颗粒流研究最新进展与挑战
细颗粒添加组分流态化研究进展
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细颗粒添加组分流态化研究进展
宋莲 英 ， 周 涛 ， 杨静 思，曾 平 ，陈冠群
（ 中南大学 化学化工学院， 湖南 长沙 ４， ８｜ １０３ ０ ）
摘
要 ： 绍 了 细颗 粒 聚 团 流 态化 的 类 型 ： 添加 组分 的种 类 、 加 量 介 从 添
ｍ ａ ｎ ｔｃｆｅｄ ｌｏｒ ｖｅ ｄ ， Ｔ ｅｐ ｏ ｅ ｓａ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｉ ｕ ｇ ｅｉ ｌ ｓａｓ ｅ ｉｗｅ ｉ ｈ ｒｂｌｍ ｎｄｄ ｖ ｌｐ ｎ ｎｆ — ｌ
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流体颗粒输运与混合流动的研究现状与展望
流体颗粒输运与混合流动的研究现状与展望引言在现代科学和工程领域中，流体颗粒输运与混合流动作为重要的研究课题被广泛关注。
流体颗粒输运与混合流动的研究旨在探索颗粒在流体中的运动和相互作用规律，以及在混合流动中的相互影响。
随着研究的深入，人们逐渐认识到流体颗粒输运与混合流动对于许多领域的应用具有重要意义，如医药领域的药物输送、环境领域的颗粒污染物传输、化工领域的反应混合等。
本文将对流体颗粒输运与混合流动的研究现状进行综述，并展望未来的研究方向。
一、流体颗粒输运研究现状1.1 流体颗粒输运模型流体颗粒输运的研究主要基于流动颗粒的动力学行为，以建立数学模型来描述颗粒在流体中的运动。
在过去的几十年里，研究人员提出了各种颗粒输运模型，包括牛顿力学模型、连续介质模型和离散元模型等。
这些模型在不同的研究领域具有广泛的应用，但仍存在一些问题亟待解决，如模型的适用性和精度等。
1.2 流体颗粒输运的数值模拟方法随着计算机技术的快速发展，数值模拟成为研究流体颗粒输运的重要工具。
数值模拟方法可以通过计算机仿真来模拟流体颗粒在特定环境下的运动行为，可以预测和分析流体颗粒输运的有关参数。
常用的数值模拟方法包括有限元法、格子玻尔兹曼法和离散元法等。
这些方法在不同的研究场景中具有各自的优势和适用性。
1.3 流体颗粒输运的实验研究实验室实验是研究流体颗粒输运的另一种重要方法。
通过设计和进行实验，研究人员可以获取实际流体颗粒运动的数据，验证模型的准确性和可靠性。
实验研究可以提供丰富的定性和定量数据，有助于深入理解流体颗粒输运的机理和行为。
二、混合流动研究现状2.1 混合流动的背景与重要性混合流动作为一种重要的运动形式，在很多工程领域具有重要应用。
在化工工程中，混合流动被广泛应用于反应器、分离设备和传输系统等领域。
混合流动的效果直接影响到产品质量和生产效率。
因此，对混合流动的研究具有重要意义。
2.2 混合流动的机理和模拟方法混合流动的机理涉及流体的对流、扩散和反应等过程。
固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究
固液两相流与颗粒流的运动理论及实验研究近年来，固液两相流和颗粒流在许多工业领域中被越来越多地使用，是一种重要的热物理现象。
本文从固液两相流和颗粒流的运动理论及实验研究的角度出发，首先对固液两相流的本质概念进行简要总结，然后梳理固液两相流的运动规律，从宏观到微观，探究多种流体的运动机制，并讨论颗粒流的运动特性。
固液两相流是指存在两个可独立存在的,具有不同性质的相组成的流体,在对流量和力学环境下运动的一种物理现象。
从动力学角度来看，固液两相流被分为固体和液体两个不同的部分，它们分别受到不同的重力和粘性力的作用，具有不同的驱动力，形成的运动状态也不同。
例如，在重力下，具有质量和形状不同的固体颗粒会因为重力、粘性和空气阻力等因素而产生不同的运动轨迹。
此外，受重力作用，液体中悬浮的颗粒或气泡也会发生运动。
宏观角度观察固液两电流，可以把其分为湍流和非湍流两种状态。
从湍流出发，可以得到熵递减原理，颗粒在运动过程中，湍流驱动力会使其运动轨迹发生变化；从非湍流出发，推导出固液两相流的克服斯特林运动方程，运动状态受到温度、粘度和速度的影响。
在此基础上，可以建立宏观的固液两相流与颗粒流的运动模型，形成作用域，提出关于粒子流动的约束条件。
