颗粒起动是颗粒运动的基本问题之一,掌握层流条件下的颗粒起动规律对研究层流边界层及高黏度流体中的颗粒运动有重要的意义,同时也可丰富层流区颗粒起动实测资料。以起动拖曳力曲线(Shields曲线)的离散分布为切入点,综合利用试验观测、理论分析及数值模拟相结合的方法,对无黏性均匀颗粒的起动规律进行了研究。其中试验观测采用PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速)技术、RIM(Rrefractive Index Matching,折射率匹配)技术及CCD(Coupled Charged Device,电荷耦合组件)摄影技术对无黏性均匀颗粒床的表层过渡段流场进行了研究,并分别在矩形有压管及锥-板环形水槽中对无黏性均匀颗粒的起动进行了系统观测。理论分析上,根据观测结果,综合考虑颗粒床的表面结构特性,采用滚动起动力学模型对无黏性均匀颗粒的起动拖曳力公式进行了推求。数值模型方面,采用Fluent对不同简化床面结构下的颗粒受力进行了模拟。主要研究结果如下:(1)颗粒床和主流之间的过渡段垂线流速分布服从指数分布规律。颗粒床对边界流场的影响主要集中在表层颗粒的影响上,随着主流雷诺数增大过渡段表层的滑移流速增大,但过渡段厚度不随雷诺数改变且和表层颗粒粒径有关,厚度约和表层颗粒粒径相等,表层颗粒以下流动微弱仍然服从Darcy渗流规律。(2)在矩形有压管中,采用颗粒床表面冲刷停止的临界状态作为颗粒起动的临界状态,观测发现层流区范围内希尔兹数呈规则的带状分布,流体作用引起颗粒床表面粗化并导致床面颗粒突起减小,使颗粒起动拖曳力增大1倍以上。同时,通过改变颗粒形状及底坡,均能够观测到床面的粗化现象。进一步采用粒径不同的两种均匀球形颗粒按照不同体积混合比混合进行试验,观测发现当其中粗颗粒的混合体积比大于70%时,临界状态下颗粒床表面的形态变化主要是由于该颗粒的自身结构调整引起。综合表明起动拖曳力的离散分布是由无黏性均匀颗粒床的自身结构调整引起,对于某些级配不良的颗粒床在考虑级配引起的粗化同时,也应当考虑颗粒床表面结构自身调整引起的粗化。(3)锥-板环形水槽中的起动观测试验表明长期剪切作用下颗粒的起动为连续的起动过程,存在2个不同的临界状态:初始临界状态,颗粒从静止转为运动,但运动状态不稳定,一段时间后颗粒运动停止,初始临界状态下的起动拖曳力和矩形有压管起动试验观测结果基本一致;稳定临界状态时,颗粒运动并开始形成稳定的颗粒流动,稳定临界状态下的起动拖曳力高于矩形有压管中的试验观测结果。但整体曲线的分布形式和矩形有压管中试验结果分布形式一致,呈现规则的带状分布,因此综合表明流体剪切力作用下颗粒床表面结构存在自身调整的特性,且在剪切力长期作用下颗粒的起动拖曳力增大显著,该现象和矩形有压管中观测到的床面粗化现象一致且直接对颗粒的起动过程进行了描述。(4)在矩形有压管试验及锥-板环形水槽试验的基础上,结合过渡段的流场特性及颗粒床表层的结构特征,建立了颗粒的滚动起动力学模型。模型计算表明颗粒突起不同时,无量纲起动拖曳力不同,起动拖曳力曲线的形式也不同。实际起动过程中,由于床面粗化,颗粒突起在不断减小,多数试验数据分布在颗粒突起从0.2至1的范围内,当颗粒突起小于0.2时,已不能观测到颗粒的起动。以往的研究中并没有注意到床面结构的影响问题,纯粹建立在试验数据基础上的经验公式不能从本质上揭示层流区无黏性均匀颗粒的起动规律。(5)在试验结果及理论模型的基础上,采用Fluent数值模拟,考虑不同床面结构对目标颗粒的影响,对目标颗粒受到的拖曳力及升力进行了分析。分析得到由于周围颗粒的遮挡,目标颗粒的迎流面减小,从而使得拖曳力减小,且同一床面结构,迎流面的方向改变也会使得目标颗粒受到的拖曳力改变。但对于升力而言,在本文的模拟条件下,周围颗粒的遮挡反而会使得升力增大。床面结构直接影响到颗粒的受力大小,在起动临界状态,当床面结构发生粗化时,目标颗粒所需起动拖曳力将发生变化。该结果与试验观测及理论模型计算一致,表明床面结构的改变是导致无黏性均匀颗粒起动拖曳力离散分布的主要原因。以上研究综合表明颗粒床表面结构性状直接影响着颗粒起动拖曳力的大小,由于颗粒床表面粗化,在层流区无量纲起动拖曳力曲线(Shields曲线)具有带状分布特性。