颗粒流研究最新进展与挑战
颗粒流体力学的新方法与新技术
颗粒流体力学的新方法与新技术颗粒流体力学是研究离散物理单元运动行为的一种方法。
相比于连续介质的流体力学，颗粒流体力学主要研究的是具有离散性的物质颗粒，例如颗粒流（gas-solid flow）、颗粒悬浮流（particle-laden flow）等等。
在工程领域中，颗粒流体力学的研究可以应用于煤粉气化、粉煤灰输送、混凝土输送等许多重要工程问题中。
因为颗粒流体力学的具体问题较为复杂，因此传统的计算方法难以求解。
随着计算机技术的不断进步，人们研究和发展出了许多新的方法和技术来解决颗粒流体力学的难题。
一、离散元法离散元法（Discrete Element Method，DEM）是将物质颗粒视为互相独立的整体，通过显式地规定它们之间的相互作用关系，在其相互作用的影响下对整个颗粒体系的运动进行数值模拟的一种方法。
DEM方法是一种微观数值模拟技术，精度较高，适用于颗粒间相互作用强、运动过程复杂、运动尺度较小的颗粒流体力学问题。
二、粒子-格子法粒子-格子法（Particle-Grid Method，PGM）是一种具有计算效率高、实现简便等优点的微观数值模拟方法。
该方法是把颗粒系统的质心运动和颗粒间的碰撞过程离散地模拟出来，利用坐标网格来判定各个颗粒间的相互作用力，再利用网格运算来求出颗粒间的作用力和碰撞反应力。
该方法通常应用于颗粒流问题的宏观数值模拟。
三、人工神经网络人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）可以学习和理解样本数据中信息的复杂度，以及非线性的、动态的和人工难以描述的系统动态特性，并可以对于噪音数据具有较好的适应能力。
在颗粒流体力学中，人工神经网络可以做到对颗粒流动状态的自动分类与识别，并可计算出压强、速度、浓度等颗粒流场的重要参数。
四、计算机视觉计算机视觉在颗粒流体力学中的应用主要是通过图像处理技术来获取颗粒流场的信息。
常用的方法有：数字图像处理、光学测量、激光和声波散射等。
颗粒流动性能的研究
颗粒流动性能的研究颗粒流动性能是指颗粒在空间中流动时所呈现出的物理性质和动力学行为。
研究颗粒流动性能，对于优化实际工程中颗粒的运输、储存和处理等方面具有非常重要的意义。
本文介绍颗粒流动性能的相关研究内容和实验方法，并探讨其中的局限性和未来发展方向。
一、颗粒流动性能的研究内容颗粒流动的性能与颗粒的物理性质、颗粒间相互作用力以及流动环境等因素息息相关。
因此，颗粒流动性能的研究涉及到以下内容：1. 颗粒运动规律颗粒运动规律是颗粒流动性能中最基础的研究内容，它包括颗粒的运动速度、方向、轨迹以及撞击等方面。
研究颗粒运动规律可以揭示颗粒运动的本质，为进一步深入研究其他颗粒流动性能提供基础。
2. 颗粒流动模式颗粒流动模式是指颗粒在不同流动环境下呈现出的流动形态。
例如，在均匀流中，颗粒流动呈现出漂流和层流两种模式；在射流中，颗粒的运动呈现出轴向和径向两种模式。
研究颗粒流动模式可以揭示颗粒流动的复杂性质，为优化颗粒运输、储存和处理提供重要指导。
3. 颗粒流动趋势颗粒流动趋势是指不同颗粒在流动过程中的运动规律和性质。
不同颗粒的物理性质和相互作用力的不同，会导致它们在流动中呈现出不同的趋势，如流速、流动难度、流动轨迹等。
研究颗粒流动趋势可以揭示不同颗粒的相互作用机制和流动规律，为优化颗粒输送、储存和处理过程提供指导。
二、颗粒流动性能的实验方法在研究颗粒流动性能时，需要进行一系列实验以获取实验数据和分析结果。
常见的颗粒流动性能实验方法包括：1. 离散元法离散元法是一种解决颗粒流动问题的数值模拟方法。
它将颗粒看作一个个离散的质点，通过计算颗粒之间和颗粒与容器之间的相互作用力和运动轨迹，来模拟颗粒的流动行为。
离散元法适用于大规模颗粒流动问题的数值计算，因此被广泛应用于颗粒制造、化工、建筑等领域。
2. 颗粒跟踪实验颗粒跟踪实验是通过高速摄像机记录颗粒运动图像，来获得颗粒的运动轨迹和速度等数据。
通过颗粒跟踪实验，可以在真实颗粒流动中直接获取颗粒的运动规律和性质，分析颗粒流动趋势和模式，并验证数值模拟结果的准确性。
砂质碎屑流沉积研究进展
砂质碎屑流沉积研究进展摘要：国外深水沉积发展了50年，从浊流定义的普遍应用,到今天对鲍马序列、约克扇等经典模式持否定态度，深水沉积研究经历了一个推陈出新的过程。
目前国外流行的砂质碎屑流理论是经典浊流理论的部分否定与新发展。
本问阐述国外砂质碎屑流的概念、鉴别特征、沉积模式等最新认识，以运用砂质碎屑流理论解释鄂尔多斯盆地湖盆中部厚砂岩的成因机制为例，揭示我国陆相湖盆中心坡折带砂体分布特征与形成机制，为开拓陆相勘探领域提供理论支撑。
关键字：深水沉积浊流砂质碎屑流深水块状砂岩鄂尔多斯盆地砂质碎屑流最先由美籍印度人G.Shanmugam博士提出，早在1996年，他就挑战传统浊流观点，在Journal of Sedimentary Research上发表了“High-density turbidity currents : are they sandy debris flows ?”一文[1]，提出在深水区发育大规模砂质碎屑流的新认识，此后又陆续发表多篇研究论文[2-3]，在全球沉积界引起了广泛关注, 目前砂质碎屑流的研究成果代表了深水重力流最新的研究进展。
1、研究背景浊流的概念在过去60多年的重力流研究中影响深远[3-4]，然而，浊流概念体系因只建立在沉积相模型上而存有缺陷，如经典浊流的“鲍马序列”[5]以及高密度浊流或粗粒浊流的“Lowe 序列”[6]。
这些模式没有从现代海洋“砂质浊流”中获得过经验数据，仅通过露头研究了古代岩心，尤其是还没有人能够通过不同沉积物浓度和粒度的实验证实现代海洋中能产生真实的砾石级浊流和砂质浊流[3-4]，也无人能通过实验室水槽实验证实浊流能够通过悬浮机制运载砂或砾石，并产生垂相的浊流相模式。
虽然存在上述问题，但由于认识误区的存在，浊流概念还是日渐流行[7]。
其实，自鲍玛序列一提出来就曾受到过批评[17-19]，只是没有引起注意。
Shanmugam作为反对派“弱势群体”的一方对鲍玛序列的批判只是敢于站出来的一个代表，诚如Miall[20]所说：“因为我们在潜意识中对鲍玛浊积岩都有一个自认为很好的定义，这样就不难解释为什么许多沉积学描述和解释都偏离了方向，直到像Shanmugam之类的人出现并带来了新看法，说明深海砂岩并不等于浊积岩。
水力学及河流动力学研究展望
水力学及河流动力学研究展望河流动力学的发展具有悠久的历史，但采用现代科学体系进行系统的研究则是20世纪才开始的。
河流动力学是以流体力学、地学、海洋和环境科学等为基础的交叉学科，其趋势仍是采用各学科之长，在理论探索、科学实验和数学模拟等方面深入发展。
1研究发展趋势展望河流动力学的研究，它应包含两个方面的内容，一是在传统理论张现代化量测技术的基础上，对已有的研究成果进行系统的总结、归纳和提高，对一些假定和近似处理给出更严密的论证，对一些经典的试验成果重新进行检验。
二是开拓新的研究领域和研究方向，特别要注重与其它学科和最新的科学技术融会贯通。
在上世纪的30年代至50年代，以Shields 曲线、Rouse悬沙公式、Meyer-Peter及Einstein推移质公式为代表，基本奠定了泥沙运动力学的理论体系，半个世纪以来，主要是进行补充和完善的工作，除在工程应用方面取得巨大的进展外，在理论体系上没有重大的突破。
通过数十年来的理论积蓄和量测技术的时代跨越，有望在近些年内在理论体系上取得突破性进展，在试验科学上获得重大的成果。
1.1.1基础理论研究河流动力学基础理论研究包括泥沙运动力学基本理论和河流过程原理及调整规律的研究。
早在30年代，Rouse应用扩散理论导出了悬移质泥沙浓度分布公式，即扩散方程，它是进行输沙计算的基本方程。
在现代两相流理论中，扩散模型只是宏观连续介质理论的一种简单模型。
更一般的模型是双流体模型，两相流中关于固液两相流的基本方程、作用力分析及其应力本构关系的理论，极大地促进了泥沙运动力学理论的发展。
但泥沙运动理论与固液两相流理论又有所区别，其内容更丰富，更独具创新性。
悬移质、推移质、水流挟沙力、动床阻力等等都是一般两相流理论中没有的概念。
这些概念是泥沙运动力学理论体系的基础，使得泥沙运动力学理论纰固液两相流理论更生动、更便于在生产实际中应用。
悬移质和推移质输沙理论、非平衡输沙理论、水流挟沙力、床面形态和动床阻力等都是泥沙运动力学基础理论研究的重要内容，而且在80年代以前已经发展得比较成熟，之后除了引入固液两相流的双流体模型外，并没有重大的进展，许多理论研究是低水平重复。
管涌现象细观机理的模型试验与颗粒流数值模拟研究
管涌现象细观机理的模型试验与颗粒流数值模拟研究一、本文概述管涌现象，作为一种在土壤或岩石介质中常见的流动现象，对于理解地下水流、土壤侵蚀、地质工程稳定性等问题具有重要意义。
近年来，随着计算机科学和数值方法的快速发展，对管涌现象的细观机理进行模型试验和颗粒流数值模拟研究逐渐成为研究热点。
本文旨在通过系统的模型试验和颗粒流数值模拟，深入探讨管涌现象的细观机理，以期为相关领域的研究和实践提供新的视角和工具。
本文首先通过文献综述，回顾了管涌现象的研究历程和现状，总结了目前研究中存在的问题和挑战。
在此基础上，设计了一系列模型试验，以模拟不同条件下的管涌过程，观察和分析管涌现象的发生、发展过程以及影响因素。
同时，利用颗粒流数值模拟方法，建立管涌现象的数值模型，对管涌过程中的颗粒运动和流动行为进行深入分析。
本文的研究内容主要包括以下几个方面：一是设计并开展管涌现象的模型试验，包括试验装置的设计、试验材料的选取、试验过程的控制等；二是利用高速摄像和图像处理技术，对模型试验中的管涌过程进行定量和定性分析，揭示管涌现象的细观机理；三是建立管涌现象的颗粒流数值模拟模型，通过模拟不同条件下的管涌过程，验证模型的准确性和可靠性；四是对比分析模型试验和数值模拟的结果，深入讨论管涌现象的影响因素和发生机制，提出相关理论假设和模型修正建议。
本文的研究成果将为深入理解管涌现象的细观机理提供新的方法和视角，有助于推动相关领域的研究进展和实践应用。
本文的研究方法和技术手段也可为其他类似问题的研究提供借鉴和参考。
二、管涌现象概述管涌是土壤或岩石介质在渗流作用下的一种特殊现象，主要发生在松散介质中，如砂土、砾石层等。
当渗流速度超过某一临界值时，介质中的细小颗粒会被渗流携带走，形成管涌通道。
这些通道会逐渐扩大，并可能连接成网络，严重威胁到工程的安全。
管涌现象的发生通常伴随着一系列复杂的物理化学过程，包括颗粒间的应力变化、孔隙水压力的分布与变化、颗粒间的摩擦和碰撞等。
颗粒流法在车辆地面力学研究中的应用与探索
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第５ １ 卷 第 ５期
