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1、.第3卷2第期2力学进展l.3VbN2o2,00年22月5日25ANDCVEAINSECMHNICASayM25002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L程科学学院合肥230026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(iknetic七heoyr)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
2、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.颗粒流指的就是颗粒材料在外力作用和内部应力状,,,2况变化时发生的类似于流体的运动状态1,}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l[].本文讨论仅限于这个范畴..,.颗粒流存在范围很广“[一
3、5]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问题所带来的工业设备利用能力的浪费要达到40%,远达不到优化设计和节省能源的要求elI.颗粒流的研究始于20世纪50年代.Bagnodl[7}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
4、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.70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.,og“”这当中awals]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(kienicthteoyr)模型,得到的结果与采用MonetCarfo直接模拟的结果符合得相当好.1979年Cudnal,&tSarck开发了第一个研究颗粒介质力学行为的二
5、维离散元模拟程序得到与动光弹实验极为吻合的结果,成为离散元模拟颗粒运动的开端.sePcner0[]对以Mhor一coulumb条件为基础的:一一,:一一收稿日期20010201修回日期20020302250,,.“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1987年BakaTgn&wisenfeldllo]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90年代以后,人们广泛采用先进的实验技术,观察到颗粒流.、、,1一的自发无序混合指进非均匀尺寸颗粒的偏
6、聚等巨’l1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.2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l[.而快颗粒流是一类完
7、全发展的快速剪切的流动.对这两种极限情况,可以分别.,一rChimb摩擦引入简化模型对前者应用Mhoou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.2.1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,,,运动
8、极其相似ogals]定义平动颗粒温度为T=/3其中无规速度c二(。一司而awtL=<。>,尖括号表示整体平均.所以,3T/2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,,
