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-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