颗粒流动力学及其离散模型评述

摘要

颗粒流是由众多颗粒组成的具有内在相互作用的非经典介质流动.自然界常见颗粒流都是密集流,颗粒间接触形成力链,诸多力链相互交接构成支撑整个颗粒流重量和外载荷的网络,其局部构型及强度在外载荷下演化,是颗粒流摩擦特性和接触应力的来源.本文介绍球形颗粒间无粘连作用时的Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论.Campbell依据是否生成较为稳定的力链把颗粒流分为弹性流和惯性流两大类,其中弹性一准静态流和惯性-碰撞流分别对应准静态流和快速流,作为两种极端流动情况通常处理成连续体,分别采用摩擦塑性模型和动理论予以描述,但是表征接触力链的颗粒弹性参数并不出现这两个模型和理论框架中,如何进一步考虑颗粒弹性参数将非常困难.目前离散动力学方法逐渐成为复现其复杂颗粒流动现象、提取实验不可能获得的内部流动信息进而综合起来探索颗粒流问题的一种有效工具,其真实性强于连续介质理论的描述.软球模型对颗粒间接触力简化处理,忽略了切向接触力对法向接触力及其加载历史的依赖,带来了法向和切向刚度系数如何标度等更艰难的物理问题,但由于计算强度小而广泛应用于工程问题中.硬球模型不考虑颗粒接触变形,因而不能描述颗粒流内在接触应变等物理机理,仅适用于快速颗粒流,这不仅仅是由于两体碰撞的限制.因此基于颗粒接触力学的离散颗粒动力学模型是崭新的模型,适用于准静态流到快速流整个颗粒流态的模拟,可以细致考虑接触形变及接触力的细节,建立更为合理的颗粒流本构关系,进而有力的促进颗粒流这一非经典介质流动的研究.