文 献 综 述

1.课题内容
颗粒流动在自然界中广泛存在,比如传送带输送石块、料仓和料斗内谷物颗粒流动等。为了容易加工和存放石块或谷物,人们试图了解重力作用下颗粒的流动特性,此时颗粒浓度高(vgt;0.57),颗粒间接触作用对流动影响较大。颗粒流的理论研究可以追溯到1773年,Coulomb把颗粒物质的屈服过程视为摩擦过程，并提出了关于固体间摩擦力的Coulomb定律:固体间摩擦力正比于法向压力，而且固体间静摩擦系数大于滑动摩擦系数。当时他在研究土壤破坏的判据,对土壤发生断裂和坍塌后的运动形态不感兴趣,而这恰恰是颗粒流研究所关心的。
颗粒物质中单个颗粒的运动服从牛顿定律,而整体在外力或内部应力状况变化时发生流动,表现出流体的性质,从而构成颗粒流,比如雪崩、滑坡、泥石流和江河底部的粗颗粒推移质运动,以及工程上粗颗粒固体物料的管道输送和化学工程中的流化床等。
重力作用下的密集颗粒流中,发生接触的颗粒间连接成较为稳定的力链,它们在整个颗粒流中构成网络支撑整个颗粒物质重量和外荷载。如果颗粒浓度较低或颗粒表面光滑,颗粒间发生较为频繁的碰撞,相互间传递动量，此时不能形成稳定的力链,因此颗粒流内部力或动量的传递方式发生了本质改变。
Campbell(2006)依据颗粒流是否存在较为稳定的力链，把颗粒流分为弹性流和惯性流两大类。其中弹性流准静态流和惯性碰撞流分别对应准静态流和快速流，并作为两种极端流动情况通常处理成连续体。准静态颗粒流有较高的固体浓度,可基于库仑摩擦准则的摩擦塑性模型对准静态流动予以较为精确的描述。常见的模型有双剪切模型、塑性势模型和双滑移自由转动模型等。快速流中颗粒的碰撞传递特性与分子碰撞相似,只是颗粒碰撞过程中有能量损失,更复杂些。描述分子运动特性的气体分子动理论比较成熟，可用于建立颗粒流动理论的基础。颗粒流动理论是一种微观理论,即着眼于一个个颗粒,从考察颗粒碰撞和弥散运动人手通过平均得出颗粒流的宏观平均运动特性量，如应力、浓度分布、能量分布和平均速度等,因此动理论是联系介观和宏观的桥梁。对于快速流，英国科学家Bagnold (1896-1990)作出了重要贡献,他把石蜡和硬脂酸铅混合制成0.132cm的颗粒,其密度几乎与水的密度相等,颗粒悬浮于水中，然后放置在转简中进行了一系列剪切实验。悬浮颗粒间发生频繁的碰撞,颗粒间动量的传递靠相互碰撞来实现,此时应力为。其中，与剪切速率的平方成正比,第一个控制着颗粒间动量交换的大小,第二个反映了碰撞频率。该应力又称为Bagnold应力,反映了颗粒间碰撞而引起的动量输运。王光谦基于快速颗粒流的Boltzmann 方程导出了Bagnold 应力和脉动应力，并分析了两者之比随颗粒浓度的变化关系,明确提出了颗粒Bagnold应力占优势或可以忽略的临界浓度大小。
密集颗粒流的描述则非常困难,颗粒既像流体一样流动,颗粒间又保持相对持续的接触,显然较成熟的塑性理论和动理学此时都不能很好地适用。Forterre 和Pouliquen等提出的密集颗粒流动模型,这一模型还可应用于复杂边界条件下的流动。Midi(2004)曾采用Forterre 和Pouliquen 等提出的密集颗粒流动模型,综合了法国高校和科研院所从事颗粒流研究的主要课题组的结果,尝试提出一些简单参数,比如发生流动的阈值、有效摩擦系数、涉及的时间和空间尺度等,试图发现不同流动过程中的共同物理机制，做出了有益的探索。但是，Rajchenbach(2004)对Forterre 和Pouliquen 等提出的模型提出了疑义。
颗粒流动属于非经典介质的流动,尽管对于颗粒单体有较成熟的弹性力学和塑性力学理论,整体上表现出来的流体运动行为却不能被现有的流体力学理论予以适当的描述，很多现象未得到有效的解释,甚至还不清楚哪些参数能较好地描述颗粒流动。颗粒流的研究已经引起了国际学术界广泛重视,2005年7月的Science 把它与湍流并列为自然科学至今尚未解决的100个问题之一。
颗粒流复杂特性的本质原因就是颗粒接触力链网络的复杂演变,以力链为核心开展颗粒流的多尺度研究是解决颗粒物质若干基础力学问题的必要途径。泥石流则是颗粒流研究的具体应用。加强颗粒流的研究具有重要的学术价值。Campbell对颗粒流进行重新分类和Forterre和Pouliquen等提出的密集颗粒流模型,其核心概念接触应力和惯性系数都基于力链,进而把颗粒流的研究推进了一大步。
2.课题小结
颗粒物质的流变特性反映了大量聚集的离散固体颗粒在外力作用下的运动规律，对物料输运、搅拌混合等实际工艺过程的设计和运行具有重要意义。现有颗粒流变仪主要基于Couette流动和桨叶搅拌流动的原理进行设计，但测量结果的准确性仍有待提高。其中，Couette装置一般由一对同轴圆筒组成，外侧圆筒保持固定，内侧圆筒旋转并带动颗粒运动，进而采用所需力矩对颗粒的流动或流变特性进行表征。
为了描述颗粒在Couette装置中的运动特性，本设计利用离散单元法（Discrete element method, DEM）对每个颗粒进行追踪，以获得实验方法无法获得的颗粒微观流动过程。通过对颗粒流变特性进行数值模拟，获得Couette装置设计参数以及旋转速度对颗粒应力等流变特性的影响，为颗粒流变仪的设计和发展提供技术支撑，并加深对颗粒物质流动行为的理解。

参考文献
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