纳米颗粒团聚体的分形凝聚和分散行为数值模拟研究

发布时间：2020-04-15 16:59

【摘要】：在纳米复合材料研究领域,通常向聚合物基体或金属基体中添加纳米级颗粒物质,以提高复合材料的各项物理和机械性能。这些微观颗粒在基体中的分散均匀性很大程度决定了复合材料的最终制品性能。纳米颗粒比表面积和表面极性大,易团聚,且与大部分基体相容性差,在与基体共混时很难分散均匀。因此,提高填充颗粒在基体中的分散效果对纳米材料加工领域具有重要研究意义。目前,实验手段难以精确测得纳米颗粒在加工过程中的位移、速度和接触力等动态信息,并且难以评估团聚体结构对颗粒分散效果的影响,许多学者开始利用离散元法对团聚体的分散过程展开研究。本文通过采用颗粒分形凝聚模型能够生成与真实颗粒团聚体结构十分相似的分形结构团聚体,实现了纳米颗粒团聚体在流场中分散行为的数值模拟。但前期研究中存在凝聚模型求解效率较低,分散采用的流体拖曳力模型无法反映流场中颗粒间的遮蔽关系,单一的后处理结果难以揭示团聚体的分散机理等不足。本文结合计算效率更高的分形凝聚算法,并提出一种基于离散单元法的流体拖曳力改进算法,开发了颗粒群凝聚与分散模拟软件DEMix 3D。通过动态释放半径法、局部区域检索法和重叠颗粒优化处理法改进了DLA分形凝聚模型的算法效率,然后利用DEMix 3D软件模拟了DLA和DLCA分形结构团聚体凝聚过程,研究了分形结构团聚体在剪切和单轴拉伸流场中的分散行为及其力链结构演变规律。结果表明,DLA团聚体形态比DLCA团聚体更为密集,分支结构小;动态释放半径法、局部区域检索法和优化重叠颗粒处理算法能够提高DLA分形凝聚模型的算法效率;团聚体分散过程中存在团状结构和链状结构,破碎容易发生在链状结构上,链状力链的分布密度决定了分散效率和分散效果;分形凝聚团聚体最终的碎片加权颗粒数与流场强度间具有幂函数关系。
【图文】：

颗粒团聚,分散行为,烟尘,空气动力

采用的团聚体对象为多层非均匀颗粒堆积形成的密集团聚体，根据模拟结果提出了图1-2 所示的三种烟尘排放方式——烟尘颗粒团聚体在空气拖曳力下的分散、团聚体间相互碰撞、团聚体与平板间碰撞。Iimura 等[23]通过离散元法模拟了粒径为 500nm 的密集颗粒团聚体在剪切流场中从平板上分散悬浮的行为，，如图 1-3 所示。模拟采用的力学模型为非接触颗粒间的范德华力、接触颗粒间的接触力和流场中流体拖曳力，研究发现颗粒团聚体在低流场强度下仅发生变形，高流场强度中发生分散并悬浮。

剪切流场,再分散,团聚体,近球形

4图 1-3 近球形团聚体在剪切流场中的再分散[23]Fig. 1-3 Redispersion of near-spherical aggregates in shear flow fier[24]和 Manounou[25]等人采用离散元法模拟了扩散限制团同强度的简单剪切流场中的重组和破碎过程，研究了颗间的关系。麻向军等[26]对扩散限制凝聚单体（DLA）模的变形和分散过程进行数值模拟，发现团聚体中强弱力机制。的结构十分复杂，颗粒间的接触关系会一定程度上遮蔽流场中每个颗粒所受到流体拖曳力有所不同，对每个颗与实际不符[27]。陶成文[28]在原有的拖曳力模型基础上引数来判断周围其他颗粒对流体拖曳力屏蔽作用。然而，
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】