密集剪切颗粒流中速度波动和自扩散特性的离散元模拟-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 13 (2014) 134502 密集剪切颗粒流中速度波动和自扩散特性的 离散元模拟∗ 孟凡净 刘焜 (合肥工业大学摩擦学研究所, 合肥 230009) ( 2013 年12 月13 日收到; 2014 年2 月9 日收到修改稿) 分析了平行板间密集剪切颗粒流的平均速度、速度波动、区域划分和自扩散特性. 为了分析以上问题, 建 立了平均固体体积分数为0.80 剪切平行板间密集颗粒流的离散元物理模型. 研究结果表明: 间隙间颗粒的平 均速度从上到下逐渐增大, 波动速度恰好相反; 纵向的平均速度、波动速度较小, 这一点稀疏剪切颗粒流正相 反; 根据剪切率和平均速度大小把间隙间纵向区域依次划分为类固体、振荡和类流体区域, 并得出了波动速度 对剪切率的依赖关系; 间隙间颗粒的自扩散主要集中在横向, 而稀疏剪切颗粒流在纵向的自扩散同样较突出. 通过对流变和扩散特性的模拟分析, 直观地反映了颗粒的微观流变特性, 有益于密集剪切颗粒流的流变机理 的研究. 关键词: 密集颗粒流, 离散元, 流变, 自扩散 PACS: 45.70.Mg, 45.70.–n, 45.70.Vn DOI: 10.7498/aps.63.134502 1925 统的大量的研究工作 . 1 引 言 宏观颗粒流动是一个复杂的和没有被完全理 解的问题, 平行板剪切颗粒流作为一种典型的颗粒 颗粒物质为固体离散颗粒的集合, 颗粒流在工 26 流动形式近来受到广泛的关注 . 根据平均固体 业中已经有较为广泛的应用, 比如, 摩擦学、粉末冶 体积分数的大小, 平行板剪切颗粒流大体可以分成 1 金、食品和制药工业等 . 颗粒物质流动展现出许 两种类型, 平均固体体积分数小于0.64 的为稀疏剪 多有别于固体流动和液体流动的特性, 因此, 既不 切颗粒流(以下简称稀疏颗粒流), 主要的影响机理 能把颗粒流归结为固体也不能归结为液体. 应用 是颗粒之间的二元碰撞, 现今已经有很多关于稀疏 实验方法, 研究者研究了接触力测量和应力诱导的 各向异性2 3 45 颗粒流的研究2526 . 平均固体体积分数大于0.78 、能量耗散 、摩擦和分离 、应力波 6 7 8 9 的为密集剪切颗粒流(以下简称密集颗粒流), 主要 动的各向异性 、剪切带 、速度场 、剪切特性 27 和力传递1011 等. 为了解决复杂的物理现象, 研 的影响机理是颗粒之间的接触力 . 目前, 平行板 究者建立了诸多解决此类问题的理论1218 . 但是 间密集颗粒流方面的研究还鲜有报道