微观角度来观察固液两相流和颗粒流，主要是考察颗粒的表面活性和分布以及流体粘性和密度等因素对固液两相流运动的影响。
比如，液体介质中流动的固体颗粒表面活性会使整个流体受到表面力的作用，这会改变流体的结构，形成新的液体流动模式。
此外，液体中的颗粒的分布特性也影响着其流动状态，研究表明，颗粒的粒度和粒径等因素会影响到它们的悬浮状态、运动路径以及湍流性能。
最后，流体粘性影响着液体中固体颗粒的运动，当粘度系数增大时，颗粒会运动受阻，粒径较小的颗粒会遇到更大的阻力，使得它们的流动路径发生变化。
基于对固液两相流及颗粒流运动的理解，研究者利用实验室条件对其进行了大量的测试和实验研究，探究固液两相流的流动特性、粘度、湍流性能以及颗粒的分布、动力学性质等。
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。
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。
颗粒流润滑力链演变及动力学状态的研究
颗粒流润滑力链演变及动力学状态的研究孟凡净;刘焜;秦涛【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2017(051)009【摘要】为了研究颗粒流润滑状态下的力链演变及动力学状态,基于非连续介质力学的离散单元法理论建立了剪切平行板间颗粒流润滑的分析模型,并利用该分析模型研究了颗粒流润滑的接触力分布规律、力链网络的演变规律及动力学状态、力链的分布及对颗粒流润滑系统的影响.数值分析结果表明,颗粒润滑介质间的法向接触力、切向接触力和接触力分布均按幂函数规律变化,颗粒流润滑系统的承载和动力学特性主要受法向接触力的影响;颗粒润滑介质的动力学状态可以转变为阻塞态、准静态流、慢速流和快速流4种状态,在4种不同的动力学状态下,总力链的大小在阻塞态、准静态流和慢速流时较大,而在快速流时则较小;在颗粒润滑介质的动力学状态从快速流转变为慢速流和准静态流时,弱力链的数目明显减少,超强力链和强力链的数目明显增加,与此同时,颗粒润滑介质的流动速度和力链解构与重构的速度则明显减缓.【总页数】7页(P106-111,158)【作者】孟凡净;刘焜;秦涛【作者单位】湖北文理学院机械与汽车工程学院,441053,湖北襄阳;合肥工业大学摩擦学研究所,230009,合肥;湖北文理学院机械与汽车工程学院,441053,湖北襄阳【正文语种】中文【中图分类】TH117【相关文献】1.撞击流除尘器中单一颗粒动力学特性理论研究 [J], 张和平;刘洁;裴威2.空间可展机构非光滑力学模型和动力学研究 [J], 曹登庆;初世明;李郑发;刘荣强3.颗粒流的动力学模型和实验研究进展 [J], 吴清松;胡茂彬4.被动应力状态下非流态化颗粒流通过孔口的流率 [J], 李洪钟;柳华5.厌氧悬浮颗粒污泥床反应器流态和运行状态相关关系研究 [J], 王凯军;方浩因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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
ｔ ｈ ｅ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｓ ，ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ ｉ ｇ ｎ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｄ ｉ ｖ ｉ ｄ ｕ ａ ｌ ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｕ ｎ ｉ ｔ ，ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｓ ｄ ｉ ｆ ｉ ｆ ｃ ｕ ｈ ｔ ｏ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｘ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ
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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，。
