颗粒物质的流动状态转变及混合与分离的机理研究

颗粒物质在自然界中广泛存在，经常表现出稀疏流-密集流转变、混合与分离等非线性行为，由于其具有宏观尺寸、离散态、耗散性等特性，传统的流体力学、统计力学等均无法用来描述。本项目选择了通道内的颗粒流和旋转筒内的二元颗粒体系进行计算机模拟研究。采用固定入口流量和颗粒数方法，通过对通道内颗粒流内部局域区域的密度、速度等分析，研究微观物理量与宏观流动状态之间的对应关系，揭示颗粒流中稀疏流-密集流转变的机理。通过对旋转筒内单个颗粒在颗粒海中运动行为的模拟，探讨颗粒与颗粒海之间的作用机制。在不同的堆积方式下，模拟不同粒度、密度和摩擦系数的二元颗粒体系混合与分离的演化过程，揭示二元颗粒体系混合与分离的机理。本项目的研究不仅可增加对颗粒物质动力学性质的理解，还对预防和控制泥石流、塌方以及优化管道输运、工业原料和建筑材料混合与分离技术等提供科学依据和指导思想。

本项目主要研究了通道内颗粒流稀疏流向密集流状态的转变和旋转筒内二元颗粒体系混合与分离的特性。（1）通过实验和计算机模拟研究，发现密集流时出口流量与颗粒入口速度无关，而颗粒速度的增大有利于最大稀疏流流量的提高。通过对颗粒流入口流量与临界出口尺寸相图的研究，发现颗粒速度的增大可以增加稀疏流存在的区域，密集流区域相应缩小。（2）计算机模拟研究发现，在高速旋转筒内，二元颗粒体系中粒度较小且密度较高的颗粒向筒壁处聚集，而粒度较大且密度较低的颗粒远离筒壁分布。通过对二元颗粒体系混合与分离在粒度比和密度比空间相图的研究，发现增加大小颗粒的粒度比和减小密度比有利于巴西果的形成，反之则有利于反巴西果的形成。在高速旋转筒内，颗粒的向心力对颗粒的动力学行为起主导作用，筒壁可以看作为颗粒体系的底部，凝聚和漂浮效应可以用来解释高速旋转筒内二元颗粒体系混合与分离的现象。