颗粒形状对颗粒物质流变特性的影响机制研究

Particle material with non-spherical particles is a discrete system formed by the collection of plentiful particles with non-spherical shape. Its rheology behaviour is strongly related to the design and optimization of the powder transportation and mixing. Due to the non-isotropic geometry as well as the complex particle orientation and force, the rheology behaviour of particle materials with non-spherical particles is much different to that of spherical particles, and is lack of well acknowledging. Based on an impeller rotating rheometer, this project will investigate the fundamental effects of particle shape on the rheology behaviour of particle material, with the aid of a combined method of experiment and the numerical simulation of discrete element method. This study will focus on: 1) Analyse the distribution evolution of interacted particles, as well as the link between the rheology behaviour with the strain rate; 2) Illustrate the effects of particle shape on the turning points of flow regimes and the constitutive law, and develop the mathematical model between the flow energy and stresses; 3) Explore the rheology behaviour of the mixture of spherical and non-spherical particles, and develop a mathematical model to predict its rheology behaviour. This project will promote the development of constitutive law of particle material as well as the improvement of flowability of particle material with non-spherical particles.

非球形颗粒物质是由大量非球形固体颗粒汇聚形成的离散体系，其流变行为与物料的密相输运和搅拌混合等工艺的设计和优化密切相关。由于非球形颗粒几何上呈现非各向同性，颗粒取向和受力复杂多变，使得非球形颗粒物质的流变行为与球形颗粒物质有较大不同，至今尚未形成较为完整的理论体系。本项目拟基于旋转式颗粒流变仪，采用实验和离散元数值模拟相结合的方法，揭示颗粒形状对颗粒物质流变行为的影响机制：1）研究非球形颗粒物质在颗粒流变仪中的微观动力学特性，获得流变行为特征参数随应变率的演变规律；2）阐明非球形颗粒物质从准静态流到过渡流的转变规律，建立颗粒物质内部应力与流动能间的数理关系，揭示颗粒形状对力学本构关系的影响机制；3）分析球形颗粒摄入法对非球形颗粒物质流变特性的调控作用，建立球形-非球形混合颗粒物质流变行为特征参数的预测模型。该项目有助于发展和完善颗粒物质力学本构方程，为非球形颗粒物质流动减阻提供技术支撑。

颗粒物质的流变行为受到颗粒形状、颗粒黏附性和复杂壁面边界条件等共同作用的影响。本项目针对非球形颗粒物质，采用理论分析、实验测试和离散元数值模拟相结合的方法，揭示了复杂三维流动中颗粒物质流变行为的动力学机制：提出了能同时考虑颗粒取向和长径比的颗粒等效球形度参数，建立了颗粒床体压降预测模型的一般形式，并基于等效球形度获得了该模型中针对杆状颗粒的关键参数的计算公式；揭示了杆状颗粒物质在流变仪中的微观动力学特性，阐明了其流变特性的影响因素和作用机制；利用楔形理论和莫尔图理论，建立了桨叶扭矩与颗粒物质体摩擦系数间的数理模型；基于局部应力假设和理论分析，建立了桨叶扭矩与颗粒物质典型剪切应力间的数理模型；提出了适用于三维复杂流动的颗粒物质剪切速率的新计算方法，揭示了惯性数在床体中不同位置处的演变规律，并建立了剪切带中颗粒物质体摩擦系数的预测模型；利用快速流理论，建立了能考虑非局部效应的颗粒物质一般性本构关系，且该模型能同时适用于描述准静态区和过渡流区；提出了颗粒物质无量纲黏度的实验标定方法，并推广到黏附颗粒，发展了三维颗粒物质的拟流体模拟方法；建立了不同球形颗粒添加比下杆状颗粒物质流动能的预测模型，可同时适用于准静态区和过渡流区；分析了非球形黏性颗粒在狭小间隙中的流变特性，建立了复杂壁面边界条件下颗粒铺展动力学机制。本项目研究成果揭示了非球形颗粒物质和黏附颗粒物质以及混合颗粒物质的流变动力学行为的影响因素及其作用机制和数理模型，发展了颗粒物质力学本构方程，并阐明了非球形黏性颗粒在狭缝中的流动规律以及铺展动力学特性，对实现密相输运和搅拌混合以及多相条件下黏性金属粉末铺展系统的结构设计和工艺参数的优化具有显著的理论指导意义。