粒计算研究现状及展望
粒计算研究现状及展望作者：谢刚刘静来源：《软件》2011年第03期摘要：在信息处理中，粒计算是一种新的概念和计算范式,其本质是透过合适粒度的层次来对问题进行求解,并且在此过程中去除繁冗，降低实现的复杂度。
本文主要对粒计算提出的背景、概念、研究现状及发展趋势进行论述，同时也给出了作者自己的评论，最后探讨了粒计算的进一步发展方向。
关键词：粒计算; 粗糙集; 模糊集; 商空间中图分类号：TP18, TP206文献标识码Adoi: 10.3969/j.issn.1003-6970.2011.03.002A Review of the Present Studying State and Prospect of Granular ComputingXIE Gang, LIU Jing(College of Information Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)【Abstract 】 Granular computing (GrC) is an emerging conceptual and computing paradigm of information processing, which it sought essentially problems of a better and approximate solution to reduce the complexity of problem solving by the right choice of granularity. In this paper, the proposed background, the present studying state and its developing direction of granular computing are summarized.【Key words】granular computing; rough set;fuzzy set; quotient space0引言“概念必须有明确的边界。
颗粒流动机理的研究与应用
颗粒流动机理的研究与应用颗粒流动是指由许多个体颗粒组成的一组物质在输送、堆积、流动等过程中所呈现的动态行为。
由于颗粒体积小，沉积密度大，内部结构复杂，间接分子作用力显著，因此颗粒流动的运动学和动力学行为非常不同于连续介质流动。
近年来，随着科技的发展和工业生产的需求不断增长，越来越多的科研工作者和企业开始关注颗粒流动问题，颗粒流动机理的研究和应用也成为了一个非常重要的领域。
一、颗粒流动的研究颗粒流动机理的研究是一项综合性的工作，需要涉及材料物理学、流体力学、数值计算、先进材料和新型传感器等多个学科。
目前，研究领域主要集中在如下几个方面。
1. 颗粒结构与运动特性对颗粒的物理结构进行研究，分析悬浮颗粒、排列颗粒、购买颗粒等各种形态颗粒的运动特性和运动规律。
同时，分析颗粒的物理结构是否影响颗粒流动的形态和速度，找出影响颗粒流动的因素。
2. 颗粒流动的数值模拟通过建立颗粒流动的数值模型，研究颗粒在管道、斜坡、拐角、孔道等不同形状的导管中流动的规律，探究颗粒流动的阻力、摩擦因素、流速、流量等运动学和动力学行为。
3. 基础材料的制备制备功能性的材料以及新型的一些辅助材料，用于颗粒流动的模拟实验和大规模生产中。
4. 新型传感器的研制研究一些新型传感器的研发工作，用于颗粒流动过程的实时检测和实时监测。
通过传感器的测量，获取颗粒物料的流动情况和管道内阻力的情况，为颗粒流动的优化提供数据支持和理论依据。
二、颗粒流动的应用借助于颗粒流动机理的研究成果，颗粒流动的应用也在不断拓展。
以下是一些典型的颗粒流动的应用场景和案例。
1.煤矿产业在煤矿开采产业中，借助颗粒流动机理，可以广泛应用到煤炭的输送、堆放、分散、合并等方面。
进行煤炭生产分选的时候，可以通过泊松比的测量来判定煤炭的密度，并且可以通过颗粒流动的模型来分析煤炭运动的状态和运动轨迹，从而优化煤炭生产流程。
在煤炭储存、运输和装卸过程中，可以通过颗粒流动的研究来实现更好的煤炭物料运输效率和运输安全。
流化床内颗粒与流体间传热研究进展
