存在填隙流体时颗粒间的相互作用及其在DEM中的应用

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本文主要研究了存在填隙流体时颗粒间的相互作用。颗粒在存在填隙流体时,主要有摆动状态和浸渍状态两种状态。文中主要针对浸渍状态下颗粒间的切向作用进行了深入细致的研究。填隙液体的存在使得颗粒容易结块,这广泛应用于食品、化工、医药卫生、农业等方面,越来越引起人们的重视。结块有它有利的一面,如造粒,但是又有不利的一面,比如土壤结块等,因此很有必要研究这方面的发展。 文中首先根据Reynolds润滑理论,导出了存在填隙幂率流体时,两刚性圆球有相对切向运动时流体压力的近似方程。求在解压力分布时,运用试算法成功地避免了在积分区域奇异的问题,求得了流体的压力分布的数值解,进而求得了圆球所受阻力与阻力矩的近似积分表达式,还与根据Goldman等人导出的牛顿流体下的渐近解做了比较,分析表明数值解优于渐近解。为了计算方便,这里还拟合出了圆球所受阻力和阻力矩的近似公式,与数值解相比,由近似公式算出的值非常精确,两条曲线几乎完全重合,两者偏差能够保证在2%以内。尽管本文为简化推导采用了一个并不合理的假定,但是,至少可以证明当幂率指数为1情况下,其渐近解的结果可以退化为Goldman等人在牛顿流体下的渐近解。 除此之外,文中还对刚性圆球在存在有填隙幂率流体时,分别水平与垂直移动时所受的法向力和切向力作了比较,发现它们二者之间存在着一定的关系,这里不但给出了法向力与切向力之比的积分表达式,同时也拟合出了近似公式,与数值解相比,偏差也能够保证在2%以内。由于颗粒间法向作用时的结果比较精确,因此可以根据求得的法向力来求解切向力。另外,当两球其中之一的半径趋于无穷大时,可以当作半无限体问题来处理,问题可以退化到球相对于平面壁运动的特殊情况。 另外,随着科学技术的发展,计算机模拟技术越来越成熟,目前的离散元TRUBAL能够模拟颗粒间的相互作用。离散元法经过不断的发展完善,己成为研究离散体间相互作用和运动的一种有效的数值模拟方法。它按照离散体本身离散的特性建立数学模型,分析离散体的运动情况以及变形,从而摆脱了传统的用连续介质模型分析本来并不连续的散体的限制。本文主要研究了不同的碰撞速度、填隙液体的粘度、表面张力系数、碰撞角对团块间相互作用的影响,并进一步分析了碰撞过程中能量的消耗以及液桥的破坏情况。
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