基于离散元法的RLCA型团聚体分散行为数值模拟研究
发布时间：2021-10-10 13:18
在聚合物基体中均匀混合纳米粉体是提高复合材料物理和机械性能的重要手段,但粉体中纳米颗粒极易在黏附力的作用下形成团聚体,严重阻碍了纳米尺度颗粒优异性能的发挥。因此,提高团聚体在加工流场中的分散均匀性和分散程度具有重要研究意义。现有的实验手段难以精准观测纳米颗粒在流场中的运动信息,因而难以研究团聚体在流场中的分散机理和评估团聚体的分散效果。目前对此课题的研究主要通过计算机的数值模拟实现。随着离散元法（DEM）的发展,已有一些学者利用离散元法对分形结构团聚体在流场中的分散行为进行了研究,但所研究的分形结构团聚体通常是运用扩散控制单体凝聚模型（DLA）或扩散控制团簇凝聚模型（DLCA）生成的。这两种分形凝聚模型假设颗粒发生接触后一定粘结,但当颗粒间存在斥力时颗粒发生接触后不一定粘结,因此这两种模型还存在一定的局限。为了提高黏附性颗粒团聚体在流场中分散行为的计算精度,计算颗粒间的作用力时必须将接触力和范德华力进行耦合,而且计算颗粒在流场中受到的流体拖曳力时,必须考虑流体的速度场对流体拖曳力影响。本文采用反应控制团簇凝聚（RLCA）模型生成颗粒团聚体。运用离散元法求解黏附性颗粒团聚体的分散动力学,...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
颗粒在二维管道中的运动过程[27]
华南理工大学硕士学位论文6维数值模拟，采用DLVO理论和JKR理论计算颗粒间的作用力，运用斯托克斯定律计算剪切流场对颗粒的作用力，图1-2为纳米颗粒在剪切流场中的粘结行为示意图。模拟中颗粒的表面能、杨氏模量、颗粒密度等物理参数按照乳液聚合生成的聚苯乙烯纳米颗粒选取，流体视为水。研究了剪切速率、颗粒的直径和表面能对最终团聚体结构和尺寸的影响，结果表明剪切速率越低、颗粒直径越孝颗粒表面能越大，最终形成的稳定团聚体尺寸越大。图1-2纳米颗粒在剪切流场中的粘结行为[29]Fig.1-2Coagulationofnano-particlesinshearflowfield刘道银等[31-32]通过使用黏附性CFD-DEM耦合模型模拟了黏附性纳米颗粒团聚形成的数十微米至数百微米大小的团聚体在流化床中的运动过程，研究了颗粒密度、流化气体速度和范德华力对分散和团聚行为的影响。结果表明，小团聚体在流化过程中形成了更大的团聚体，团聚体在流化床上移动时，它们不断破碎并重新结合。增加流化气体速度和降低颗粒黏附力均会增加团聚体破碎率，从而提高颗粒团聚体的分散度。Afkhami等[33]使用完全耦合的LES-DEM模型模拟了黏附性颗粒在湍流通道中的运动，如图1-3所示，该模型采用商业计算流体力学软件FLUENT进行大型涡流模拟(LES)并采用商业离散元软件EDEM中的黏附性离散元法(adhesiveDEM)模拟颗粒相，研究了颗粒表面能和流体湍流对通道中颗粒团聚和分散的影响。结果表明：颗粒沿湍流方向运动并相互接触形成团聚体，观察到颗粒表面能与团聚之间存在正相关关系，即表面能越大团聚体尺寸越大，发现在近壁区域中颗粒浓度更高。
第一章绪论7图1-3颗粒和流体的速度云图(单位m·s1)[33]Fig.1-3Contourplotofthevelocityforboththefluidandparticlephase(m·s1)以上研究者所研究的黏附性颗粒在计算开始时是以单体颗粒的形式释放到流场中，而在加入流场前黏附性颗粒由于黏附力的存在极易形成团聚体，因此模拟结果还不能够完全反映出实际工业生产过程中黏附性颗粒的运动特征。1.4颗粒分形凝聚研究进展分形是为了解决云、闪电和血管等欧几里得几何无法描述的复杂、无规则结构而开发出的一种新数学工具[34]。