流化床内颗粒与流体间传热研究进展王伟文;谢建照;董纪鹏;张自生【摘要】The heat transfer between fluid and particles is mainly in the import section of the fluidized bed,and the coefficient of heat transfer between fluid and particles is closely related to the flow state around the granule.Through a large number of experiments,researchers expressed the coefficient of heat transfer between the fluid and particle by dimensionless quantity of hydromechanics,fluid physical parameters and heat transfer.Four methods about research of the coefficient of heat transfer between particles-fluid,heat transfer mechanism of gas-solid two-phase flow and heat transfer coefficient correlations which has been widely applied were summarized,the research direction and difficulty were put forward at the end.%流化床中流体与颗粒间的传热主要发生在流化床的进口部分,流体与颗粒间传热系数的大小与流体在颗粒周围空隙间的流动状态密切相关.研究者们经过大量实验,采用流体流动准数、流体物性参数和传热准数拟合回归出表达颗粒与流体间的传热系数的关联式.总结了四种研究颗粒与流体间传热系数的方法、气固两相流的传热机理和应用较为广泛的传热系数关联式,并进一步提出了研究目标和难点.【期刊名称】《化工科技》【年(卷),期】2017(025)004【总页数】5页(P65-69)【关键词】流化床;两相流;传热系数;关联式【作者】王伟文;谢建照;董纪鹏;张自生【作者单位】青岛科技大学化工学院,山东青岛266042;青岛科技大学化工学院,山东青岛266042;青岛科大隆腾科技发展有限公司,山东青岛266042;青岛科技大学化工学院,山东青岛266042【正文语种】中文【中图分类】TQ051.1+3从第一台流态化工业装置Winkler煤气化炉出现至今，对流态化技术的研究已有近百年历史。
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 ~
颗粒流的离散元法模拟及其进展
１ 摩擦塑性模型与颗粒动理论模型
１．１ 摩擦塑性模型 根据流动的特点，颗粒流常可划分为准静态
流、慢流和快流，分别对应颗粒流动的初始阶段、中 间发展阶段和完全发展阶段。准静态流动状态时，
３８
２００６年第 ５ 期
综述
颗粒间载荷超过粒子间的摩擦结合力，材料开始产 生破裂，但粒子仍保持接触并相互摩擦。对于这种 情形，可以采用基于 Ｍｏｈｒ－ Ｃｏｕｌｕｍｂ 准则的摩擦塑 性模型解决。摩擦塑性模型假设当材料的应力状态 满足某一屈服条件时会开始流动。人们已对颗粒材 料建立起多种屈服条件，并提出了不同的摩擦塑性 模型，其中有：双剪切模型、塑性势模型和双滑移自 由转动模型。双剪切模型假设：颗粒流中变形出现 在临界剪应力满足 Ｍｏｈｒ－ Ｃｏｕｌｕｍｂ 条件的两族平 面上。Ｄｅ Ｊｏｓｓｅｌｉｎ ｄｅ Ｊｏｎｇ 的双滑移自由转动模型的 控制方程具有与二维双剪切模型的控制方程几乎 相同的形式。Ｈａｒｒｉｓ［１］从一个共同的规则得到了这两 种理论以及塑性势理论，并提出了一个可以涵盖这 ３ 种理论的统一的塑性流模型。 １．２ 颗粒动理论模型
颗粒流态化前瞻
应用：
目前已在煤的气化及油的蒸气裂解等方面应用 已有的试验研究表明，在喷动—流态化床中单位体 积的原油处理量比一般流化床原油裂解反应器高20一 40倍。因而这是一种很有前途的气—固或液—固接触方 法
