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1、第卷第期力学进展年月日,颗粒流的动力学模型和实验研究进展吴清松胡茂彬中国科学技术大学程科学学院,合肥摘要首先叙述了颗粒流研究的背景,和基本概念接着概述了颗粒流动力学研究的三种基本数学、力学模型颗粒动理论七模型摩擦塑性模型和离散元模拟模型介绍了它们的基本原,,,理并分析了各个模型的优缺点和适用范围随之对颗粒流的实验研究情况作了简要的介绍列举了研究中几种常用的试验方法和观测手段,以及观测到的一些典型现象最后,我们简述了颗粒流研究的,主要困难并提出了某些有待解决的研究课题关键词颗粒流,数学力学模型,动理论,双剪切,离散元,实验研究引言颗粒材料是大量离散固体粒子的聚集颗粒流指的
2、就是颗粒材料在外力作用和内部应力状,,,况变化时发生的类似于流体的运动状态,一般地讲颗粒的间隙充满气体或液体物质因此严格说,颗粒流是多相流但是,如,果粒子是密堆积的或比间隙流体稠密得多则描述流动时可以忽略间隙流体效应颗粒材料流通常指这种狭义上说的颗粒流动本文讨论仅限于这个范畴,、、“一颗粒流存在范围很广自然界中滑坡雪崩沙丘演化都是明显的颗粒流动例子星际微尘的运动也属于颗粒流范畴在工农业生产领域中,颗粒材料具有广泛的应用制药、陶瓷、水泥、煤炭、冶金、食品、能源、化工等领域都会遇到颗粒流动问题由于人们至今对颗粒流动机,,,理认识不深据估计在相关工业部门单由输送颗粒材料遭遇的
3、问题所带来的工业设备利用能力的浪费要达到,远达不到优化设计和节省能源的要求颗粒流的研究始于世纪年代做了蜡球在甘油一酒精一水溶液中的同轴,,剪切流变仪试验这是最早揭示颗粒摩擦应力本构关系的研究由于工程实际需要颗粒流问题,逐步地吸引学者的关注早先的工作主要集中于一些简单的试验观测和近似分析并为工程,,设计提供一些经验公式年代以后人们开始对颗粒流动的物理机制发生了兴趣颗粒流研究进入一个蓬勃发展的阶段,许多力学家、物理学家和应用数学家投入到颗粒流的研究中来“”,这当中最早引入颗粒温度的概念此后人们很快建立起颗粒流的动理论模,型得到的结果与采用直接模拟的结果符合得相当好年,开发了
4、第一个研究颗粒介质力学行为的二维离散元模拟程序得到与动光弹实验极为,一吻合的结果成为离散元模拟颗粒运动的开端对以条件为基础的一一,一一收稿日期修回日期©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net“”,,双剪切理论作了发展并用于颗粒流动研究实际证明这个模型是很有效的值得一提的,,“”,是年提出了颗粒自组织临界的理论物理学界对颗粒材料的性质也产,,生了广泛兴趣进入年代以后人们广泛采用先进的实验技术观察到颗粒流、、,的自发无序混合指进非
5、均匀尺寸颗粒的偏聚等巨一’许多非线性现象所有这些研究使得人们对颗粒流动机制的认识大大加深了但同时又为学者们提出了许多挑战性的新问题本文就近年来在颗粒流动力学研究中发展起来的的几种基本数学力学模型和实验研究情况作一简要综述颗粒流动力学的几种基本数学力学模型,、,根据流动的特点颗粒流常可划分为准静态流快流和慢流三种状态分别对应颗粒流动的初始阶段、完全发展阶段和中间阶段当颗粒材料承受的载荷强度超过粒子间的摩擦结合力,,“时材料内部就会产生破裂并开始流动但粒子仍保持接触并互相摩擦着这就是颗粒准静态”,流动状态而快颗粒流是一类完全发展的快速剪切的流动对这两种极限情况可以分别引入简
6、化模型对前者,应一用摩擦准则的改进塑性模型可以得到这种流动的较为精确,,,的描述这里忽略了动理学应力对于后者人们定义了颗粒温度的概念并用颗粒动理,论来研究它,这里忽略了库仑摩擦应力而对,,于转换区由于两种应力都不能忽略使问题变得,,,复杂迄今为止精确描述此状态的理论模型还难以得到通常做法是将颗粒快流和准静态流的结果拼凑起来组成经验解颗粒动理论模型在快颗粒流中,粒子运动可分解为整体平均速度与无规速度之和由于无规分量和分子热,,二。一,运动极其相似定义平动颗粒温度为其中无规速度司而。,尖括号表示整体,平均所以就是颗粒无规运动动能动理论是联系细观和宏观的一个桥梁颗粒动理论模型
7、是在保持动理论的基本要素如宏观守恒律和稳态解的基础上引入一定简化原理来研究颗粒系统的细观行为例如可以对标准的动,,理论即方程加以改进以祸合进颗粒碰撞非弹性的特点从而建立起颗粒介质动力学行为研究的理论基础方程形式可写为·认。,,,亡二,。,。其中是相空间中的粒子数密度分布函数是颗粒速度是碰撞因子···一‘‘。·,,‘·,·,‘一·,·,云·,,云“一。‘。‘。一,一,、,,一一一‘。,。是阶跃函数宫中的是两个碰撞颗粒的平均直径是碰撞的维数对于球。,。,厅,体碰撞是连接两颗粒中心方向的单位矢量是碰前速度扩城是碰后速度。一。是碰前速度差方程是动