理想的分形结构在无限的尺度范围内表现出自相似性，例如著名的科赫雪花和谢尔宾斯基三角形。另外一些对象也被认为具有分形结构，它们仅在有限的尺度上表现出自相似性，例如树木、肺、河网和胶体颗粒团聚体[35]。分形凝聚是分形的重要研究课题之一，广泛存在于造纸、食品、药物、胶体和粉体等领域中。1.4.1常见的分形凝聚模型已有一些学者在运用计算机模拟研究分形凝聚问题时，为了接近实际的物理场景提出了众多颗粒分形凝聚模型。根据运动单元是单体颗粒还是单体颗粒和团簇(包含多个颗粒)，可以将分形凝聚模型分为单体凝聚模型和团簇凝聚模型两大类。主要的单体凝聚模型有Eden模型、弹射凝聚模型(BallisticAggregationmodel，BA模型)、扩散控制凝聚模型(DiffusionLimitedAggregationmodel，DLA模型)、电介质击穿模型(DielectricBreakdownmodel，DBM模型)、随机雨模型(RandomRainmodel，RR模型)、反应控制凝聚模型(ReactionLimitedAggregationmodel，RLA模型)。主要的团簇凝聚模型有弹射团簇凝聚模型(BallisticCluster-ClusterAggregationmodel，Sutherland模型)、扩散控制团
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于非并行布朗运动的土壤胶体分形凝聚模拟算法改进[J]. 熊海灵,杨志敏,李航. 农业工程学报. 2015(06)
[2]扩散模型和凝聚模型耦合作用下胶体凝聚动力学的Monte Carlo模拟研究[J]. 熊海灵,杨志敏,李航. 物理化学学报. 2014(03)
[3]不同电解质体系中土壤胶体凝聚动力学的动态光散射研究[J]. 朱华玲,李兵,熊海灵,李航,贾明云. 物理化学学报. 2009(06)
博士论文
[1]表面功能化聚合物胶体颗粒在静态条件下的稳定性及团聚行为研究[D]. 魏丹.华南理工大学 2012
硕士论文
[1]纳米颗粒团聚体的分形凝聚和分散行为数值模拟研究[D]. 张文博.华南理工大学 2018
[2]分形结构颗粒团聚体分散行为的三维离散元法数值模拟研究[D]. 吴哲浩.华南理工大学 2016
[3]基于离散元法的分散行为三维数值模拟[D]. 陶成文.华南理工大学 2014
本文编号：3428452
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
颗粒在二维管道中的运动过程[27]
华南理工大学硕士学位论文6维数值模拟，采用DLVO理论和JKR理论计算颗粒间的作用力，运用斯托克斯定律计算剪切流场对颗粒的作用力，图1-2为纳米颗粒在剪切流场中的粘结行为示意图。模拟中颗粒的表面能、杨氏模量、颗粒密度等物理参数按照乳液聚合生成的聚苯乙烯纳米颗粒选取，流体视为水。研究了剪切速率、颗粒的直径和表面能对最终团聚体结构和尺寸的影响，结果表明剪切速率越低、颗粒直径越孝颗粒表面能越大，最终形成的稳定团聚体尺寸越大。图1-2纳米颗粒在剪切流场中的粘结行为[29]Fig.1-2Coagulationofnano-particlesinshearflowfield刘道银等[31-32]通过使用黏附性CFD-DEM耦合模型模拟了黏附性纳米颗粒团聚形成的数十微米至数百微米大小的团聚体在流化床中的运动过程，研究了颗粒密度、流化气体速度和范德华力对分散和团聚行为的影响。结果表明，小团聚体在流化过程中形成了更大的团聚体，团聚体在流化床上移动时，它们不断破碎并重新结合。增加流化气体速度和降低颗粒黏附力均会增加团聚体破碎率，从而提高颗粒团聚体的分散度。