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２ ０ １ ３年 ５月
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颗粒流数值模拟在月壤岩土问题研究中的应用概况
颗粒流数值模拟在月壤岩土问题研究中的应用概况林呈祥;凌道盛;钟世英【摘要】总结颗粒流数值模拟在月壤岩土问题研究中的应用,取得的主要成果:考虑粒间作用力及低重力的影响对月壤颗粒接触力学模型进行修正;确定模型的细观参数及其对宏观力学性质的影响;利用"Clump"命令生成颗粒簇对月壤/模拟月壤的颗粒形状进行模拟;进行月壤基本力学性质的模拟研究及其与地面土壤的对比研究;分析月面低重力场对月壤-车轮相互作用机理及牵引性能的影响;进行月壤基本岩土工程问题的模拟仿真及数值耦合分析.随着计算机技术的发展,选择合适的颗粒接触模型,考虑月壤颗粒的实际形状和低重力场等的影响,耦合其他数值模拟方法实现多尺度模拟分析是今后对月壤岩土问题进行颗粒流数值模拟研究的主要方向,也是技术难点所在.【期刊名称】《浙江大学学报（工学版）》【年(卷),期】2015(049)009【总页数】13页(P1679-1691)【关键词】月壤;颗粒形状;月壤岩土问题;离散元法;颗粒流数值模拟;接触模型;月面车辆力学【作者】林呈祥;凌道盛;钟世英【作者单位】浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,岩土工程研究所,浙江杭州310058;浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,岩土工程研究所,浙江杭州310058;浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,岩土工程研究所,浙江杭州310058【正文语种】中文【中图分类】TU443月球作为距离地球最近的天然空间站，是深空探测的重要中转站.月球探测是人类走向深空的第一步，也是世界各航天大国的优先开展课题.月球上没有液态水，也没有生物作用的迹象，昼夜平均温差为260℃.月球大气层极其稀薄，属于超高真空状态；月球表面的重力加速度约为1.62 m／s2，仅为地球表面的l／6.月壤是覆盖月球表面的一层结构松散、颗粒细小、厚度达数米的风化层物质，是月球探测的主要研究对象和载体，自1969年人类实现首次登月以来，共带回月壤样品382 kg［1］.鉴于月面环境和地面环境存在显著差别以及真实月壤的稀缺性，使得在地球上针对月壤物理力学特性的实验研究存在诸多局限，数值模拟是一个研究月壤岩土问题的有效可行的办法.Cundall［2］在20世纪70年代初基于分子动力学原理提出的离散元法（discrete element method，DEM）是研究月壤这类本质为非连续体颗粒材料力学性质的重要数值模拟手段，其基本思想是把非连续体视为离散单元的集合，通过时步迭代求解出各单元的运动方程，继而得到非连续体的整体运动形态［3］.离散元法具有计算速度快、存储空间小、重复性强等特点，近年来已被逐渐应用到土体渗透破坏、液化变形以及剪切带形成等非连续变形的问题研究.DEM中应用较广的为颗粒流（particle flow code，PFC）数值模拟，在计算过程中能对颗粒的排列状态、接触力链、位移场等实时记录并提取，并能形象直观地反映出速度场、位移场以及力场等力学参量的变化情况，在求解大变形、非线性等复杂问题中具有独特的优势［4］.采用离散元法研究月壤的基本物理力学特性以及对月球探测器与月壤间相互作用的数值模拟正成为月壤岩土工程领域中一个新兴的研究方向［5］.随着探月工程的不断开展，深入研究月壤力学特性、改善探测设备性能以及优化探测方案等是几大亟须解决的重要课题，颗粒流数值模拟也正不断地被应用到这些课题的研究中.本文针对颗粒流数值模拟在月壤岩土问题研究中的应用，总结国内外学者的主要研究成果与结论，并对现有研究存在的问题、下阶段的发展方向及其应用前沿与技术难点等问题进行评述.月壤是一层覆盖在月球表面厚度达数米的松软风化物，颗粒细小且结构松散.阿波罗探月计划地面接收部门在对月球样品进行分类时把直径小于1 cm的颗粒定义为狭义上的月壤［1］.月壤的形成过程主要受到3个因素影响：陨石和微陨石的撞击、宇宙射线和太阳风粒子的持续轰击以及大幅度昼夜温差导致岩石热胀冷缩从而破碎.月壤在不断熟化的过程中主要受陨石和微陨石的撞击影响，机械破碎起着主导作用［6-8］.月壤颗粒包括矿物碎屑、原始结晶岩碎屑、角砾岩碎片以及各种玻璃体和胶结物，颗粒属多棱角、多气孔结构，颗粒表面凹凸不平且较为粗糙；颗粒形态各异，差别很大，从球形到尖锐棱角状都有分布变化，主要形状有棱角状、次棱角状和长条状等［9-11］.真实月壤极其珍贵稀少，而与探月工程相关的模型实验需要大量的基床材料，因此，与真实月壤具有相似矿物组成成分和物理力学特性的模拟月壤便取代成为地面实验研究的主要载体［12］.目前，模拟月壤主要有美国的MLS-1、JSC-1、MLS-1A和JSC-1A［13-15］，日本的FJS-1、MKS-1、FJK-1［16］，我国的CAS-1［17］、TJ-1［18］以及吉林大学模拟月壤［19］等.随着探月工程的发展，新的模拟月壤也正在不断地被研制出来，如NAO-1［20］、NU-LHT-2M［21］、GRC-3［22］和BP-1［23］.作为探月工程的基础研究内容，月壤及模拟月壤的基本物理力学性质一直以来都是国内外学者的研究重点.近年来，不少学者开始针对“原位月壤”的力学特性进行假设研究.从颗粒的粒径分布来看，月壤类似于地球上的干粉砂［24］，但与砂土颗粒几乎没有黏聚力这一力学性质明显不同.研究表明：月壤的内摩擦角约为25°～50°，黏聚力大小在0.26～1.80 k Pa左右［1］；稳定的颗粒孔隙、土壤的结块现象、人类登月留下的足印以及垂直沟壁的存在等情况都表明月壤具有黏聚力，且其值偏大［25］.对模拟月壤的实验研究也表明：在高温、真空环境下，其内摩擦角和黏聚力的值比在常规地球环境下大13°和1.1 kPa左右［26-27］.Chang等［28］认为在低重力、低气压等月面环境的表面力（主要为分子间的范德华力）是月壤黏聚力的主要来源.Perko等［29］认为土体颗粒间的表面力受到其表面吸附的气体分子的影响，并提出了颗粒表面清洁度（surface cleanliness）的概念.颗粒表面清洁度的大小受到温度、气压等环境因素的影响，与吸附气体分子的厚度成倒数关系.与地球环境下的砂土明显不同，在月球超高真空环境下，月壤颗粒表面几乎没有吸附气体分子，颗粒表面清洁度很高，颗粒间存在较大的表面力作用，从而导致月壤具有一定大小的黏聚力.这些月壤（模拟月壤）的物理力学数据为颗粒流数值模拟的参数选择提供了参考，也为模拟结果的准确性评判提供了依据.2.1 颗粒流数值模拟计算原理在颗粒流数值模拟中，在颗粒单元上应用牛顿第二运动定律，在颗粒接触上应用力-位移法则，实现循环计算［30-31］.如图1所示，颗粒间的接触力F可分解为法向接触力和切向接触力：式中：F n为法向接触力，方向沿两颗粒圆心的连线；F s为切向接触力，方向与两圆心的连线相垂直.法向接触力一般只承受压力不承受拉力，大小随颗粒间重叠量的增大而线性增大，计算公式为式中：K n为法向接触刚度，U n为颗粒间的重叠量，n为接触单位法向量.若Un≤0，则颗粒间不存在接触力，切向接触力则以增量的形式计算：式中：为某一时步开始时的切向接触力，ΔF s为一个计算时步中切向接触力的增量，由下式计算：式中：K s为切向接触刚度，ΔU s为计算时步内接触位移的切向增量，v s为接触速度的切向分量，Δt为计算时步.颗粒的运动情况由颗粒上某一点的线速度与角速度来描述，分别由作用于其上的合力和合力矩来决定，如下式所示：式中：F为作用在颗粒上的合力，m为颗粒质量，x为颗粒的位移矢量，为颗粒加速度，g为重力加速度，M为作用在颗粒上的合力矩，为角动量.颗粒间的法向／切向接触刚度可以根据颗粒的自身刚度以及接触力学模型来确定.在对月壤岩土问题的颗粒流数值模拟研究中，一般直接采用软件自带的线性接触力学模型，颗粒间的法向接触刚度K n和切向接触刚度K s分别由下式计算得到：式中：、分别为两接触颗粒A、B的法向刚度，分别为两接触颗粒A、B的切向刚度.2.2 对接触力学模型的修正对月壤岩土问题进行数值模拟研究，可以对颗粒的接触力学模型进行简化.如图2所示，将颗粒的线性接触力学模型简化为弹簧-阻尼系统，并引入非张力连接模块和库仑摩擦模块，K n、K t分别为颗粒i和颗粒j间的法向、切向弹性系数，C n、C t分别为两颗粒间的法向、切向阻尼系数，μ为颗粒间的摩擦系数.月壤在特殊环境（低重力场、高真空度以及强辐射等）下具有和地球土壤不同的力学特性，对颗粒接触力学模型的修正是对月壤岩土问题进行颗粒流数值模拟研究的一项重点内容. Change等［28］指出：在月球环境下，范德华力是月壤颗粒间的主要作用力，在研究月壤抗剪强度时须考虑范德华力的影响.模拟研究结果表明：颗粒间的范德华力能使试样的抗剪强度提高12%～15%.如图3所示，用2个半径分别为R A、RB的圆球表示月壤颗粒，圆球的接触面为一个半径为a的圆面，单个颗粒表面吸附了厚度为t的气体分子，两颗粒的间距D＝2t.颗粒间的范德华力F v一部分来自于颗粒接触平面f 1，另一部分来自于颗粒剩余部分的相互作用f 2，作用方向为两接触颗粒球心的连线方向，其大小为式中：A为Hamaker系数，对于月壤，A≈4.3× 10－20 J［29］.郑敏等［32］在月壤颗粒的接触力学模型中加入范德华力来模拟研究月面环境的影响.对双轴压缩实验的模拟结果表明：颗粒间范德华力对试样的应力-应变关系曲线有显著的影响，能明显提高试样的峰值强度；在加载剪切过程中，试样的体变、颗粒平均配位数均受到颗粒间范德华力的影响.Jiang等［33-35］为模拟研究“原位月壤”的力学性质，提出一种简单、高效的月壤颗粒接触力学模型，不仅加入了颗粒间范德华力（WF）的作用，也加入了颗粒间的抗转动作用，考虑了颗粒形状特性及相互咬合作用的影响.如图4所示，将月壤颗粒简化为2个圆盘，其间的接触力由3个部分组成：法向接触力、切向接触力以及转向接触力，并都包含范德华力的作用［35］.加入范德华力后，切向接触力仍然以增量的形式表示（见式（3）），法向接触力的表达式为颗粒间抗转动力矩的简化表达式为式中：θ为两颗粒的相对转角，θ0为临界相对转角，β为颗粒的形状系数，r 0为两颗粒的平均半径.Li等［36］在模拟研究月壤与车轮相互作用特性时在颗粒的接触力学模型中加入了静电力作用，并考虑了月面的低重力环境影响.