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靜態(tài)問題(沙堆,靜力的分布,壓縮,斷裂的傳播等)和運動問題(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)進行了研究,研究涉及近平衡和遠平衡兩種動力學條件.這里應該強調指出的是,為了解決有關非均勻顆粒系統(tǒng)的物理問題,本文基于有關實驗事實,借助于稠密氣體的動力學理論和分形理論

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<'[2]>的概念出發(fā),提出了適于描述顆粒流中物理特性關系的顆粒流體動力學<'[3-6]>.這一理論將顆?？醋鞔笮∠嗟取⒈砻婀饣那?且不計顆粒的大小和表面形狀對顆粒流性質的影響.但是,實驗表明,由于顆粒被研細過程是隨機無序的,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,研究發(fā)現(xiàn)此混合系統(tǒng)的有效熱導率將隨著固體體積百分比v,系統(tǒng)結構特征參數(shù)η和分形維數(shù)D的變化而變化.計算機科學的發(fā)展使得人們對顆粒系統(tǒng)的研究跨入了遠平衡狀態(tài)的范疇,它更加真實地反映了顆粒系統(tǒng)的動力學演化<'[11-14]>.已有的模擬結果與顆粒流體動力學的預言在很多方面出現(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)進行了動力學模擬.模擬結果表明,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)的動力學行為影響極大.隨著D的增大,系統(tǒng)的速度分布遠離高斯分布越明顯,粒子的成團化更加加強.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