微尺度颗粒撞击平板表面的动力学特性研究

微尺度颗粒撞击平板表面的动力学特性研究微颗粒物的沉积现象广泛存在于日常生活和工业生产中。颗粒与壁面间的碰撞过程作为沉积现象的动力学本质和基础受到了越来越多的关注。国内外对颗粒与壁面的碰撞过程的研究虽然较为丰富,但是当颗粒处于微米尺度时,颗粒间的非弹性碰撞动力学的研究国际上较不成熟,尤其对煤灰颗粒撞击不锈钢表面后的动力学特性的预测更是少见报道。本文采用实验和建模相结合的方法,对微米颗粒撞击平板表面的动力学特性进行了系统、深入的研究。

首先,对气流和平台温度在20℃～160℃范围内变化时二氧化硅颗粒与不锈钢表面的法向撞击过程进行了实验研究。实验采用高速摄像技术获得了不同温度条件下颗粒在撞击过程中的法向恢复系数随入射速度的变化规律,重点考察了温度、粒径及入射速度对颗粒碰撞后反弹特性的影响,分析了热泳力及流体曳力在碰撞过程中颗粒受力分析时可忽略的合理性,基于此对不同实验条件下的临界捕集速度进行了预测。其次,针对无粘附时颗粒与平板碰撞的法向动态碰撞过程,基于Hertz准静态接触模型,将塑性变形引起的能量损失作为唯一耗能机制,结合牛顿运动方程分阶段的建立了物理基础和数学推导更为严谨的颗粒与平板碰撞的动力学模型。基于此模型对颗粒的碰撞行为进行了预测,包括材料特性对能量损失因子的影响、颗粒的动力学参数的变化规律及颗粒的法向恢复系数等。

通过将模型计算的法向恢复系数及接触时间与前人实验数据的对比验证了该模型的合理性。再次,基于扩展的JKR静态接触模型,在入射阶段和反弹阶段均考虑了粘附作用的影响,结合牛顿运动方程分阶段的建立了考虑粘附作用时颗粒与平板法向碰撞过程的动力学模型。基于此模型对颗粒在碰撞过程中的受力、变形和运动规律进行了预测,并进而推导出法向恢复系数和临界捕集速度的预测关系式。通过与前人实验数据的对比验证了该模型的可行性和合理性。

最后,对室温环境下煤灰颗粒与不锈钢表面的斜向碰撞过程进行了实验研究,重点考察了入射速度、入射角度对碰撞后颗粒的反弹特性的影响,同时根据发展的经典硬球接触理论,发现该实验工况下完全滑动碰撞过程和非完全滑动碰撞过程的临界入射角为60°,从而获得了煤灰颗粒与不锈钢表面的动摩擦系数,其大小为0.6,并最终基于该参数建立了颗粒的切向恢复系数、接触点的切向反弹速度及反弹角的预测关系式,为气固两相流中颗粒与壁面碰撞特性的量化研究提供

了可靠依据。