对于一个半径为R p的球体颗粒来说，其受到的静电力大小为式中：Q p为颗粒的电荷量，E为颗粒周围的电场强度，Eγ为太阳光谱能量，e为元电荷，W p为颗粒的功函数，ε0为真空电容率.在月面低重力场的作用下，颗粒所受到的重力大小为式中：g m为月球重力加速度大小，m和ρ分别为颗粒的质量和密度.考虑静电力和低重力作用后，月壤颗粒的牛顿第二运动定律方程为式中：、M ij分别为颗粒j作用在颗粒i上的力和力矩，、分别为颗粒i受到的重力和静电力，mi、v i、w i、Ii分别为颗粒i的质量、速度、角速度和转动惯量.3.1 模型细观参数的确定在颗粒流数值模拟中，模型的主要参数大致可以归纳为2类：1）表征试样几何大小及实验条件的物理参数；2）表征颗粒及其接触力学模型等的细观参数.物理参数的值一般可根据实验的实际情况来直接确定，而细观参数则不能.颗粒接触力学模型中的主要细观参数包括颗粒间的摩擦系数、颗粒刚度、初始孔隙率、粒径分布以及阻尼比等.选用适当的模型细观参数值是进行颗粒流数值模拟的先决条件，对模型细观参数与宏观力学性质间的关联性进行定量研究正成为颗粒流数值模拟的一大热点.对三轴实验（3D时）／双轴实验（2D时）的模拟是确定模型细观参数的基本方法［37］.在对双轴实验进行模拟时，利用上、下2个刚性墙面来模拟试样的加载板，并通过伺服系统控制侧墙的移动速度来保持围压的恒定［30］.在模拟三轴实验时，侧墙则是一个圆柱体墙面，同样通过伺服系统来保持围压的恒定［31］.如图5所示为三轴实验的模拟示意图及颗粒试样在加载前、后的对比图［38］，其中，d为试样直径，h为试样高度，v p为加载速率.通过反复调整模型细观参数的输入，使模拟结果和实验结果尽可能地相吻合，从而确定模型各细观参数的值，进一步开展其他数值模拟研究.在调整模型的细观参数时，可得到各细观参数对宏观力学性质的影响概况.邹猛等［38］对三轴实验进行颗粒流数值模拟时得出各细观参数对月壤静力学特性的影响，模拟结果表明：随着摩擦系数的增大，峰值应力明显增大；随着颗粒接触刚度的增大，峰值应力略有增大；随着孔隙率的增大，峰值应力反而减小.3.2 对颗粒形状的模拟在颗粒流数值模拟中，软件自带的颗粒单元（在PFC 3D中为球体，在PFC 2D中为圆形）和月壤颗粒的实际形状差别很大，用自带颗粒单元计算出的试样内摩擦角普遍较低.为了让模拟结果能最大程度地接近实际情况，有时需要把颗粒间的摩擦系数调到一个不甚合理的值.为了提高颗粒流数值模拟的精度，并揭示颗粒形状特性对宏观力学性质的影响规律，越来越多的学者开始对月壤／模拟月壤颗粒的实际形状进行模拟.在颗粒流数值模拟中，可以用椭球形（体）、多变形（体）等对颗粒形状进行简化模拟；随着计算机计算能力的提高，模拟颗粒实际形状是必然趋势.Li等［36］根据模拟月壤的颗粒形态，结合图像分析法和分形几何理论得出模拟月壤颗粒的分形维数为1.098，并且不同粒径大小的颗粒存在自相似行为.根据模拟月壤试样的粒径生成一个中心单元圆，在保持圆心位置不变的情况下使中心单元的半径缩小，根据异形颗粒的实际形状特征指数值，采用单元重叠法构建几何模型，即在中心单元周围用“Clump”命令叠加上不同数量的小半径棱角单元来表示颗粒的棱角，最后生成典型形状的月壤颗粒模型［36］，如图6所示.R 0、R 1、R 2、R 3分别为中心单元O和棱角单元B 1、B 2、B 3的半径，（x 0，y 0）、（x 1，y 1）、（x 2，y 2）、（x 3，y 3）分别是对应的圆心坐标.Matsushima等［39］提出一种动态优化的算法程序来模拟实际月壤颗粒的复杂形状，以2D模拟为例，其基本思路如下.1）在被模拟颗粒的平面区间内随机生成一定大小的基本单元（在PFC 2D中为一个圆），一般情况下基本单元的大小比被模拟颗粒的小，并且其数量预先设定. 2）在颗粒区间表面均匀布置一组离散点，并假设离散点对基本单元有一种吸引力的作用，称为“虚力”.如图7所示，“虚力”的作用方向在基本单元圆心和离散点的连线上并指向离散点，其大小与离散点和基本单元间的距离成正比.当有多个基本单元时，每个离散点只对距离其最近的基本单元产生吸引力，如图7（c）所示.3）在离散点的“虚力”作用下，基本单元产生平移、膨胀（或收缩）等运动，并在阻尼作用下趋于平衡稳定.基本单元的最后构造就是对颗粒形状的模拟结果.当只有一个基本单元时，不管起始位置和大小，颗粒形状的模拟结果只有一个；而当有多个基本单元时，模拟结果并不唯一，会受基本单元初始位置和大小的影响.Matsushima等［39］提出一种“误差指数”来评判颗粒形状模拟结果的精确程度：式中：N为颗粒表面的离散点个数，R eq为被模拟颗粒同面积圆的半径，d l为第l个离散点与最近基本单元圆心的距离，rl为与第l个离散点最近的基本单元的半径.误差指数最小的模拟结果即为最优模拟结果.Matsushima等［40-42］把这种对颗粒形状的数值模拟方法扩展到3D中，对模拟月壤颗粒进行形状模拟，并对颗粒的流动实验进行颗粒流数值模拟，研究了颗粒间接触刚度、弹性系数、摩擦系数等细观参数对休止角形成过程的影响.如图8所示为不同形状颗粒流动实验的模拟结果对比图，可以看出，颗粒形状对休止角的大小有着显著影响［40］.承压特性和剪切特性是月壤的2个基本力学特性，可分别由压板实验和履带板实验测得，如图9所示为2种实验的示意图［38］.其中，Q为作用在压板顶端的集中荷载，p为压板下的平均法向压强，z为压板沉降量；q为作用在履带板上的均布荷载，F为水平拉力，τmax为最大抗剪强度.月壤承压模型的公式可表示为式中：E 0为压缩变形模量，l为变形指数.松软颗粒物体表面的剪切特性曲线被认为不存在峰值，月壤剪切模型的公式为式中：τ表示剪切应力，e＝2.718 28，r s为相对剪切位移，E s为剪切变形模量. 邹猛等［38］以月壤的承压特性和剪切特性为研究对象，分别对压板实验和履带板实验进行了3D颗粒流数值模拟研究，结果表明：模拟实验值和模型预测趋势一致.随着承载面积的增加，月壤所能承受的载荷相应增大；而随着孔隙率的变大，承压能力则相对减弱；根据模型公式计算得到：E 0＝1 635 k N／m l＋2，l＝1.22，E s＝1.35 cm.月壤颗粒中含有各种形状的多孔性胶结物，对胶结物的研究是月壤基本力学性质研究的重要内容.Somrit等［43］将撞击能量分配方程拟合到PFC 2D软件中，模拟了微陨石撞击月球表面时月壤颗粒在高热量撞击区内融合形成胶结物的过程.Tryana等［44］在颗粒间引入平行黏聚力作用，对月壤中的胶结物进行了颗粒流数值模拟（如图10所示），并建立单轴压缩实验的数值模型，研究结果表明：胶结物含量的不同对月壤的压缩特性会产生较大影响.Hasan等［45］对模拟月壤JSC-1A的三轴压缩实验进行了3D颗粒流数值模拟（如图11所示），研究了实验围压、试样密度以及环境重力等因素对模拟月壤抗剪强度的影响，并对原位月壤的力学性质进行了预测与讨论.蒋明镜等［46］对柔性边界条件下的双轴压缩实验进行颗粒流数值模拟，研究了地面环境（不含范德华力）与月面环境（含范德华力）对试样剪切带形成过程的影响.研究表明：在压缩过程中，含范德华力试样的峰值强度与残余强度都相对较高.2种试样的体变规律都是先剪缩后剪胀，到达峰值后都有一定的剪缩，但含范德华力试样的最终体变较小.剪切带的形成是试样内部应变局部化的结果，伴随着试样内部颗粒相对转动的局部化，月面环境对试样的破坏形式与性状（剪切带的倾角及厚度）有着显著的影响.5.1 月壤与车轮相互作用的模拟在月球探测中，探测器包括着陆器和月球车，分别实现月面着陆和巡视勘察，其中，月球车在探月工程中扮演着重要角色，是各种探测仪器的载体，其基本功能是实现在月球表面的行走.月球重力加速度、月壤的含水率为零等物理力学特性以及月壤结构的颗粒特性都会使月面的可通过性较差，容易造成车轮滑转从而降低月球车的行驶性能.月壤与车轮间的相互作用研究是月球车机构设计、分析和控制的关键，对研制出高行驶性能的车辆行走机构、保证月球车在月面正常行驶具有重要且不可替代的意义［47-49］.鉴于月壤的稀缺性，难以系统地在地面环境中直接进行力学实验研究，故能够模拟颗粒材料与结构相互作用的颗粒流数值模拟是研究月壤与车轮相互作用机理的常用手段.如图12所示为月球车车轮与月壤颗粒相互作用的示意图［50］，图中的圆形小颗粒表示月壤，车轮受到的作用包括扭矩（T）、重力（G）、牵引杆拉力（F DP）、竖向荷载（W）、竖向反力（F y）、总牵引力（F T）和牵引阻力（F R）等.其中，车轮的重力G可根据车轮单元的质量和重力加速度直接计算得到；车轮和月壤间的水平接触力总牵引力和牵引阻力分别由下式计算得到：式中：f x为单个月壤颗粒对车轮的水平向作用力，当作用力方向和车轮运动方向一致时，其方向为正，起牵引作用，用表示；反之，则为阻力作用，用表示.在平衡状态下，牵引杆拉力F DP等于净拉力，其大小为当F DP为正时，车轮处于驱动状态；当F DP＝0时，车轮处于自行推进状态；当F DP为负时，车轮处于制动状态.车轮的行驶性能（牵引滑移性能）可由滑转率（slip ratio）来描述：式中：v x为车轮的平均水平速度，r为车轮的外圈半径，ω为车轮的转动角速度.滑转率值的范围为0～1.0，数值越小，表示车轮的行驶性能越好.Jiang等［50-51］在月壤与车轮相互作用的模型中考虑了颗粒间抗转动作用和范德华力，模拟结果如下：1）相对于地面环境，在月面的低重力环境下土体更为松散，车轮在月壤中的下沉量更大，在行驶过程中更容易发生打滑，行驶性能相对较差，而减小车轮荷载对提高行驶性能作用不大；2）颗粒间的范德华力能明显提高月壤的剪切强度，这对车轮在月面上的行驶性能来说是有利影响，但其影响远不及在低重力环境下月壤土体围压大大降低对车轮行驶性能所产生的不利影响；3）当牵引杆拉力相同时，车轮在月面环境里行驶比在地球环境里具有更高的效率，牵引效率随着牵引杆拉力的不同先急剧增加后减小，当滑转率为22%时，牵引效率达到最大值（0.42）.高峰等［52-55］构建了一种可径向伸缩车轮，并在颗粒接触力学模型中加入静电力作用，对车轮与月壤颗粒的相互作用进行颗粒流数值模拟，研究了当月球车在月球表面行驶时月壤颗粒的细观力学及动态特性，研究结果如下：1）轮齿数的增加会减小土体阻力、增大牵引杆拉力，但所需的驱动力矩也随之变大，车轮的整体牵引效率反而降低；2）相比在地面上，月面环境下车轮底下颗粒的接触力网分布相对更加稀疏，但同一质量车轮的下沉量却相对偏小；3）土壤推力随滑转率的提高而增大，当车轮以高滑转率行驶时，土壤推力相对行驶时间的瞬态值高于稳态值；4）在同一滑转率下，模拟过程中车轮受到水平力比实际模型实验中或者地面环境下受到的水平力要小，车轮需要更小的牵引扭矩；5）轮齿截面的几何形状会影响车轮的牵引性能，在相同的行驶环境下，直角梯形轮齿车轮具有最佳牵引性能. 李建桥等［56-57］采用PFC 2D建立月壤-车轮土槽系统模型，就微重力条件下月壤颗粒间摩擦系数、孔隙率、重力加速度以及轮齿对月球车车轮牵引性能的影响进行了颗粒流数值模拟研究，主要模拟结论如下：1）挂钩牵引力随月壤颗粒的摩擦系数的增大而增大，当摩擦因数约为1.0时，牵引力增加趋于平缓；2）牵引力随孔隙率的增加而线性降低，随重力加速度的增大而增大，随粒径分布的增加先增加后降低；3）在月面环境下，当滑转率为20%时，驱动轮的挂钩牵引力约为地面上的77.3%；4）轮齿对刚性轮的牵引性能影响较大，在没有牵引阻力的情况下，有轮齿轮滑转率为0，光滑轮滑转率为1.8%.Kanamori等［58-61］以模拟月壤MKS-1的粒径分布及物理性质为参考，通过PFC 2D生成月壤颗粒试样及虚拟土槽.在不考虑颗粒间黏聚力作用的条件下，就低重力环境对车轮行驶中的切削阻力、车轮大小的优化配置以及车轮在斜坡上的行驶性能等问题的影响进行了模拟研究，主要研究结果如下：1）当竖向荷载相等时，。
