范德华力和静电力作用下细颗粒沉积和聚集动力学研究

本项目采用原子力显微镜测量范德华力或静电力作用下单个细颗粒与固体表面间的力-位移曲线，发展了适用于短程内颗粒间或颗粒-表面间相互黏附作用的E-JKR模型；进而，基于边界元方法和镜像理论形成颗粒邻近电场的计算，并与多极展开方法耦合实现颗粒间长程静电力的计算模型，并结合短程内颗粒黏附作用模型及相应能量耗散、摩擦阻力模型形成长-短程通用的多颗粒离散元动力学模拟(DEM)；最后，在小雷诺数过滤流场下发展包含流体特征尺度、颗粒平流尺度和颗粒接触尺度的多尺度方法，从而将DEM成功地用于中性或荷电细颗粒沉积和聚集的动态模拟，并由单纤维细颗粒沉积的微观测量实验进行验证。. 本项目从多相流颗粒相动力学出发，结合了表面物理、静电学和接触力学等交叉知识，不仅建立了静电力和范德华力作用下细颗粒离散元动力学方法(DEM)，而且也奠定了弥散稀相流中细颗粒沉积、聚集乃至控制技术的理论基础。

本项目采用原子力显微镜在不同静电条件下测量颗粒与表面间的力-位移曲线，定量比较了范德华力和静电力在颗粒粘附接触中长程和短程效应，建立了长-短程连贯的颗粒之间或颗粒-表面间作用的JKR动力学模型。进而在静态接触的JKR模型基础上，考虑碰撞中的首次接触能量损失和粘弹性阻尼耗散，建立了动态粘附碰撞的动力学模型。本模型与前人工作相比具有更为清晰可靠的物理意义，基于模型的动力学模拟可精确预测颗粒的粘附与反弹。. 静电作用的长程性和诱导性，在处理大量颗粒间及颗粒-表面间的静电作用时，导致巨大计算量和低精度。我们采用场论的思想，首次解决了这一国际性难题。首先基于边界元方法（BEM）实现了宏观物体和边界的静电场求解，并引入镜像理论对小尺度带来的精度问题进行修正。其次，发展了颗粒间静电作用的快速多级展开方法(FM)，保证高精度的同时，将计算量由O(N2)降低至Nlog(N)。改进的BEM与FM方法结合，形成了颗粒与电场相互作用的高效计算模型，实现了宏观物体电场的求解以及颗粒间静电作用的准确快速计算。. 结合短程的动态粘附碰撞模型、长程多极展开-边界元(FM-BEM)模型，采用多时间尺度的框架，建立了多场耦合的离散细颗粒动力学方法。本研究将颗粒动力学从毫米大颗粒尺度拓展到了亚微米细颗粒尺度，并实现了粘性流场、静电场等多场的耦合，受到了国际上的重视。相关工作发表在能源燃烧领域最高期刊Progress in Energy and Combustion Science上，并继而被剑桥出版社邀请撰写相关专著。. 基于颗粒动力学方法，研究了沉积量对颗粒过滤影响、颗粒沉积中的粘附与反弹机理、荷电和极化对颗粒沉积影响等课题，并进行了实验验证，相关工作形成了粘附颗粒模型领域知名学者Thornton博士的荣退纪念论文，发表在Powder Technology专刊上。另外，研究中对控制细颗粒的电帘技术、静电场中颗粒堆积以及湿式电除尘的液桥粘附等问题进行了拓展研究。. 本项目基于一种创新的、学科交叉的思路建立了多场离散细颗粒动力学方法，为弥散稀相流中细颗粒沉积、聚集乃至控制技术提供了理论基础。在2011年工程热物理年会多相流学术会议和自然基金项目进展研讨会上，本项目作为优秀项目被遴选出进行了口头汇报。特别是，一些论文成果发表都是国际颗粒动力学领域具有研究历史节点的代表性论文。