本书介绍粉体力学的基础理论及其在粉体操作单元中的应用，主要包括颗粒物性、粉体物性、粉体静力学、粉体动力学、料仓设计、气-固两相系统、粒体数值模拟、造粒、粉碎、混合等方面的内容。本书可供过程装备与控制工程的本科生或研究生作为教材使用，亦可作为相关工程技术人员的参考书。

刘志军，大连理工大学，全国过程装备与控制工程专业分教指委委员兼秘书长，教务处处长、教授。
宝钢教育基金会优秀教师特等奖，霍英东教育基金会青年教师奖、教育部国家大学生创新创业训练计划卓越成就奖。国家优秀教学成果一等奖1项、二等奖2项；辽宁省教学成果一等奖7项。辽宁省百千万人才工程千人层次人选、辽宁省高校优秀青年骨干教师。
教育部国家大学生创新创业训练专家工作组成员兼秘书长、教育部机械类过程装备与控制工程专业教学指导分委员会委员兼秘书长、教育部卓越计划专家工作组秘书、中国工程教育认证协会学术委员会委员、中国高等教育学会教学研究分会常务理事、中国机械工程学会高级会员、中国化工学会化工机械专业委员会委员；辽宁省高校创新创业教育指导委员会委员兼秘书长、辽宁省机械类专业教学指导委员会委员、辽宁省精品在线开放课建设与应用专家工作组成员。主要研究化工与环境流体特殊流动技术与装备、多相流体、超临界流体、超高压流体理论与技术研究工作，发表学术论文50余篇；先后主持完成国家自然科学基金3项、辽宁省自然科学基金2项，主持完成中石化、中石油、中海油等企业委托的课题40余项，其中粉体相关课题约20余项，项目经费5000余万元。

1颗粒物性
1.1颗粒的尺寸与尺寸分布1
1.1.1颗粒尺寸1
1.1.2颗粒的尺寸分布3
1.1.3颗粒的平均尺寸6
1.1.4尺寸分布宽度7
1.1.5颗粒密度和多孔率8
1.2颗粒的形状8
1.2.1Heywood形状系数9
1.2.2颗粒的球形度10
1.2.3Stokes形状系数11
1.3颗粒的阻力系数与自由沉降速度13
1.3.1球形颗粒的阻力系数与自由沉降速度13
1.3.2非球形颗粒的阻力系数与自由沉降速度15
1.4颗粒间的作用力21
1.4.1分子间的范德华力21
1.4.2颗粒间的范德华力23
1.4.3颗粒间的毛细力29
1.4.4颗粒间的静电力30
1.5颗粒的团聚性31
1.5.1团聚机理31
1.5.2聚团强度32
习题34
参考文献34

2粉体物性
2.1粉体的堆积物性35
2.1.1粉体的堆积密度35
2.1.2粉体堆积的填充率和空隙率36
2.1.3颗粒的配位数38
2.2粉体的可压缩性40
2.3粉体的安息角41
2.4粉体的摩擦性42
2.4.1库仑定律42
2.4.2内摩擦角43
2.4.3库仑定律的理论推导45
2.5Molerus粉体分类47
2.5.1Molerus Ⅰ类粉体47
2.5.2Molerus Ⅱ类粉体47
2.5.3Molerus Ⅲ类粉体47
2.6粉体的流动性48
2.6.1粉体的开放屈服强度48
2.6.2Jenike流动函数49
2.6.3拱应力分析50
习题50
参考文献51

3粉体静力学
3.1颗粒与连续介质52
3.2粉体的应力与应变52
3.2.1粉体的应力规定53
3.2.2莫尔应力圆54
3.3莫尔-库仑定律55
3.4壁面大主应力方向56
3.5朗肯应力状态57
3.6粉体应力Janssen近似分析方法59
3.6.1柱体应力分析59
3.6.2锥体应力分析62
3.6.3Walters转换应力64
3.6.4料仓应力分析66
3.7粉体应力精确分析方法68
3.7.1应力平衡方程68
3.7.2柱体应力分布的渐近解71
3.7.3锥体应力分布的渐近解72
习题75
参考文献75