磁流变液磁性颗粒的研究进展
Ｄ（ ） Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｉ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ Ｏ Ｏ １ － ９ ７ ３ １ ． ２ Ｏ １ ３ ． ２ ４ ． Ｏ ０ １
１ 引 言
磁 流变 液 （ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｏ ｒ ｈ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｓ ， ＭＲＦ ） 是 磁
１ ９ ４ ８年 随 着 磁 流 变 液 的 诞 生 ， 在 ２ ０世 纪 ５ Ｏ年
２ 磁 性 颗 粒 的特 点 及 其发 展
２ ． １ 单 质 磁 性 金 属 颗 粒
１ ９ ４ ８年 Ｊ ．Ｒ ａ ｂ ｉ ｎ ｏ ｗ＿ ｌ 首 次 发 明了磁 流变 液 ， 他 将
铁粉 颗粒 与机 油 混 合制 得 磁 流 变 液 ， 经 过 一 系列 实 验
流变 智 能材料 中一 个 新 的分 支 ， 吸 引 了 越来 越 多研 究 者 的注 意 。主 要 由基 液 （ 分散介质 ） 、 分散颗粒 （ 分 散
质） 、 添加 剂 （ 稳定剂） 等部 分 组 成稳 定 悬 浮 液 ， 具 有低 成本 、 低 能耗、 高 屈 服应 力 、 宽温度 范围 （ 一４ ０ ０ ～５ ０ ０ 。 Ｃ） 、 流 变特性 不 受杂 质影 响等 特点 。已研 究 出或 正在 研究 的各 种磁 流 变 液 装 置 ， 如离合器、 变速器 、 减 振 器 （ 用 于直 升 飞机 螺 旋 桨减 振 、 汽 车减 振 、 各 种武 器 瞄准 系统 的减 振 ）、 高品质的喇叭、 温 度传 感 器 、 加 速度 传 感器 等 ， 在 自动 化及 结 构 智 能 控 制 领 域 具 有广 阔 的应 用前 景 。
磁 性 颗粒 的制 备 方法与 结构 、 性 能机理 的发 展趋 势 。 关 键 词 ： 磁 流 变液 ； 磁 性颗粒 ； 制 备 方 法
正交下穿截污管盾构开挖面被动失稳颗粒流模拟研究
图 １ 区间隧道正穿截留污水管横剖面位置关系图
Ｆｉｇ １ Ｉｎｔｅｒｖａｌ ｔｕｎｎｅｌ ｉｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｏｆ
ｓｅｗａｇｅ ｐｉｐｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｄｉａｇｒａｍ
由于盾构隧道与既有管道之间的垂直净
的失稳机理ꎮ Ｚ. Ｙ. Ｙｉｎ 等
[９]
采用三维离散
构隧道正交下穿截污管施工工况ꎬ建立二维
元与有限差分耦合法ꎬ研究了土体颗粒形状
颗粒流数值模型ꎬ旨在从细观角度探究盾构
对隧道开挖面被动破坏模式和支护压力变化
隧道下穿管道施工中因支护压力过大引起的
趋势的影响ꎮ
开挖面被动失稳问题ꎮ
目前ꎬ越来越多的学者开始对盾构隧道
沿盾构开挖方向的两滑动面不对称ꎮ 张孟喜
ꎮ 针对盾构隧道开挖面稳定性问题ꎬ国
等 [１１] 建立了盾构隧道正交下穿数值模型ꎬ分
内外学者借助理论分析、模型试验和数值模
析了 开 挖 面 塌 陷 失 稳 破 坏 模 式ꎮ Ｆ. Ｘｕｅ
拟等多种方法进行了大量研究ꎮ 在理论分析
等 [１２] 基于二维颗粒流数值模型ꎬ分析了由于
距较小ꎬ在盾构掘进过程中一旦发生开挖面
失稳现象ꎬ将会对土体造成强烈的干扰ꎮ 此
外ꎬ截污管的存在也会对开挖面稳定性产生
图 ２ 颗粒级配
一定的影响ꎮ 因此ꎬ笔者以左线下穿截污管
Ｆｉｇ ２ Ｇｒａｉｎ ｇｒａｄａｔｉｏｎ
至ꎮ 其中下穿东部截留污水管区间隧道外径
６ ２ ｍꎬ 内 径 ５ ５ ｍꎬ 在 里 程 右 ＤＫ３２ ＋
２. １ 细观参数标定
４７７ ０ ~ 右 ＤＫ３２ ＋ ４８９ ０、左 ＤＫ３２ ＋ ４９３ ５ ~
关于稳心颗粒国际研究进展
关于稳心颗粒国际研究进展稳心颗粒作用机制与临床研究已近30 年，30 年中，前20 年集中在国内，近10 年的研究重心已转移到国外。
最初，是广安门中医研究院的几位中医医生借鉴了几个著名古方：“心动悸”、“脉结化”、“灸甘草汤”，并以中医治疗理念为基础：调节血气、益气宁心、活血复脉等，再经反复筛选，最终形成由党参、黄精、三七、琥珀，甘松五味中药组成的治疗心律失常的稳心颗粒组方。
最初10 年的临床研究证实了稳心颗粒治疗心律失常的有效性，并通过了国家“八五”攻关课题的验收。
随后10 年，步长公司购买了该专利，并进行了更深层次的临床与基础研究。
临床主要用于房早、室早的治疗，而心衰伴发室早的疗效与胺碘酮接近。
基础研究中，在整体动物模型的研究证实该药能有效预防房性和室性快速性心律失常的发生，应用膜片钳技术，证实稳心颗粒兼有钠、钾、钙三种离子通道的阻滞作用，而房早、室早的治疗有效率高达70%以上。
自2005 年，稳心颗粒的研究走出国门，开始了国外研究之路。
在此过程中，国外著名的Monsonic 心脏电生理研究中心、美国Main Line Health 心脏中心先后加盟，并有世界著名的心脏电生理学家Antzelevitch 及严干新教授亲自挂帅参与，使10 年中的研究进展迅猛，成果颇丰。
而且，每次取得的新成果都与心律学领域的最前沿理论遥相呼应。
这不仅使稳心颗粒的研究长驱直入，也极大推动了国际与国内心电生理的理论发展，开拓了国内心电生理专业医生的视野，并在多方面得到新启迪，本文对国外研究的几项新成果进行系统回顾。
选择性阻滞心房钠通道：终止与预防房颤心房颤动是继早搏之后的第2 位常见的心律失常，其病人群体大，危害严重，能增加患者2 倍的死亡率，增加5~7 倍的脑卒中致残率，并能显著损害心功能。
因此，房颤的防治已成为临床医学的热点之一。
一. 房颤节律治疗的新策略目前，房颤的节律药物治疗有5 项新策略：①改进现有的房颤治疗药物：研制胺碘酮的衍生物决奈达隆，塞利隆等;②上游靶点治疗;控制氧化应激，炎症因子、缓解解剖学重构，减少心肌的牵拉、肥厚等;③细胞内钙稳态的正常化;④调控缝隙连接的靶点CX40、CX43 等;⑤心房特异性或选择性治疗：包括Ikur 的阻滞剂，选择性心房钠通道阻滞剂等。
大气降尘研究进展及展望
大气降尘研究进展及展望大气降尘研究进展及展望一、引言大气降尘是指大气中的颗粒物质通过沉降作用被输送到地表的现象。
这些颗粒物质可以是来自自然界的灰尘、花粉、胞外纤维、微生物、气溶胶等，也可以是人为源的污染物，如工业废气、车辆尾气等。
近些年，人们对大气降尘的研究越来越重视，本文将对大气降尘的研究进展及未来展望进行探讨。
二、大气降尘的形成与影响因素大气降尘的形成与大气环流、降水、气象条件、地理位置等因素密切相关。
大气环流的作用下，大气中的颗粒物质得以悬浮并在空气中传播，最终降落到地表。
降水则会促使颗粒物质沉降到地表，将颗粒物质带到河流和湖泊中。
气象条件也会影响大气降尘的分布和浓度，如风向风速、气压等的变化都会对大气降尘产生影响。
此外，地理位置也会决定大气降尘的来源和组成。
三、大气降尘的研究进展1. 大气降尘的采集与监测方式的改进随着科技的发展，人们对大气降尘的采集和监测方式进行了改进。
传统的采集方式包括露点式、湿润式和干液式等，但这些方法存在一定的局限性。
近些年，人们使用了新的采集器和监测设备，如高速采集器、电子天平等，使得大气降尘的采集和监测更加准确和方便。
2. 大气降尘的组成和来源研究对大气降尘的组成和来源进行研究可以帮助我们了解大气降尘的形成机制和污染源。
通过对降尘样品的分析和化学组分的测试，科学家们得出了大气降尘的主要组成以及各种污染源的贡献。
研究结果表明，大气降尘中主要含有颗粒物质、有机物、无机物等，其中颗粒物质和无机物是主要的污染物。
3. 大气降尘与环境影响的关联大气降尘对环境和生态系统产生了重要影响。
大气降尘中的污染物会对土壤、水体和植物等产生负面影响，进而威胁到生态平衡和人类健康。
大气降尘中的有害物质还可能导致大气污染和酸雨的形成，对地球环境造成进一步破坏。
四、大气降尘研究的展望1. 大气降尘污染源的治理针对大气降尘中的污染源，应加强污染治理工作，减少污染物排放。
政府应制定更加严格的环保政策和法规，鼓励企业实施清洁生产，提高排放标准，加强监管力度。
2024版年度PFC(颗粒流讲义模拟)课件
PFC(颗粒流讲义模拟)课件CONTENTS•颗粒流基本概念与原理•PFC模拟方法与技术•颗粒流在岩土工程中应用•PFC模拟实验设计与操作实践•PFC模拟结果解读与评估•颗粒流研究前沿与挑战颗粒流基本概念与原理01颗粒流（Particle Flow Code，PFC）是一种基于离散元方法的数值模拟技术，用于模拟颗粒介质的力学行为。
颗粒流中的颗粒可以是任意形状和大小的刚性体，通过接触力相互作用。
颗粒流模拟可以揭示颗粒介质在复杂条件下的宏观力学响应和微观机制。
颗粒流定义及特点颗粒流运动方程与力学原理颗粒流中的每个颗粒都遵循牛顿第二定律，即F=ma，其中F为作用在颗粒上的合力，m为颗粒质量，a为颗粒加速度。
颗粒间的接触力包括法向接触力和切向接触力，分别由弹性变形和摩擦产生。
颗粒间的接触力可以通过接触模型（如Hertz接触模型、线性接触模型等）进行计算。
引力和斥力通常与颗粒间的距离有关，可以通过势能函数进行描述。
摩擦力是阻碍颗粒间相对滑动的力，与接触面的粗糙度和法向压力有关。
颗粒间相互作用力包括引力、斥力、摩擦力等，这些力共同决定了颗粒的运动和排列方式。
颗粒间相互作用力分析宏观表现与微观机制联系颗粒流的宏观表现（如流动、堆积、破裂等）是由微观机制（如颗粒形状、排列方式、相互作用力等）决定的。
通过分析微观机制可以揭示宏观表现的内在原因，为优化颗粒流模拟提供指导。
