非均勻顆粒系統(tǒng)的物理特性研究.pdf

1、顆粒材料是由大量宏觀顆粒組成的系統(tǒng),例如砂子,粉塵,咖啡等.顆粒系統(tǒng)中的問題可以粗略地分為準(zhǔn)靜態(tài)問題(沙堆,靜力的分布,壓縮,斷裂的傳播等)和運(yùn)動問題(所有流動,對流,分層,堆積模式,流化床等)<'[1]>.本文針對后一類問題,對由大量不同尺寸顆粒組成的非均勻混合顆粒系統(tǒng)進(jìn)行了研究,研究涉及近平衡和遠(yuǎn)平衡兩種動力學(xué)條件.這里應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出的是,為了解決有關(guān)非均勻顆粒系統(tǒng)的物理問題,本文基于有關(guān)實(shí)驗(yàn)事實(shí),借助于稠密氣體的動力學(xué)理論和分形理論

2、,首次提出了非均勻顆粒系統(tǒng)的具有分形特征的速度分布函數(shù).對于處于近平衡條件下的顆粒系統(tǒng),近年來,人們從稠密氣體動力學(xué)<'[2]>的概念出發(fā),提出了適于描述顆粒流中物理特性關(guān)系的顆粒流體動力學(xué)<'[3-6]>.這一理論將顆?？醋鞔笮∠嗟?、表面光滑的球,且不計(jì)顆粒的大小和表面形狀對顆粒流性質(zhì)的影響.但是,實(shí)驗(yàn)表明,由于顆粒被研細(xì)過程是隨機(jī)無序的,形成的顆粒大小不相等,表面不光滑,其某些物理量具有分形特性<'[7-8]>.本文在本課題組已建立

3、的顆粒系統(tǒng)分形模型的基礎(chǔ)上<'[9-10]>,在近平衡條件下,提出了非均勻顆粒系統(tǒng)具有分形特征的速度分布函數(shù).并以此研究了混合顆粒系統(tǒng)中的熱傳導(dǎo),研究發(fā)現(xiàn)此混合系統(tǒng)的有效熱導(dǎo)率將隨著固體體積百分比v,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)η和分形維數(shù)D的變化而變化.計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展使得人們對顆粒系統(tǒng)的研究跨入了遠(yuǎn)平衡狀態(tài)的范疇,它更加真實(shí)地反映了顆粒系統(tǒng)的動力學(xué)演化<'[11-14]>.已有的模擬結(jié)果與顆粒流體動力學(xué)的預(yù)言在很多方面出現(xiàn)了不同:顆粒系統(tǒng)的速度

4、分布偏離了高斯分布,空間密度分布也出現(xiàn)了各向異性.在此基礎(chǔ)上,本文利用Monte Carlo方法和分形理論對非均勻混合顆粒系統(tǒng)進(jìn)行了動力學(xué)模擬.模擬結(jié)果表明,顆粒系統(tǒng)中代表粒度大小分布的分形維數(shù)D可以作為系統(tǒng)非均勻性的量度,它對系統(tǒng)的動力學(xué)行為影響極大.隨著D的增大,系統(tǒng)的速度分布遠(yuǎn)離高斯分布越明顯,粒子的成團(tuán)化更加加強(qiáng).本文的工作將對顆粒系統(tǒng)的研究從簡單均勻的顆粒系統(tǒng)推廣到了具有實(shí)際意義的非均勻混合顆粒系統(tǒng).更重要的是,混合顆粒系統(tǒng)的