Afkhami等[33]使用完全耦合的LES-DEM模型模拟了黏附性颗粒在湍流通道中的运动，如图1-3所示，该模型采用商业计算流体力学软件FLUENT进行大型涡流模拟(LES)并采用商业离散元软件EDEM中的黏附性离散元法(adhesiveDEM)模拟颗粒相，研究了颗粒表面能和流体湍流对通道中颗粒团聚和分散的影响。结果表明：颗粒沿湍流方向运动并相互接触形成团聚体，观察到颗粒表面能与团聚之间存在正相关关系，即表面能越大团聚体尺寸越大，发现在近壁区域中颗粒浓度更高。
第一章绪论7图1-3颗粒和流体的速度云图(单位m·s1)[33]Fig.1-3Contourplotofthevelocityforboththefluidandparticlephase(m·s1)以上研究者所研究的黏附性颗粒在计算开始时是以单体颗粒的形式释放到流场中，而在加入流场前黏附性颗粒由于黏附力的存在极易形成团聚体，因此模拟结果还不能够完全反映出实际工业生产过程中黏附性颗粒的运动特征。1.4颗粒分形凝聚研究进展分形是为了解决云、闪电和血管等欧几里得几何无法描述的复杂、无规则结构而开发出的一种新数学工具[34]。理想的分形结构在无限的尺度范围内表现出自相似性，例如著名的科赫雪花和谢尔宾斯基三角形。另外一些对象也被认为具有分形结构，它们仅在有限的尺度上表现出自相似性，例如树木、肺、河网和胶体颗粒团聚体[35]。分形凝聚是分形的重要研究课题之一，广泛存在于造纸、食品、药物、胶体和粉体等领域中。1.4.1常见的分形凝聚模型已有一些学者在运用计算机模拟研究分形凝聚问题时，为了接近实际的物理场景提出了众多颗粒分形凝聚模型。根据运动单元是单体颗粒还是单体颗粒和团簇(包含多个颗粒)，可以将分形凝聚模型分为单体凝聚模型和团簇凝聚模型两大类。主要的单体凝聚模型有Eden模型、弹射凝聚模型(BallisticAggregationmodel，BA模型)、扩散控制凝聚模型(DiffusionLimitedAggregationmodel，DLA模型)、电介质击穿模型(DielectricBreakdownmodel，DBM模型)、随机雨模型(RandomRainmodel，RR模型)、反应控制凝聚模型(ReactionLimitedAggregationmodel，RLA模型)。主要的团簇凝聚模型有弹射团簇凝聚模型(BallisticCluster-ClusterAggregationmodel，Sutherland模型)、扩散控制团
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于非并行布朗运动的土壤胶体分形凝聚模拟算法改进[J]. 熊海灵,杨志敏,李航. 农业工程学报. 2015(06)
[2]扩散模型和凝聚模型耦合作用下胶体凝聚动力学的Monte Carlo模拟研究[J]. 熊海灵,杨志敏,李航. 物理化学学报. 2014(03)
[3]不同电解质体系中土壤胶体凝聚动力学的动态光散射研究[J]. 朱华玲,李兵,熊海灵,李航,贾明云. 物理化学学报. 2009(06)
博士论文
[1]表面功能化聚合物胶体颗粒在静态条件下的稳定性及团聚行为研究[D]. 魏丹.华南理工大学 2012
硕士论文
[1]纳米颗粒团聚体的分形凝聚和分散行为数值模拟研究[D]. 张文博.华南理工大学 2018
[2]分形结构颗粒团聚体分散行为的三维离散元法数值模拟研究[D]. 吴哲浩.华南理工大学 2016
[3]基于离散元法的分散行为三维数值模拟[D]. 陶成文.华南理工大学 2014
本文编号：3428452
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