同时，宏观表现也可以为微观机制的研究提供实验验证和理论支持。
PFC 模拟方法与技术0203离散元法的应用领域岩土工程、粉体工程、颗粒流模拟等。
01离散元法基本原理基于牛顿第二定律，通过计算颗粒间的相互作用力来模拟颗粒运动。
02离散元法与有限元法的区别有限元法将连续体划分为有限个单元，而离散元法将研究对象划分为离散的颗粒。
离散元法简介PFC软件功能介绍PFC软件概述PFC是一款专门用于模拟颗粒流的软件，具有强大的计算功能和可视化界面。
软件主要功能建立颗粒模型、设置模型参数、进行模拟计算、输出结果与可视化等。
流体_颗粒系统数值模拟的EDEM_Fluent解决方案
流体－颗粒系统数值模拟的 FLUENT－EDEM 解决方案北京海基科技发展有限公司2009 年 6 月 24 日一、概述绝大多数固态物质的个体是以颗粒状的外形存在的，即：有特定的尺寸和形 状，与外界有有限的边界。
自然界中的矿石，种子，沙粒，工业产品中的药片、 糖果等都是典型的颗粒。
通常，无论是在自然界，还是人类生产实践中，都会涉 及到了流体与颗粒相互作用（包括：质量交换、动量交换和能量交换等） 。
如： 沙尘暴，水土流失，农作物的干燥，工业上使用的各种流化床，旋流分离器以及 气力输运设备等。
研究这种相互作用，对人们的生产生活有着重要意义：不仅为 提高生产力，更能为改善人类的生存环境提供指导依据。
我们将涉及流体流动换热和颗粒运动的体系称为“流体-颗粒系统” 。
该类系 统的研究难点在于： 1. 流体本身就具有形态不固定，变化无常，难于观察和测量的特点； 2. 大量颗粒进行相互碰撞：不同时刻和位置，每个颗粒的运动、受力情况 都有所不同； 3. 流体与颗粒相互影响，形成强烈的耦合作用，更加大了系统的复杂度。
在以往的研究中，实验研究占很大的比重，主要通过测定或统计的方法来获 取系统的宏观指标。
另一些则是通过模型简化，进行机理性的研究。
随着计算机 技术和数值算法的发展， 越来越多的科学家和研究人员投入到数值仿真的研究中 来，FEA（有限元分析）方法和 CFD（计算流体力学）技术成为应用力学中发展 最为迅速、 活跃的分支。
针对流体-颗粒系统的数值模拟研究， 主要采用基于 CFD 方法的多相流技术和 CFD-DEM 耦合方法。
二、气固（液固）两相流技术发展状况在研究初期，由于没有很好的描述颗粒系统的计算模型，人们更倾向于以研 究流体为切入点 （研究该类系统的科学家和研究人员通常是流体力学专业出身） ， 将系统中大量的颗粒假设为一种准流体——颗粒流，从而产生了气固（液固）两 相流技术。
气固两相物质所组成的流动系统称为气固两相流系， 其中气相通常以连续相 形式出现，固相以颗粒或团块的形式处于气相中。
颗粒流分离技术的研究及应用
颗粒流分离技术的研究及应用随着科技的飞速发展和工业需求的不断增长，颗粒分离技术成为了一个重要的领域。
在各种领域，如化工、环保、制药、食品工业等等，颗粒流分离技术已经被广泛应用。
颗粒分离技术不仅可以实现对不同颗粒物的分类和分离，还可以实现多种颗粒物的混合。
随着这种技术的不断发展和创新，其应用的范围也在不断扩大。
一、颗粒流分离技术的研究历程颗粒流分离技术的研究始于20世纪初，最初解决的是固体颗粒流的分离问题。
在20世纪50年代，美国、欧洲、日本等国家的科学家们陆续开展了对流体颗粒流分离的研究。
1979年，日本的Aoki等人研制出了第一台离心式颗粒分离器，成为了该领域的开创者。
自此之后，各种新型、高效、节能的颗粒分离器相继研制推出。
二、颗粒流分离技术的应用1. 美容化妆品行业颗粒分离技术在化妆品制造中得到了广泛应用，特别是在美白、去色素、抗衰老等方面，因为它不仅可以去除颗粒物、颜色物，而且还可以提高产品的透明度和整体质量。
2. 制药行业制药企业致力于研究和生产各类高效、低成本的新型药物，颗粒流分离技术可以帮助制药企业实现精细的颗粒分离，提高生产效率和降低生产成本。
3. 食品工业颗粒分离技术在食品工业被广泛应用，如牛奶和果汁中的脂肪颗粒、蛋白质颗粒、乳酪颗粒等可以通过颗粒流分离技术有效地分离。
4. 土壤改良、环保工业颗粒流分离技术在环保工业中得到了广泛应用，如挥发性有机物的吸附和脱附、污水处理等。
此外，还可用于冶金、煤化工和钢铁等行业的颗粒分离领域。
三、颗粒流分离技术的创新1. 离心式颗粒分离器离心式颗粒分离器是目前应用最广泛的颗粒流分离设备，它是利用不同重量的物质的离心分离作用进行颗粒分离。
具有分离效率高、分离速度快等特点。
2. 活性炭吸附分离器活性炭吸附分离器可以快速去除液体中的固体颗粒物和微生物、臭味和异味等。
其主要原理是活性炭的吸附作用，该技术在水处理、空气净化等领域得到了广泛的应用。
3. 膜分离技术膜分离技术是将颗粒物通过膜纳滤和反渗透技术实现颗粒分离，具有分离效率高、分离速度快、操作简便等特点。
颗粒流体力学的模拟与实验
颗粒流体力学的模拟与实验前言颗粒流体力学是近年来发展较为迅速的一个研究领域，其广泛应用于物理、化学、生物、地质、工程等领域。
颗粒流体力学的研究方法主要包括理论模型和实验模拟两种，本文将分别介绍这两种方法的相关知识和研究进展。
第一章颗粒流体力学理论模型颗粒流体力学主要研究的是由大量固体颗粒组成的粒子流体，这些颗粒之间的相互作用力会影响颗粒的运动轨迹和排列形态。
在理论模型研究中，一般采用计算机模拟方法，通过建立数学模型和模拟算法来模拟颗粒流体的运动状态。
一、颗粒流体力学的基本原理颗粒流体力学研究的基本原理是多体动力学模型，即对颗粒之间的相互作用力进行建模，通过动力学方程求解颗粒运动轨迹。
多体动力学模型的基本假设是颗粒之间只有简单的碰撞作用，可以通过弹性碰撞理论来描述颗粒之间的相互作用力。
二、颗粒流体力学模型发展历程颗粒流体力学理论模型的发展历程可以分为三个阶段：1、刚性球体模型最早的颗粒流体力学模型是刚性球体模型，即将颗粒看作刚性球体，通过碰撞理论计算颗粒运动轨迹，但该模型忽略了颗粒自身的形变和流体力学特性。
2、软粒子模型为了考虑颗粒自身的形变和流体力学特性，研究者提出了软粒子模型，该模型将颗粒看作弹性球体，并通过流体动力学原理描述颗粒之间的相互作用力。
3、离散元模型离散元模型是目前应用最广泛的颗粒流体力学模型，该模型将颗粒划分为离散的单元，通过牛顿运动定律和分子动力学方法计算颗粒之间的相互作用力。
离散元模型可以模拟颗粒流体的形变、流动和颗粒分布等运动特性，具有较高的精度和可靠性。
第二章颗粒流体力学实验模拟颗粒流体力学实验模拟是将理论模型应用到实际问题中进行验证和优化的一种手段，通过设计实验装置和实验方案，模拟颗粒流体的运动状态，通过实验数据检验理论模型的可靠性和精度，同时提供重要的实验数据支持。
一、实验方法颗粒流体力学实验模拟可以分为三类方法：1、物理实验物理实验是通过设计实验装置和实验方案来模拟颗粒流体的运动状态，但其受到实验条件的限制，难以进行尺度扩展和参数优化。
气力输送颗粒系统中静电的研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2024 年第 43 卷第 2 期气力输送颗粒系统中静电的研究进展刘浩宇1，赵彦琳1，姚军1，WANG Chi-Hwa 2（1 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，清洁能源科学与技术国际联合实验室，过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室，北京 102249；2 新加坡国立大学化学与生物分子工程系，新加坡 肯特岗 117585）摘要：在过去的几十年里，由于许多工业问题和相关新技术的发展，颗粒和颗粒流的静电学得到了越来越多的关注。
颗粒-颗粒和颗粒-壁面之间发生碰撞从而产生静电。
静电的发生会受多种因素的影响，随着颗粒与壁面之间的接触会在它们的表面产生静电荷的积累，静电量可以达到饱和状态。
本文分别综述了气力输送颗粒系统中的静电发生及静电平衡，着重分析了颗粒与壁面之间接触带电的两种方式（碰撞带电和摩擦带电）、颗粒流模式及受力情况，讨论了颗粒带电过程所受的影响因素，包括外界条件（温度、相对湿度）、颗粒几何条件（尺寸、形状、接触面积、粗糙度）以及受力条件（摩擦力、常压）等。
此外，对气力输送颗粒系统中静电的数值计算作了简单介绍。
最后，为澄清气力输送颗粒系统中静电发生的机理，对单颗粒发生静电的物理机制进行了分析。
根据对相关研究结果的总结，发现由于碰撞或摩擦造成的电荷转移的工作机制尚未完全明了，这些问题将在未来逐步得到解决。
关键词：静电效应；颗粒；气力输送；接触带电中图分类号：TH3；TQ012 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2024）02-0565-14Research advances of electrostatics in pneumatic conveyinggranules systemsLIU Haoyu 1，ZHAO Yanlin 1，YAO Jun 1，WANG Chi-Hwa 2(1 International Joint Laboratory on Clean Energy Science and Technology, Beijing Key Laboratory of Process FluidFiltration and Separation, College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China; 2 Department of Chemical and Biomolecular Engineering, National University of Singapore,Kent Ridge 117585, Singapore)Abstract: In past decades, the electrostatics of granules and granular flows has obtained more and moreattention due to many industrial problems and development of new technologies. The collisions between granule-granule and granule-wall generate electrostatics. The occurrence of electrostatic can be affected by a variety of factors. As the contact between the granular and the wall, the accumulation of electrostatic charge on their surfaces can reach to an equilibrium state. The present work reviewed electrostatic generation and electrostatic equilibrium in pneumatic conveying granules systems. Two main contact charging ways between granule and wall (collision electrification and friction electrification), granular flowpattern and dynamic analysis were analyzed emphatically. The factors affecting the charging process of综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1341收稿日期：2023-08-07；修改稿日期：2023-09-14。
