倾斜容器中多质点悬浮系统沉降行为的研究

It has vital theoretic and practical significance to study behaviors of buoyant particles from a suspension. Applications of corresponding studies cover multiple fields like hydraulic engineering, metallurgical industry, semiconductor process, biomedicine, material science, etc. Magnitudes of their application object can be from kilometers, e.g. distribution of suspended particles in the air, to nanometers, e.g. motion behaviors of colloidal particles in the solution. Scholars nowadays uses simplified phenomenology theory such as PNK model (proposed by Ponder, Nakamura & Kuroda) to explain the sedimentation of mono-disperse suspension, and in particular, to explain Boycott effect in settling channels with inclined walls; however, the PNK model was derived based on simple physical laws and assumptions without resorting to accurate solution of the equations of motion. Starting from mono-disperse suspension, this proposal focuses on the comprehensive analysis of the flow field factors affecting the particle sedimentation velocities, including particle-particle, particle-fluid, particle-wall force, particle density, volume concentration, inclined angle, inclined vessel aspect ratio, wall effect, etc. A distributed Lagrange multiplier/fictitious domain method(DLM/FD) will be used to analyze settling behaviors of mono-disperse, bi-disperse and multi-dispersive suspensions, and 3D settling behaviors of dispersive suspensions will be performed afterward. Results of the proposal are expected to expand the application scope of corresponding phenomenology theory, and to trigger the development of two-way coupling model. Theory about settling behaviors of dispersive suspensions will be used to solve issues in more complicated flow conditions.

分散悬浮粒子运动行为研究有重要的理论与现实意义。该研究的应用范围涵盖水利工程、冶金工业、半导体产业、生物医学、材料科学等领域，应用对象的量级可从数公里外的空气悬浮粒子分布状况至纳米级胶体粒子运动行为。目前，学界一直采用简化的现象学理论（如PNK模型等）来解释分布悬浮系统的沉降行为，特别是解释倾斜容器中的Boycott效应；但现行的假说与推导存在多方面的限制与简化。本项目拟从单分散系统出发，采用分布式拉格朗日乘数/虚拟区域法分析单分散悬浮系统沉降行为，综合研判影响粒子沉淀速度的流场原因，包括颗粒-颗粒、颗粒-流体、颗粒-壁面作用力、粒子密度、体积浓度、倾斜角度、倾斜管长宽比与管壁效应等。基于上述研究成果将研究内容拓展到双分散悬浮系统和三维分散悬浮系统的沉降行为。本项目预期成果可望扩大现象学理论的应用范围，启发双相耦合模式的发展，使多质点悬浮系统的沉降行为理论能应用于更为复杂的流况条件。

经过调整后，研究内容与结论包括：（1）微流体/电渗流的流动特性与表面粗糙度检测模型的构建；（2）圆柱与翼型绕流的物理机理探讨；（3）风机叶片结构振动理论研究；（4）非线性动力系统的曲率指数与主频分析；（5）机械系统设计研究与专利申报；（6）光子晶体与互连电容的新算法。.经过四年的研究，上述研究内容全部完成，对应的主要研究结果包括：（1）推导得到微流道斯托克斯流/电渗流的流动参数与粗糙度参数的修正表达式，基于此构建了一种流体力学角度的反推表面粗糙度的方法，有良好的工程应用价值，为独创/首倡；（2）采用力元理论探讨圆柱与翼型绕流的物理机理和附加质量，确定了各个流动结构（体涡度、表面涡度和摩擦力）对阻力的贡献，并设计实现了圆柱减阻29.5%；（3）针对垂直轴风力机（SB-VAWT）叶片，分别分析了侧向弯曲变形（1-DOF系统）的振动特性、侧向弯曲与轴向扭转的耦合作用（2-DOF B-T系统）、侧向弯曲与弦向弯曲的耦合作用（2-DOF B-B系统）和材料阻尼对振动特性的影响，研究成果有望应用于广西沿海的风电建设；（4）通过低频来调节高频，建立起波包非线性模态分析的理论依据，提出主频分析方法，应用于分析非线性动力系统的解等方面效果良好，并进行了基于曲率/频率指数的耦合混沌/动力系统的基本性质和同步分析；（5）设计研究了ISD悬架与振动能收集转电能装置，拟进行成果转化；（6）基于界面算子－同伦法求解了金属光子晶体能带结构，并提出一种新型随机算法，能快速并准确地计算出二维和三维复杂结构金属间的互连电容。.通过上述研究，研究成果包括SCI论文8篇，中文核心论文10篇；授权发明专利3项。支持博士研究生毕业2人，硕士研究生毕业13人，此外还有3位在读博士生。研究工作在成果上达到并超越了预期目标。