4粉体动力学
4.1粉体流动的流型76
4.2质量流量公式77
4.2.1经验关联式77
4.2.2zui小能量理论78
4.3质量守恒方程78
4.4动量守恒方程79
4.5莫尔应变率圆80
4.5.1粉体微元体的运动分析80
4.5.2莫尔应变率圆83
4.6粉体流动的本构关系85
4.6.1共轴理论85
4.6.2从Jenike剪切仪获得的应力-应变率关系86
4.6.3塑黏性本构关系89
4.6.4塑黏性流体模型90
4.7柱体内质量流动的速度分布91
4.7.1共轴理论的预测结果与实验结果的比较91
4.7.2塑黏性模型的预测结果与实验结果的比较92
4.8锥体内质量流动的速度分布93
4.8.1共轴理论的预测结果与实验结果的比较93
4.8.2塑黏性模型的预测结果与实验结果的比较96
参考文献96

5料仓设计
5.1料仓内的流动98
5.1.1料仓内粉体的流型98
5.1.2偏析现象98
5.1.3料仓流动问题99
5.1.4Jenike的料仓设计步骤100
5.2料仓结构108
5.2.1流动性质对料仓性能的影响108
5.2.2料斗结构形式109
5.2.3改流体113
参考文献117

6气-固两相系统
6.1气-固的接触形式118
6.2Reh气-固两相接触操作图120
6.2.1固定床颗粒的阻力系数120
6.2.2悬浮颗粒的阻力系数123
6.2.3Reh气-固两相接触操作图126
6.3流化床的应用130
6.3.1流态化技术发展现状130
6.3.2流化床化学反应器133
6.3.3流化床物理操作133
6.3.421世纪的流态化技术134
6.4流态化特征与Geldart颗粒分类137
6.4.1流态化基本特征137
6.4.2zui小流态化速度138
6.4.3zui小鼓泡速度139
6.4.4流态化气泡特征140
6.4.5Geldart颗粒分类147
6.5流化床化学反应器模拟149
6.5.1流化床反应器模型149
5.5.2气泡与密相的传质系数150
6.5.3气泡与密相传质系数的实验结果152
6.5.4气泡与密相传质的理论分析152
6.5.5气泡相与密相的传质数156
6.5.6颗粒反应动力学160
6.5.7化学反应器的Damkoler数166
6.5.8流化床化学反应器模拟167
习题173
参考文献174

7粉粒体数值模拟
7.1概述175
7.1.1粉粒体模拟的必要性175
7.1.2粉粒体行为的数值模拟177
7.1.3粉粒体数值模拟课题179
7.2连续介质力学的数值模拟方法179
7.2.1有限差分法179
7.2.2有限元法182
7.3颗粒单元数值模拟方法183
7.3.1数值模拟模型183
7.3.2数值模拟计算187
参考文献190

8造粒
8.1造粒方法与颗粒尺寸191
8.2火焰CVD造粒192
8.2.1火焰CVD造粒技术192
8.2.2火焰CVD造粒过程模拟196
8.3喷雾造粒205
8.3.1喷雾干燥造粒205
8.3.2喷雾热解造粒210
8.4机械化学法造粒技术211
参考文献215

9粉碎
9.1颗粒的强度217
9.1.1颗粒的理想强度217
9.1.2颗粒强度218
9.2粉碎功221
9.3粉碎极限222
9.4研磨过程动力学223
9.4.1操作参数的影响223
9.4.2粉碎速率常数223
9.4.3粉碎分布系数225
9.4.4研磨过程模拟计算227
参考文献230