颗粒流（PFC）简介
颗粒流（PFC）简介颗粒流（PFC)简介注：今天偶然间见到颗粒流的概念，以前一直不了解，今天查了查，贴在这里，以备以后可以温故知新。
本文内容源自浙江大学罗勇先生的博士论文，使得吾辈能花较少的时间看到广博的知识，在此特向其表示感谢！岩土工程数值计算总体上可以分为两大类:一类是基于连续介质力学理论的方法，如有限元法(FEM)和快速拉格朗日法(FLAC(1tasea，2002))等;另一类是不连续介质力学的方法，如离散元法 UDEC(1tasca，2000)、3DEC(Itasea，1998)、PFC(Itasea，2002)和块体理论DDA(石根华，1988)等。
离散元方法按其用途又可以分为宏观离散元方法和细观离散元方法，前者主要针对解决规模相对较大的不连续面，如断层节理结构与基础之间的结合面等引起的问题(UDEC，3DEC)，后者则着重于数目众多具有不连续特性的接触面或点，如破碎岩体中的破裂面、砂土中的接触面(点)和材料中颗粒之间的接触面(点)等。
PFC(Particle Flow Code)是在著名学者Peter Cundall主持下采用细观离散元理论(又称为粒子流理论)开发的一种数值计算平台，可以广泛地应用于研究细观结构控制问题。
目前，PFC在世界上的应用并不广泛，成果报道也主要集中在PFC国际会议论文集中。
颗粒流PFCZD (Particle Flow Code in 2 Dimensions)平台数值模拟单元有两种:颗粒圆筒和颗粒(disc or particle)，主要用于平面应力和平面应变的特殊情况;颗粒流PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimensions)的数值模拟单元是三维球体颗粒(granular)，主要用于三维受力分析。
Cundall(2002)博士认为PFC在描述岩土体介质特殊特性方面有着其他常用数值方法不可比拟的优势，主要表现在如下方面:(l)能自动模拟介质基本特性随应力环境的变化;(2)能实现岩土体对历史应力一应变记忆特性的模拟(屈服面变化Kaiser效等);(3)反映剪胀及其对历史应力等的依赖性;(4)自动反映介质的连续非线行应力一应变关系屈服强度和此后的应变软化或硬化过程;(5)能描述循环加载条件下的滞后效应;(6)描述中间应力增大时介质特性的脆性一塑性转化;(7)能考虑增量刚度对中间应力和应力历史的依赖性;(8)能反映应力一应变路径引起的刚度和强度的各向异性问题;(9)描述了强度包线的非线性特征;(10)介质材料微裂缝的自然产生过程;PFC的基本特点粒子流属于不连续介质力学的一种方法，这里的粒子并不直接与介质中是否存在颗粒状物质有关，只是用来描述介质特性的一种方式。
颗粒沉降动力学特性研究进展
颗粒沉降动力学特性研究进展吴维新;苗子旭;龙佳;库建刚【摘要】矿物颗粒在流体中的沉降特性受流变学特性、流体惯性、颗粒形状及颗粒惯性的影响.针对广泛存在于矿物加工工程领域中的颗粒沉降现象,列举了几种用于研究颗粒沉降过程的常用方法,回顾了近年来关于颗粒沉降过程的相关研究,针对颗粒沉降的不同流场特性,按照沉降颗粒数量的不同,对处于层流、过度流、湍流及紊流区的颗粒沉降相应理论和研究成果进行了综述.结果表明:影响颗粒沉降的因素较多,包括沉降通道宽度、形状,沉降颗粒的密度、形状、大小和温度及沉降介质的密度、温度和黏度等,这些因素对颗粒的沉降轨迹、沉降速度和沉降过程中颗粒的振荡程度等都有一定的影响.目前,针对颗粒沉降机理的研究多数集中在规则形状的颗粒上,对不规则的真实颗粒沉降机理的研究还较为少见,采用数值模拟方法研究不规则的真实颗粒的沉降机理将是今后的主要研究方向.【期刊名称】《金属矿山》【年(卷),期】2019(000)006【总页数】6页(P27-32)【关键词】颗粒沉降;动力学;流场特性;研究方法;进展【作者】吴维新;苗子旭;龙佳;库建刚【作者单位】福州大学紫金矿业学院,福建福州350100;福州大学紫金矿业学院,福建福州350100;福州大学紫金矿业学院,福建福州350100;福州大学紫金矿业学院,福建福州350100【正文语种】中文【中图分类】TD853.37颗粒沉降是流体力学中的一个经典问题，在矿物加工领域中，颗粒沉降现象广泛存在于磨矿、分级、选别及精矿和尾矿的浓缩作业中。
颗粒沉降特性受流变学特性、流体惯性、颗粒形状及颗粒惯性的影响。
颗粒在流体中的沉降有自由沉降和干涉沉降2种，自由沉降是指颗粒在广阔介质中的沉降，干涉沉降是指颗粒在悬浮粒群中的沉降。
颗粒的沉降现象是重选、分级及尾矿处理等矿物加工工程作业中重点考虑的问题[1]。
目前，实验方法和数值模拟法是用于研究颗粒沉降机理的2种常用方法。
实验方法有粒子图像测速仪（particle image velocimetry，PIV）、粒子追踪测速仪（particle tracking velocimetry，PTV）和粒子动态分析仪（particle dynamics analyzer，PDA）等方法。
基于颗粒湍流和颗粒碰撞相互作用规律的湍流模型的研究
基于颗粒湍流和颗粒碰撞相互作用规律的湍流模型的研究曾卓雄;孙海俊;潘阳【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2011(028)004【摘要】颗粒湍流和颗粒碰撞的相互作用规律是两相流动中的核心问题。
用颗粒湍流模型和颗粒碰撞的动力论模型叠加的方法在研究两相湍流流动方面取得了一定的成效,但是还有待改进。
本文基于颗粒湍流形成大尺度脉动和颗粒间碰撞引起小尺度脉动的概念,从双流体模型出发,建立了两相流动的双尺度kp-pε两相湍流模型。
利用该模型对下行床和突扩室内的气固两相流进行了数值模拟,并与单尺度的kg-gε-kp-pε-θ两相湍流模型的结果进行了比较。
与实验数据相对照,本模型的结果比单尺度的kg-gε-kp-εp-θ两相湍流模型的结果有所改进。
%The key problem in turbulent gas-particle flows is to understand the interaction of particle turbulence and particle collision.Based on the approaches by combination of the particle kinetic theory with particle turbulence models,previous studies make some progress.However,theoretically they remain to be justified and improved.In this paper,based on the concept of particle large scale fluctuation due to turbulence and small scale fluctuation due tointer-particle collision,a particle two-scale k-epsilon turbulence model is proposed in the framework of two-fluid models.This model is used to simulate gas-particle flows in a downer and in a sudden-expansion chamber.The simulation results are compared with experimental results and the simulation results obtained by the five-equation turbulence modelwhich combines single-scale k-epsilon two-phase model with the particle kinetic theory.It is found that the present model makes some improvement.【总页数】5页(P612-616)【作者】曾卓雄;孙海俊;潘阳【作者单位】南昌航空大学飞行器工程学院,南昌330063;南昌航空大学飞行器工程学院,南昌330063;华东交通大学土木建筑学院,南昌330013【正文语种】中文【中图分类】O359【相关文献】1.计及颗粒间碰撞的湍流气固两相流模型及验证 [J], 孙平;樊建人2.双流体颗粒-壁面碰撞模型在突扩两相湍流模拟中的应用 [J], 张夏;周力行3.考虑颗粒间碰撞的稠密气/固流动二阶矩两相湍流模型 [J], 于勇;蔡飞鹏;周力行;时铭显4.惯性颗粒和壁湍流的相互作用:湍流调制及颗粒分布 [J], 王贵全5.颗粒增强湍流的新模型和气粒流动的湍流变动 [J], 周力行;曾卓雄;张健因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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颗粒流研究最新进展以及催化装置内颗粒流模型的建立摘.要:..本文从颗粒流态出发,探讨颗粒不同流态特征及其转化机制,并分析了颗粒流动过程中的应力本构关系,总结了非均匀颗粒流动特殊分选现象的研究成果,以点带面方式分析颗粒流研究的重要进展.同时,本文还分析了颗粒流研究所面临的挑战.催化裂化提升管反应器内原料油和催化剂颗粒间存在强烈地传质、传热和动量传递,同时进行着复杂地裂化反应。