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多层流态化床
定义： 在传统的单层气-固流态化系统的基础 上，在床内不同高度设置多块气体布风 板，将床层分成多段区域，这就构成了 多层流态化床
旋转流化床
即在离心力作用下进行流态化操 作的一种设备；
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填料流化床
在床内加入有一定形状的填料以构成有 一定间隙的固定床，使物料颗粒在固定床 间隙及填料上部达到流态化的装置
填料构成具有一定空隙的固定床。被流化 的颗粒的尺寸与填料相比，则小得多．
优点：
① 通常填料是乱堆的，颗粒和气流以曲折的路径通过填料空隙，所以能有效地抑制 气泡长大，从而阻止发生腾涌。
② 改善停留时间分布。 ③ 改善传热。对于—些重度和粒径都比较大的固体，如某些催化 剂，不宜进行流
态化操作，但反应热又很大、采用固定床操作也不适宜，此时可由大颗粒构成固 定床，而在颗粒空隙间加入某种惰性细粒子构成填料流化床。细粒子作为载热体 能迅速将反应热移至床外，使传热性能大为提高。
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5
特点： u用于快速流态化操作的固体颗粒一般粒度较细；平均粒径 在100um以下，A类颗粒
u操作气速较高，可达到颗粒自由沉降速度Ut的5—15倍；
u操作气速很高，固体的夹带量很大，然而由于颗粒返回床 层的再循环量也很大、因而床层仍可保持较高的床密度；
u快速流态化床中不存在鼓泡床中的定形气泡，因为沿整个 横截面床密度分布均匀，气相返混小或不返混，并且气—团 接触良好，因此可严格控制反应时间，是快速加工过程中较 理想的操作状态。
颗粒形状的研究综述与展望
颗粒形状的研究综述与展望张红宇; 任亚群; 葛海明【期刊名称】《《黑龙江科学》》【年(卷),期】2019(010)022【总页数】4页(P16-19)【关键词】颗粒形状; 量化和评定; 数值模拟; 研究展望【作者】张红宇; 任亚群; 葛海明【作者单位】中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司南京211100【正文语种】中文【中图分类】TU4411 引言无论是在建筑材料研究，还是在机械工程材料、无黏性土体渗流、泥沙动力学等领域，往往会忽视介质颗粒形状的影响。
作为一项重要参数，其宏观性质的影响越来越受到关注，研究也越来越受到重视，且在土木工程材料、金属材料、土体的性质等方面已有很多研究成果。
2 颗粒形状的量测和评定2.1 颗粒形状的几何参数描述实际非黏性土颗粒，一般情况下各个方向的尺寸都不相同，颗粒形态可用长宽比α[1]表示，见式(1)。
(1)式中：L为颗粒投影最大弦长，W为与颗粒投影面积相等、与最大弦长对应的短边长。
徐飞[2]在粗骨料颗粒形状评定方法及严琳等[3]在粗骨料颗粒形状指数等研究中，提出了粗骨料颗粒球度和形状指数的概念。
粗骨料颗粒球度定义为：假定粗骨料颗粒自然体积为Vg，紧密包裹粗骨料颗粒的球的体积为VB，两者之比为粗骨颗粒球度α，即值越大，颗粒形状越接近球体，反之则颗粒形状越接近针片状。
其形状指数定义为：测得粗骨料颗粒球度，将球度坐标分成10～20区间，作出粗骨料颗粒的球度分布率图，设为球度区间(αi，αi+1)的平均球度为粗骨料颗粒在(αi，αi+1)内的分布率，则粗骨料颗粒形状指数为那么，其球度值越大同时分布比较集中，则I值就越大，其形状越好。
王锦生等[4]在分析非球形颗粒沉降特性研究进展的基础上，提出了任意形状颗粒的外接长方体在3个方向上的充满系数与现有的若干参数构成了形状参数组。
最值得一提的形状参数是一个包裹不规则颗粒的外接长方体的三条边之间的比例关系，即所谓的无因次方度系数Fn和扁平系数Fm。
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。
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。
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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。