10混合
10.1混合过程机理231
10.2混合度232
10.3取样及样品分析234
10.4混合设备235
10.5影响混合的因素237

附录二维两组分球形颗粒填充数值模拟计算程序

排名靠前版序
按照国际标准化组织(ISO)的认定，社会经济过程中的全部产品通常分为四类，即硬件产品(hardware)、软件产品(software)、流程性材料产品(processed material)以及服务产品(service)。在21世纪初，我国和世界上各主要发达国家都已经把“先进制造技术”列为自己国家优先发展的战略性高技术之一。通常，先进制造技术主要是指硬件产品的先进制造技术和流程性材料产品的先进制造技术。所谓“流程性材料”，则是指以流体(气、液、粉粒体等)形态为主的材料。
过程工业是加工制造流程性材料产品的现代国民经济的支柱产业之一。成套过程装置则是组成过程工业的工作机群，它通常是由一系列的过程机器和过程设备，按一定的流程方式，用管道、阀门等连接起来的一个独立的密闭连续系统，再配以必要的控制仪表和设备，即能平稳连续地使以流体为主的各种流程性材料，在装置内部经历必要的物理化学过程，制造出人们需要的新的流程性材料产品。单元过程设备(如塔、换热器、反应器与贮罐等)与单元过程机器(如压缩机、泵与分离机等)二者统称为过程装备。为此，有关涉及流程性材料产品先进制造技术的主要研究发展领域应该包括以下几个方面：①过程原理与技术的创新；②成套装置流程技术的创新；③过程设备与过程机器——过程装备技术的创新；④过程控制技术的创新。持续推进这些技术的创新，就有可能把过程工业需要实现的佳技术经济指标——高效、节能、清洁和安全不断推向新的技术水平，以确保该产业在国际上的竞争实力。
过程装备技术的创新，其关键首先应着重于装备内件技术的创新，而其内件技术的创新又与过程原理和技术的创新以及成套装置工艺流程技术的创新密不可分，它们互为依托，相辅相成。这一切也是流程性产品先进制造技术与一般硬件产品的先进制造技术的重大区别所在。另外，这两类不同的先进制造技术的理论基础也有着重大的区别，前者的理论基础主要是化学、固体力学、流体力学、热力学、机械学、化学工程与工艺学、电工电子学和信息技术科学等，而后者则主要侧重于固体力学、材料与加工学、机械机构学、电工电子学和信息技术科学等。
“过程装备与控制工程”本科专业在新世纪的根本任务是为国民经济培养大批优秀的能够掌握流程性材料产品先进制造技术的高级专业人才。
四年多来，教学指导委员会以邓小平同志提出的“教育要面向现代化，面向世界，面向未来”的思想为指针，在广泛调查研讨的基础上，分析了国内外化工类与机械类高等教育的现状、存在问题和未来的发展，向教育部提出了把原“化工设备与机械”本科专业改造建设为“过程装备与控制工程”本科专业的总体设想和专业发展规划建议书，于1998年3月获得教育部的正式批准，建立了“过程装备与控制工程”本科专业。以此为契机，教学指导委员会制定了“高等教育面向21世纪‘过程装备与控制工程’本科专业建设与人才培养的总体思路”，要求各院校从转变传统教育思想出发，拓宽专业范围，以培养学生素质、知识与能力为目标，以发展先进制造技术作为本专业改革发展的出发点，重组课程体系，在加强通用基础理论与实践环节教学的同时，强化专业技术基础理论的教学，削减专业课程的分量，淡化专业技术教学，从而较大幅度地减少总的授课时数，以加强学生自学、自由探讨和发展的空间，并有利于逐步树立本科学生勇于思考与创新的精神。
高质量的教材是培养高素质人才的重要基础，因此组织编写面向21世纪的迫切需要的核心课程教材，是专业建设的重要内容。同时，为了进一步拓宽高年级本科学生和研究生的专业知识面，进一步加强理论与实际的联系，进而增强解决工程实际问题能力，我们又组织编写了这套“过程装备与控制工程”的专业丛书，以帮助学生能有机会更深入地了解专业技术领域的理论研究与技术发展的现状和趋势，力求使高校的课堂教学与社会工程实践能够更好地衔接起来。
这套丛书，既可作为选修课教材，也可作为毕业设计环节的教学参考书，还可供广大工程技术人员作为工程设计理论分析与实践的有力助手。
“过程装备与控制工程”本科专业的建设将是一项长期的任务，以上所列工作只是一个开端。尽管我们在这套丛书中，力求在内容和体系上能够体现创新，注重拓宽基础，强调能力培养。但是，由于我们目前对于教学改革的研究深度和认识水平都很有限，在这套丛书中必然会有许多不妥之处。为此，恳请广大读者予以批评和指正。

全国高等学校化工类及相关专业教学指导委员会
副主任委员兼化工装备教学指导组组长
大连理工大学 博士生导师
丁信伟 教授
2001年10月于大连