描述流化状态的催化剂颗粒流动特征非常困难,而它对裂化反应的影响又至关重要,因此本文从颗粒速度分布函数出发,推导出催化剂颗粒相流动方程结合油气湍流流动,耦合集总动力学模型,得到了催化裂化提升管反应器数学模型,为进一步研究提升管内的反应特征和反应历程提供了有力手段。
关键词: 颗粒流;.应力;.分选;催化裂化;.提升管反应器;.颗粒动力学模型;.数学模型;.数值模拟1.引言颗粒流是大量颗粒物质在外力作用和内部应力发生变化时产生的类似流体的运动状颗粒流的存在范围很广,自然界中,滑坡、泥石流、雪崩、沙丘演化都是典型的颗粒流例子;.工农业生产过程中,制药、陶瓷、水泥、冶金、食品、能源和环保等领域都会遇到颗粒流问题.颗粒流动过程中表现出了各种复杂的物理特性,对它的研究已成为国际物理前沿热点之一.虽然颗粒流是一种流动现象,但它具有区别于液态和气态流动的特点,在不同边界条件和外力作用下会呈现出不同的流态,不同流态的颗粒流在其内部结构和应力上存在很大的差别,并由此引发出各种特殊的流动现象.了解颗粒在不同流态的产生条件及转化机制,探究颗粒在不同流动状态下的内部结构和应力状况,对解释颗粒流动机理以及流动过程产生的特殊现象,具有十分重要的理论和现实意义.文章拟从颗粒流流态、颗粒应力本构关系以及颗粒流动的特殊现象.流动分选三个重要内容出发,对颗粒流研究的现状和进展进行分析,以期以点带面的挖掘颗粒流研究进展的重要信息,促进颗粒流的后续研究.催化裂化是一项重要的石油加工工艺,其总加工能力已列各种转化工艺的前茅,其技术复杂程度也居各类炼油工艺首位。
由于催化裂化反应过程的原料油组成和化学反应非常复杂,反应过程受各种操作条件及催化剂活性、选择性、失活的影响,所以建立能比较精确完整地描述该反应体系的数学模型十分困难。
目前开发出的数学模型基本分为2种:.关联模型和集总模型。
[1]关联模型实际上是对大量实验数据和生产实测数据进行回归,整理得到计算产率和有关性质的关联式。
集总模型是考察催化裂化反应的有效途径,但该模型只注重裂化反应的动力学过程,而忽视了提升管反应器内流动与传热的影响。
催化裂化反应包括原料油气的外扩散、内扩散、吸附、表面化学反应,以及反应产物的脱附、内扩散和外扩散等7个反应步骤,属于典型的非均相反应。
原料油气在催化剂表面或催化剂微孔内与催化活性中心接触,进行裂化反应。
显然,反应的与否、反应的快慢和催化剂活性中心数息息相关,而活性中心数是与催化剂浓度(单位体积内催化剂颗粒数).成正比,因此,催化裂化提升管反应器内颗粒浓度分布和颗粒的速度分布必然对裂化反应产生深刻影响,催化裂化反应的数学模型关键和难点就在于精确地描述催化剂颗粒的流动特征。
流化催化裂化自诞生之日就因传热传质效果好、操作简单方便等优点而成为主要的炼油工艺。
但到目前为止,对于提升管内催化剂颗粒的流动过程和相关流动特征,以及反应油气的反应历程尚确乏足够的认识。
国内外已经建立了不少关于循环流化床的数学模型,其中颗粒动力学模型是近10年来新兴的有效方法,该模型是建立在非均匀稠密气体理论基础上Lun等人首先将动力学理论应用于颗粒,Sinclair.andJackson首先将颗粒流模型应用于垂直管内充分发展的气粒两相流,DingandGi2daspow推导了颗粒粘度及颗粒压力的表达式,颗粒粘度及颗粒压力均是颗粒“拟温度”的函数。
Nieuwland运用颗粒动力学模型对循环流化床内气固两相流动进行了数值模拟计算,模拟结果和实验结果在定性分布趋势上符合较好,在定量上低于实验值。
但这些模型仅限于气体和颗粒间无反应的两相流体系,且忽略了湍流脉动对流动传热的影响。
而实际上提升管反应器内两相流动、传质、传热、反应是高度耦合在一起的,任一因素的改变都会对其它因素产生影响。
本文在前人研究成果的基础上,成功地把湍动能模型耦合到颗粒动力学模型中考虑颗粒湍流效应,从而表征出催化剂颗粒的流动,运用k2ε模型表征气相的流动特征,运用催化裂化13集总动力学模型表征原料油的反应动力学,并详细考虑了原料油物性参数的影响,从而得到催化裂化提升管反应器内催化裂化反应的数学模型。
2.颗粒流不同流态及其转化颗粒在不同流速下表现出不同的流态,不同流动状态之间既有区别又有联系.它们之间区别是什么,用什么来表征;.它们之间的联系又是什么,如何转化?.总结最新的研究成果,并进行细致的分析,对颗粒流的系统研究是十分有意义的.2.1颗粒的不同流态不少学者发现,当紧密堆积的颗粒受到剪切时,颗粒间应力主要通过力链变形来传递.图1是Howell等在剪切室实验过程中,通过光弹性技术拍摄到的颗粒间形成的力链,图中白色部分就是颗粒间形成的力链.从图1中可以清晰地看到,力链并不是完全分布在整个颗粒内部的,而是随机的分布在颗粒系统内部.颗粒在受到剪切的过程中,在某个范围内簇集在一起而形成力链,力链上颗粒的应力很强,而其旁边的颗粒受力可很弱,甚至不受力.力链形成后在外力的作用下会发生轻微旋转,很快会变得不稳定并最终崩塌,但又会在很短的时间内又形成新的力链.这种密度流中力链结构的存在,决定了颗粒弹性与颗粒内部应力的密切关系.试想一下,颗粒应力通过力链变形传递应力,如果处于力链上的颗粒弹性增加一倍,那么力链变形也增加一倍,相应的应力也会增加一倍.Compbell.采用颗粒刚度k表示颗粒的弹性特征,将颗粒的弹性特征引入颗粒流中.这种弹性特征的引入揭示了颗粒流的本质,由此将颗粒流划分为弹性区和惯性区两个小流区,图2是颗粒系统结构图.弹性区主要针对颗粒堆积相对紧密的密度流,其重要特征是颗粒内部应力主要通过力链变形传递.弹性区又被划分为弹性-.准静态流和弹性-.惯性流两种副状态,这两种流态并没有本质上的区别,都是依靠力链变形传递内部应力.与弹性-准静态流略有区别的是,当处于弹性-.惯性流系统的颗粒受到较高的剪切率时,颗粒系统应力不只与颗粒弹性有关,还受颗粒惯性力的影响,其由力链结构变形产生的力有如下形式F=.a+.bγ.(1)a是颗粒的基本弹性应力,γ为剪切率dudy.,b是颗粒的惯性增强相.所以,此时颗粒系统的总应力关系为(2)相比弹性-.准静态流系统内部应力,它多了一个增强相.多数情况下,b远小于a,因此颗粒系统表现为弹性-准静态流动;.而当b增大到与a接近的量级时,颗粒剪切率对应力的影响就会很明显,颗粒系统就会由弹性-.准静态流进入到弹性-.惯性流区,此时颗粒系统的应力与颗粒剪切率呈线性增长.惯性区也可以划分为两个副流态:.惯性-.非碰撞流和惯性-.碰撞流(即快速流)..颗粒流处于惯性区的明显特征可引用Bagnold的关系式表示,即颗粒的应力变化和颗粒剪切率之间的平方关系.(3)颗粒的半径和密度分别d和!S.,颗粒的固体浓度为.然而,即使颗粒流系统达到了惯性区,也不一定就是完全意义上的快速流.虽然处于惯性区的颗粒相互接触是瞬时的,但只要tcTbc.>1(tc.是颗粒平均接触时间,Tbc.是颗粒碰撞相隔时间).,颗粒系统就会同时有多个而不是两个颗粒发生碰撞.只有当tcTbc.=.1时,颗粒系统才真正进入快速流,这也是为什么要将颗粒的惯性区划分为惯性-非碰撞流和惯性-碰撞流的原因.通过以上的分析,由于颗粒弹性特征的引入,颗粒系被划分为四个副流态,与以往将简单将颗粒流划分为快速流、慢速流和准静态流三种流态不同,这种划分方式更加细致的从本质上对颗粒流进行了划分,表1归纳了不同颗粒流态的基本特征.Compbell还提出了颗粒弹性与惯性比的无量纲参数k*(4)k*为颗粒刚度.实际上,该参数可以写成(5)实际上就是Bagnold惯性相和颗粒弹性应力的比值.通过引入无量纲参数k*,可得到在不同浓度和参数k*条件下的颗粒流流区图,见图3.2.2颗粒不同流态之间的转化颗粒弹性的引入使得颗粒流构成完整的流图,这些不同的流动状态有各自的特点,也存在着联系,在一定条件下,不同颗粒流态之间可以相互转化.例如,以弹性-.准静态颗粒流开始,保持颗粒体积一定,增大颗粒的剪切率,颗粒系统会进入弹性-惯性流系统,但永远不会达到惯性-.碰撞流,因为即使颗粒的剪切率达到很大值,颗粒系统仍然存在的力链结构.同样,如果增大快速颗粒流系统的剪切率,并保持颗粒系统的体积不变,那颗粒系统将经历惯性-非碰撞流并最终到弹性-.惯性流,这种现象一方面说明了不同流态之间的转化是完全可能的,另一方面也说明即使是快速颗粒流系统,在颗粒的体积浓度较大的情况下,颗粒系统内部也能形成力链.图4是不同条件下,颗粒系统在不同流态之间的转化方式,从图中可以清晰地看到,颗粒准静态流是如何通过改变颗粒流系统的体积或者应力发展到惯性-.碰撞流的.由图中可以看到,通过控制系统的应力或者体积能达到颗粒不同流态之间相互转化的目的.调节颗粒系统的剪切率并不困难,但是,自然和工业过程中的颗粒流通常都存在着自由表面,比如颗粒在斜槽、料仓内的流动等,颗粒系统在受剪切的过程中体积不会保持一定.这种转化模式只是用来说明一定条件下不同颗粒流态之间的转化方式.但即便如此,通过这种转化方式能让整个颗粒流系统的体系结构更加清晰,不同颗粒流态之间的区别更明显而联系却更紧密了.3.颗粒流的本构关系颗粒在不同流态下存在不同的内部应力.在弹性-准静态流中,颗粒之间持续接触,靠颗粒间的力链传递正应力,靠内摩擦传递剪切应力,这里通常忽略颗粒的粘性,认为颗粒的应力关系为(6)σ是正应力,Φ是颗粒的静止摩擦角.在惯性区,引用Bagnold颗粒应力和剪切率之间关系表达式(7)但以上本构关系是表达一定流动状态下颗粒流系统的应力关系,未能将不同流态颗粒流的本构关系包含进来.王光谦等采用理论分析,利用连续介质力学的一般方法描述颗粒流动,建立起颗粒流动的的应力本构关系为(8)D为剪切速度梯度;.F0.、F1.、F2是D的3个不变量;.I1、I2、I3.颗粒密度ρs,粒径d和颗粒材料特性的标量函数.在简单剪切流条件下,对于无粘颗粒,本构方程可以简化为(9a)(9b)k T0,k T1,k P0,k P1.和k P2是与颗粒浓度和材料特性有关的系数,g是重力加速度,%是颗粒的线性浓度,其与颗粒体积浓度c和静态接触最大可能浓度co.表达式为(10)该本构关系最大的特点就是将颗粒不同流态的应力关系统一起来,同时存在流速梯度的零次项、线性相项和二次项.零次项时由于粗颗粒之间的静态支撑作用引起的;.二次项时由于颗粒之间的碰撞和扩散引起的;.而线性项则是由于颗粒之间的相对滑移和挤压作用引起的.夏建新等还将颗粒弹性系数作为参数引入,对二次项进行了修正,使得该本构关系描述更为准确,其表达式变为.(11).(12)弹性系数的表达式为&=.(1+.e).∕(1-.e)..对于弹性较差的颗粒来说,其碰撞应力也小,即使颗粒进入了Bagnold定义的完全碰撞区(Ba>.450).,但实际上并没有达到完全的惯性碰撞,此时颗粒的流态只是一种惯性-非碰撞流.该表达式充分考虑了颗粒弹性的影响,更能真实反映碰撞作用的机理.