【摘要】：在納米復(fù)合材料研究領(lǐng)域,通常向聚合物基體或金屬基體中添加納米級(jí)顆粒物質(zhì),以提高復(fù)合材料的各項(xiàng)物理和機(jī)械性能。這些微觀顆粒在基體中的分散均勻性很大程度決定了復(fù)合材料的最終制品性能。納米顆粒比表面積和表面極性大,易團(tuán)聚,且與大部分基體相容性差,在與基體共混時(shí)很難分散均勻。因此,提高填充顆粒在基體中的分散效果對(duì)納米材料加工領(lǐng)域具有重要研究意義。目前,實(shí)驗(yàn)手段難以精確測(cè)得納米顆粒在加工過(guò)程中的位移、速度和接觸力等動(dòng)態(tài)信息,并且難以評(píng)估團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒分散效果的影響,許多學(xué)者開(kāi)始利用離散元法對(duì)團(tuán)聚體的分散過(guò)程展開(kāi)研究。本文通過(guò)采用顆粒分形凝聚模型能夠生成與真實(shí)顆粒團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)十分相似的分形結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體,實(shí)現(xiàn)了納米顆粒團(tuán)聚體在流場(chǎng)中分散行為的數(shù)值模擬。但前期研究中存在凝聚模型求解效率較低,分散采用的流體拖曳力模型無(wú)法反映流場(chǎng)中顆粒間的遮蔽關(guān)系,單一的后處理結(jié)果難以揭示團(tuán)聚體的分散機(jī)理等不足。本文結(jié)合計(jì)算效率更高的分形凝聚算法,并提出一種基于離散單元法的流體拖曳力改進(jìn)算法,開(kāi)發(fā)了顆粒群凝聚與分散模擬軟件DEMix 3D。通過(guò)動(dòng)態(tài)釋放半徑法、局部區(qū)域檢索法和重疊顆粒優(yōu)化處理法改進(jìn)了DLA分形凝聚模型的算法效率,然后利用DEMix 3D軟件模擬了DLA和DLCA分形結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體凝聚過(guò)程,研究了分形結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體在剪切和單軸拉伸流場(chǎng)中的分散行為及其力鏈結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。結(jié)果表明,DLA團(tuán)聚體形態(tài)比DLCA團(tuán)聚體更為密集,分支結(jié)構(gòu)小;動(dòng)態(tài)釋放半徑法、局部區(qū)域檢索法和優(yōu)化重疊顆粒處理算法能夠提高DLA分形凝聚模型的算法效率;團(tuán)聚體分散過(guò)程中存在團(tuán)狀結(jié)構(gòu)和鏈狀結(jié)構(gòu),破碎容易發(fā)生在鏈狀結(jié)構(gòu)上,鏈狀力鏈的分布密度決定了分散效率和分散效果;分形凝聚團(tuán)聚體最終的碎片加權(quán)顆粒數(shù)與流場(chǎng)強(qiáng)度間具有冪函數(shù)關(guān)系。
【圖文】：

采用的團(tuán)聚體對(duì)象為多層非均勻顆粒堆積形成的密集團(tuán)聚體，根據(jù)模擬結(jié)果提出了圖1-2 所示的三種煙塵排放方式——煙塵顆粒團(tuán)聚體在空氣拖曳力下的分散、團(tuán)聚體間相互碰撞、團(tuán)聚體與平板間碰撞。Iimura 等[23]通過(guò)離散元法模擬了粒徑為 500nm 的密集顆粒團(tuán)聚體在剪切流場(chǎng)中從平板上分散懸浮的行為，，如圖 1-3 所示。模擬采用的力學(xué)模型為非接觸顆粒間的范德華力、接觸顆粒間的接觸力和流場(chǎng)中流體拖曳力，研究發(fā)現(xiàn)顆粒團(tuán)聚體在低流場(chǎng)強(qiáng)度下僅發(fā)生變形，高流場(chǎng)強(qiáng)度中發(fā)生分散并懸浮。

4圖 1-3 近球形團(tuán)聚體在剪切流場(chǎng)中的再分散[23]Fig. 1-3 Redispersion of near-spherical aggregates in shear flow fier[24]和 Manounou[25]等人采用離散元法模擬了擴(kuò)散限制團(tuán)同強(qiáng)度的簡(jiǎn)單剪切流場(chǎng)中的重組和破碎過(guò)程，研究了顆間的關(guān)系。麻向軍等[26]對(duì)擴(kuò)散限制凝聚單體（DLA）模的變形和分散過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體中強(qiáng)弱力機(jī)制。的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，顆粒間的接觸關(guān)系會(huì)一定程度上遮蔽流場(chǎng)中每個(gè)顆粒所受到流體拖曳力有所不同，對(duì)每個(gè)顆與實(shí)際不符[27]。陶成文[28]在原有的拖曳力模型基礎(chǔ)上引數(shù)來(lái)判斷周圍其他顆粒對(duì)流體拖曳力屏蔽作用。然而，
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2628773