Некоторые теоретические основы движения зернистых материалов в сосудах

Еще в 1915 г. Веттих, изучая движение песка в застекленных моделях бункеров, установил, что над выгрузочным отверстием образуется опускающийся столб материала, слегка расширяющийся кверху, который течет среди остального неподвижного материала. При разгрузке бункера движущийся столб питается за счет верхних слоев материала, ссыпающегося под углом естественного откоса. Такую же картину наблюдал и Такабея. Воронкообразное течение материала в сосудах К. В. Алферов и Р. Л. Зенков назвали «нормальным» в отличие от «гидравлического», когда материал опускается параллельно по всему сечению сосуда. Они установили, что при гидравлическом течении после открытия выпускного отверстия приходит в движение весь столб сыпучего материала, поверхность которого в течение некоторого промежутка времени остается плоской. Затем на ней образуется провал, который по мере опорожнения сосуда переходит В воронку, постепенно приобретающую четкое коническое очертание движения сыпучих материалов в бункерах. В этот момент гидравлический вид течения переходит в нормальный.

Гидравлический вид течения материала мало отличается от нормального. Разница заключается в том, что при гидравлическом течении движение потока сыпучего материала происходит в объеме, ограниченном стенками сосуда, а при нормальном течении — в объеме конуса, образованного неподвижными частицами самого сыпучего материала. Сыпучий материал при обоих видах течения движется без значительного искажения слоев, перпендикулярных к скорости движения, а скорость каждого слоя по мере опускания увеличивается и достигает предельного значения. При истечении из выпускного отверстия она постоянна.

Значительный интерес представляет также вопрос об усилиях, действующих на стенки и дно глубоких сосудов, заполненных сыпучим материалом. Робертс, определявший усилие, действующее на подвижное дно, установил, что оно значительно меньше массы зерна в сосуде, и при любой высоте столба материала, превышающей удвоенную ширину дна, давление на него остается практически неизменным.

С. Г. Тахтамышев нашел, что давление сыпучего материала на стенки сосуда зависит от вида его течения. При гидравлическом течении давление на стенки больше, чем при нормальном. М. С. Бернштейн своими опытами подтвердил это явление и объяснил такую разницу в поведении сыпучего материала различным коэффициентом внутреннего трения, который, например, при увеличении пустотности песка с 40 до 46% уменьшается с 1,19 до 0,6.

По мнению Л. В. Гячева, течение сыпучих тел в сосудах зависит от коэффициентов внутреннего и внешнего трения материала и угла его естественного откоса. При больших значениях этих факторов может наступить момент, когда давление частиц будет препятствовать движению материала по наклонной под данным углом стенке и возникнет нормальное течение по неподвижному конусу зерен материала с меньшим углом. Таким образом, давление внутри сосуда и на его стенки зависит от характера движения и физических свойств материала, а также от конфигурации сосуда.