值得一提的是,颗粒的应力不仅与颗粒流态等因素有关,而且受颗粒系统的尺度的影响.Hopkins和Louge就发现剪切颗粒系统的应力与无量纲颗粒系统大小成正比关系,颗粒系统的无量纲大小由L∕d定义,L和d分别是系统大小和颗粒直径.颗粒流动过程的应力关系是颗粒流研究的重点,了解颗粒系统的应力性质、大小以及应力间的关系,对了解颗粒流本质具有极大帮助.4.颗粒流动分选机制颗粒分选已成为当前颗粒流研究的前沿和热点,许多学者从不同角度采用不同的方法研究了颗粒流动分选问题.但是,颗粒流动分选问题特别复杂,颗粒的形状、大小、密度、刚度、粗糙度以及颗粒聚集状态和流动方式对会对颗粒分选产生影响.到目前为止,人们对颗粒系统流动分选的机理仍未弄清,尚未得到一个可以预测和概化颗粒流动分选的模型,有必要针对前人所做的研究做一个总结,以期发现其中的内在规律,为颗粒流动分选机制的研究提供帮助.4.1.理论研究颗粒流动分选可以分别采用理论、数值和实验方法进行研究,不同学者采用相应的方法针对不同颗粒系统都提出了流动分选的机制,其中,Savage和Lun的研究提供了认识颗粒流动分选的基础,他们研究了流速较慢、堆积紧密的颗粒剪切流,根据理论分析和实验观察结果提出了两种颗粒分选的机制,即.随机振动筛!机制和.挤压驱除!机制.他们假设密度流中缝隙更容易被小颗粒所占据,小颗粒落入缝隙的几率要比大颗粒大得多,导致大小颗粒在垂直于流动层方向质量的交换,最终形成分选.通过统计分析得到小颗粒在垂直于流动层方向的质量净变化,并提出了一个模型计算小颗粒的净渗流速度,并预测了大小颗粒完全分选时需在斜槽表面流动的距离,实验结果和模拟结果十分吻合.实验过程中提出的颗粒渗透速度vp.的表达式为.(13).(14)(15)此处,σ=.d ps∕d pt.,d pt.和d ps.分别是大小颗粒的粒径,η是小颗粒与大颗粒的数量比..(16)E是平均空隙直径率,k LT.是层厚度常量.M∕N,Em.,k AV.分与颗粒堆积状态有关的常数.颗粒堆积流动过程中也会发生分选现象,Bautrex对此进行研究后认为,流动层颗粒与固定层颗粒之间的碰撞是颗粒分选的主要原因,并结合分析得到了以下方程.(17).(18)Φl.+Φs.=.1,Φl.和Φs.是固定层中大小颗粒体积分数;.,在该模型中为常数;.Δx.是表征颗粒大小差异的参数;.γ是常数,,其中v是颗粒流速;.φ是大小颗粒的休止角之差.实验结果证实了模型的分析结果,颗粒粒径差异越大,颗粒分选越明显.Haro与Kincaid等针对多元混合的硬球颗粒分选提出了最完整动理论模型,他们将热扩散因子(a ij).定义为(19)n i.是颗粒i.的数量密度,T是颗粒温度.热扩散因子给出了与温度梯度有关的分选大小和方向,并将系统中由于温度梯度导致的分选特征化.Jenkins和Mancini认为由上述因子得到的方程在处理颗粒的分选上仍有限制.他们将混合硬球理论应用到轻微非弹性混合颗粒系统分选中,给出了颗粒流动的平衡方程和连续性方程以及颗粒项运动方程,这些方程中包含了数量密度、压力和温度项,Hsiau和Hunt引用上述方程分析颗粒的流动分选,认为颗粒分选是数量密度、压力以及温度梯度导致的质量交换的净结果.其中,压力梯度导致的质量交换为(20)温度梯度导致的质量交换为.(21) 颗粒数量梯度导致的质量交换为(22)式中p.,T和n1∕n.分别是压力,温度以及数量分数,D12.两相扩散系数,K T.是热扩散率,m是颗粒质量,n是颗粒数量密度.温度梯度和压力梯度是颗粒分选的主要原因,而颗粒数量梯度则会导致颗粒混合.大颗粒由向高压力和低温度区扩散,而小颗粒有向低压和高温度区扩散的趋势.而这个结果似乎与Savage和Lun实验研究的结果正好相反,产生此现象的原因可能与该模型中未考虑颗粒重力影响有关.以上这几个模型较为典型,它们多以颗粒数量密度、粒径比、温度、流速等为主导因子研究颗粒的流动分选机制,取得了一定的理论成果,但这些模型的适用性和准确性还需要通过实验研究进一步验证.4.2实验研究对于颗粒分选这样复杂的问题来说,实验研究是必不可少的手段.颗粒流动分选的实验主要采用以下三种流动系统:.斜槽流、堆积流和旋转筒内的流动.这三种系统流动的动力均来自颗粒自身的重力,颗粒分选发生在相对狭长的流动层中,物理机制十分相似.斜槽流分选机理最根本的解释来源于Savage和Lun的实验和理论分析结果,前文中已经做了详细的介绍.另外,还有一种解释来源于Williams,他认为颗粒间的渗流是分选的主要原因,假设斜槽表面颗粒结构像一个筛子,小颗粒更易落入筛子中,从而形成分选.其观点与Savage和Lun提出的观点没有本质的区别.Brown较早就开始研究颗粒在倾倒堆积流动过程中发生的分选现象,他将颗粒间的碰撞定为颗粒在自由表面流动分选的主要原因.当小颗粒与大颗粒发生碰撞时,前者会发生减速而停留在流出点附近,大颗粒则向堆积面的边缘滚动,进而形成分选.但是,他未能很好地定义颗粒分选的程度.与Brown 观点不同的是,Makes等人认为只有在颗粒形状差别很大,尤其是大颗粒的静止角远大于细颗粒的情况下,颗粒系统才会发生明显的分选现象.然而,Baxter等人认为分选的产生并不取决于颗粒形状的差异,而取决于填从充率(fill.rate).,填充率与颗粒大小差异有关,并决定颗粒分选的形成与否.颗粒在滚筒的径向或轴向均可发生分选,轴向分选过程十分缓慢(通常要经过几百上千次旋转).,而径向分选十分迅速(通常旋转几周就可以发生)..如Henein、Pollard和Henein以及Eightman和Muzzio等人的实验都证明了这点.横向区域颗粒分选主要通过渗流、随机筛选以及驱除机制而轴向的分选机制仍不清楚.Bridgewater和Hill.和Kakalios认为产生轴向分选的原因是不同粒径颗粒具有不同休止角的缘故,但这种机制不能解释轴向分选的反向过程.Nityanand等还发现当滚筒高速旋转时,这种径向的分选过程可以反向发生,即小颗粒出现在边缘而大颗粒形成核状区域.Tomas提出了更具一般性的见解,当大颗粒数量很少时,依据颗粒粒径差异,大颗粒可以聚集在任何径向位置.除上述三种形式的流动系统外,颗粒系统在振动条件下的分选也受到很多关注,我国的学者对此做了不少研究.姜泽辉等人通过实验观察到了振动条件下产生的一种新的分离现象..三明治!式分离,即大而重的颗粒被夹在两层小的轻颗粒之间,并对该现象的物理机理及其与振动加速度、振动频率及颗粒尺寸等因素的关系做了阐述.史庆藩通过控制加速度−和频率是无量纲加速度表达式,式中A是正弦振动的幅值,g是重力加速度).,让均匀混合的铜颗粒和玻璃颗粒在不同加速度和频率下正弦振动,同时获得了巴西果(BN).、反巴西果(RBN).和三明治(Sandwich).的不同分层相构型及其相图,还发现区分不同分层区域的−值具有滞后效应,表明分层过程与系统的初始条件有关.阎学群等人还观察了垂直振动颗粒床中,不同气压、颗粒尺寸以及密度情况下大球的运动规律,实验发现,系统处于真空状态或低气压时,大球总是向上运动.而在常压下,大球则会出现上升和下降两种运动状态.只在大球的密度和颗粒床中颗粒尺寸足够小时才会出现大球下降这种运动状态,这可能是颗粒床中的负气压梯度导致大球下降.这一结果从实验的角度很好地对.巴西果!效应、.反巴西果!效应和.三明治!式分离三种颗粒流在外界振动干扰条件下出现的现象做出了解释:.振动引起的颗粒分离与颗粒的尺寸、质量密切相关,也与振动条件和气压等因素有关.振动使大颗粒上浮的巴西果效应是普遍的,而反巴西果效应的产生受气压影响,尤其当颗粒尺寸和质量较小时影响程度更为显著.但是,上述解释还需要进一步从机理上进行研究.各类实验,提供了认识颗粒流分选本质的基础,从最本质、最直观的角度出发认识颗粒流动分选这种特殊现象,将一直是不可或缺的研究手段,尤其是当前许多先进的仪器和技术的使用,很大程度上改进了实验研究的深度和广度.可以预见,实验研究一定能在探索颗粒流动分选的机理上提供极大帮助.4.3.选机制分析现有研究成果,对颗粒尺寸分选的解释主要有以下四种:(1).弹道分选(trajectory.segregation);(2).小颗粒渗透引起的分选;(3).碰撞分选;(4).颗粒的振动分选.弹道分选(trajectorysegregation).认为颗粒的分选受颗粒惯性和阻滞运动之间平衡影响,可用Stokes数表示(23)ρp.和d分别是颗粒的密度和直径,Le.是颗粒能在水平方向运动的最大距离.当两种粒径颗粒同时流动时,大颗粒运动的距离明显会大于小颗粒的运行距离,分选由此形成.而ridgewater.和Hill.和Kakalios等人则认为轨迹机制的本质是不同粒径颗粒具有不同休止角的缘故.第二种解释来源于Savage和Lun通过理论和实验提出的.随机分选筛!机制,前文已经做了介绍.此后,Williams和Baumann也分别提出了.渗透机制!和.捕捉机制!,实际上,这两种分选机制与Savage和Lun提出的分选机制没有本质上的区别.Savage和Lun在提出.随机分选筛!机制的同时,通过观察后提出了另一种解释,即.挤压驱除!机制,小颗粒更容易在碰撞力的作用下,被挤出所在层而导致分选的发生.Brown在研究颗粒在倾倒堆积流动过程中发生的分选现象时,也认为颗粒在自由表面分选的主要原因是颗粒间的碰撞.当小颗粒与大颗粒发生碰撞时,前者会发生减速而停留在流出点附近,大颗粒则向堆积面的边缘滚动,进而形成分选.虽然这两种观点都阐述了碰撞对分选影响,但还是存在本质上的差别.虽然振动条件下颗粒间的碰撞作用明显,但Barker.和Methta认为颗粒受振动条件下的分选,存在两种解释:.一个是振动时小颗粒落入大颗粒的间隙中,并停留在下方支撑着上层大颗粒,形成上大下小的分选;.Elperin和Golshtein持另一种观点,他们认为容器壁导致对流的产生,使中心区小颗粒上升,壁沿的小颗下落,而向下对流运动不能带动大颗粒一起向下,使大颗粒停留在表层.以上几种机制基本上涵盖了当前颗粒流动分选的主要研究成果,但是,相应分选机理适用于特定的范围和特征的颗粒流动,目前,尚未得到一个能预测和概化所有颗粒流动分选的模型.同时,也不能排除还有其他分选机制的存在,需要在今后的工作得到揭示.5颗粒研究讨论颗粒流系统研究至今已有50多年的历史,在许多学者的持续共同努力下,颗粒流研究已经取得了一些的进展.同时,也面临着许多得挑战,主要有以下几个方面:(1).颗粒流基础研究和实际运用相结合所面临的挑战颗粒流研究之所以成为热点,不仅是因为它具有重要的理论意义,还在于其重要的实际意义.如何解决理论研究相对滞后、或者脱离实际这个问题是当前所面临的一个挑战.比如,颗粒快速流动一直是研究的热点,而事实是,快速颗粒流多存在于实验室中,实际应用快速颗粒流十分少见,一般多为密度流,颗粒很难在剪切作用下获得足够高的温度脱离弹性。