上升的运动过程，并通过matlab程序提取运动信息。对颗粒运动轨迹进行受力分析即可得到颗粒碰撞前带电量和碰撞后带电量。同时使用法拉第杯对颗粒带电量进行测量，验证运动轨迹分析测量颗粒带电方法的准确性。结果表明法拉第杯测得颗粒静电量与运动轨迹分析测量得到的静电量在同一量级，可以反映颗粒实际静电量状况。

实验研究了颗粒碰撞带电特性随颗粒种类、颗粒粒径以及平板种类等参数的变化规律。颗粒运动轨迹分析测量颗粒带电实验结果表明对于同种材质的颗粒，粒径增大，颗粒所携带的静电量会有所增加；表面功函数相同的颗粒碰撞时，粒径小的颗粒在碰撞过程中失去电子，粒径大的颗粒得到电子。此外，在初始静电量较小的情况下，由于表面积的巨大差异，颗粒与平板或者壁面碰撞时，都会失去电子，碰撞带电量为正。

关键词：单颗粒，接触带电，图像处理技术，运动轨迹

Abstract

Electrostatic charging is a common phenomenon in the process of gas-solid two-phase flow. In gas-solid systems, the collision between particles and the wall surface is the main cause of static electricity. In this paper, based on particle electrostatic charging problem, the static electricity produced by single particles collided with the tablet and its influencing factors were studied.

In this study, a high-speed camera was used to record the free fall of particles before collision with the plate and the movement process of particles rising after collision. The motion information was extracted by matlab program. The static electricity charge of particles before and after the collision was obtained by force analysis of particle trajectory. At the same time, Faraday cup was used to measure the charge, and the veracity of measuring particle charge by motion trajectory analysis was verified. The results show that the static electricity measured by motion trajectory analysis is in the same order of magnitude as that measured by Faraday cup, which can reflect the actual static electricity status of particles.

The variation of particle collision charge characteristic with particle type, particle size and plate type was studied. The results show that the particles of the same material, the static electricity carried by particles increases as the size of particles increases. When the particles with the same surface work function collide, the smaller particles lose electrons in the course of the collision while the particles with large particle size gain electrons. In addition, based on the experimental results, it can be speculated that when the initial static electricity is small, due to the huge difference in surface area, the particles will lose electrons when they collide with the plate or wall surface, and the charge of the collision zone is positive.

KEY WORDS: single particle, contact electrification, image processing technology, trajectory

目 录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究状况 1

1.2.1 静电基础知识 1

1.2.2 静电生成机理假说 2

1.2.3 影响静电生成的因素 3

1.2.4 流化床内多颗粒静电研究 4

1.2.5 单颗粒静电研究 5

1.2.6 静电测量技术 7

1.3课题研究内容 8

第二章 实验系统及粉体物性 9

2.1 引言 9

2.2 实验装置 9

2.3 实验材料 10

2.4 实验工况及步骤 11

2.5 本章小结 11

第三章 单颗粒与平板碰撞实验及验证 12

3.1 图像数据处理 12

3.1.1 图像处理技术 12

3.1.2 修正处理 13

3.2 颗粒受力分析 13

3.3 法拉第杯测静电验证 15

第四章 单颗粒与平板碰撞静电特性研究 17

4.1 颗粒粒径对碰撞过程中的电荷转移的影响 17

4.2 颗粒材料对碰撞过程中的电荷转移的影响 19

4.3 碰撞底板材料对碰撞过程中的电荷转移的影响 20

第五章 全文总结与展望 22

5.1 全文总结 22

5.2 研究展望 22

致谢 23

参考文献 24

第一章 绪论

1.1 研究的背景及意义

颗粒系统的静电带电和放电在自然界和工业生产中普遍存在。在自然环境中，颗粒的静电可以影响沙尘，亦可使火山烟中出现大量的闪电。在工业流化过程中，颗粒和颗粒、和壁面以及气体间反复碰撞并且多次摩擦，产生静电。这种现象称为“摩擦带电”或“接触带电”^[1]。

静电现象给生产安全带来了许多问题。在流化床反应器中，存在着大量颗粒与颗粒碰撞的状况，在这个过程中，电子将从一个颗粒转移到另一个颗粒。显然，静电产生时也伴随着静电耗散。因此，流化床中的净电荷是颗粒静电产生和消散的动态结果。当静电电荷产生的速率大于其消散的速率时，在流化床或气动输送管中形成相应的电场，从而影响床或管中的带电颗粒。相应地，带电颗粒受电场中的库仑力的影响并与其他颗粒相互作用，影响流化床中的流动模式。在静电积累到一定程度时，出现颗粒的聚集和堵塞现象，影响产品的质量。在颗粒的工业处理过程中，颗粒遭受电离从而产生火花放电，导致爆炸^[1]；静电引起的堵塞会破坏气体流化床和提升管的有效运行。在制药工业中，静电会影响粉末原料并导致粉末不完全流动。由于粉料流动性差，堵塞的管道会对后续生产过程产生严重影响^[2]。另外，对于筒仓，由于静电的原因，当粉末直接冷凝时，会发生料斗拱和桥梁，导致料仓稳定性差，料仓无法正常运行。在高科技设备的制造过程中，需要小心谨慎，防止灰尘污染，导致敏感电子设备被破坏。为了避免静电累积的不利影响，研究静电产生的机理及其对粉末流动特性的影响是非常重要的。

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