基于颗粒离散元法的分散混合数值模拟

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分散混合是重要的材料加工过程,尤其是聚合物的混合与复合。分散混合过程就是在流体拖曳力作用下,打破分散相颗粒团聚体内的物理键合,使其发生剥蚀、破碎、尺寸减小,最终使材料体系内部各组分趋于细化和均化。了解分散混合的机理及动态细节有助于设计高效混合设备和确定混合工艺条件,从而提高材料的性能。早期分散混合的理论研究中,将分散相颗粒团聚体视为连续体,以整体尺寸或体积变化率作为分散度的表征,只考虑分散,不考虑混合,在此基础上进行了数值模拟。然而颗粒团聚体是典型的离散体,将颗粒团聚体视为连续体无法揭示在流体拖曳力的作用下颗粒间的相互作用对颗粒运动的影响以及团聚体的演变行为。起源于岩土力学的离散元法在研究离散介质的受力、变形、运动和破坏方面有着许多优势,已成为研究散体动力学的一种重要方法,因此,本文采用离散元法对颗粒团聚体在流场中的分散行为进行研究。本文基于颗粒离散元法的基本原理、接触模型、接触判定、参数选取和算法实现,在Microsoft Visual C++平台上采用MATLAB语言与标准的C/C++语言接口函数C-MEX混合编程,开发了用于模拟堆积问题和分散混合问题的二维圆盘/球形单元离散元求解主程序DEMix2D,前后处理采用图形用户界面(GUI)以方便物性参数、边界条件、初始条件和计算控制参数的输入及计算结果的可视化。在程序中引入颗粒间相互作用的范德华力,对钢质颗粒群在刚性盒内随机堆积的过程进行了模拟和分析,通过与已有文献的结果对比验证了程序的正确性。在程序中引入流体拖曳力对颗粒团聚体的作用,模拟分析了微细颗粒团聚体在纯剪切、纯拉伸和剪切—拉伸混合流场中的分散混合,获得了团聚体在流场中变形、运动、分散等细节信息。模拟结果表明:分散度与时间呈幂率关系;拉伸流场分散效率最高;流场强度越高,团聚体越容易分散;松散的团聚体比致密的团聚体更易分散。
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