在聚合物基體中均勻混合納米粉體是提高復(fù)合材料物理和機械性能的重要手段,但粉體中納米顆粒極易在黏附力的作用下形成團聚體,嚴(yán)重阻礙了納米尺度顆粒優(yōu)異性能的發(fā)揮。因此,提高團聚體在加工流場中的分散均勻性和分散程度具有重要研究意義�，F(xiàn)有的實驗手段難以精準(zhǔn)觀測納米顆粒在流場中的運動信息,因而難以研究團聚體在流場中的分散機理和評估團聚體的分散效果。目前對此課題的研究主要通過計算機的數(shù)值模擬實現(xiàn)。隨著離散元法（DEM）的發(fā)展,已有一些學(xué)者利用離散元法對分形結(jié)構(gòu)團聚體在流場中的分散行為進行了研究,但所研究的分形結(jié)構(gòu)團聚體通常是運用擴散控制單體凝聚模型（DLA）或擴散控制團簇凝聚模型（DLCA）生成的。這兩種分形凝聚模型假設(shè)顆粒發(fā)生接觸后一定粘結(jié),但當(dāng)顆粒間存在斥力時顆粒發(fā)生接觸后不一定粘結(jié),因此這兩種模型還存在一定的局限。為了提高黏附性顆粒團聚體在流場中分散行為的計算精度,計算顆粒間的作用力時必須將接觸力和范德華力進行耦合,而且計算顆粒在流場中受到的流體拖曳力時,必須考慮流體的速度場對流體拖曳力影響。本文采用反應(yīng)控制團簇凝聚（RLCA）模型生成顆粒團聚體。運用離散元法求解黏附性顆粒團聚體的分散動力學(xué),... 

【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【圖文】：

顆粒在二維管道中的運動過程[27]

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文6維數(shù)值模擬，采用DLVO理論和JKR理論計算顆粒間的作用力，運用斯托克斯定律計算剪切流場對顆粒的作用力，圖1-2為納米顆粒在剪切流場中的粘結(jié)行為示意圖。模擬中顆粒的表面能、楊氏模量、顆粒密度等物理參數(shù)按照乳液聚合生成的聚苯乙烯納米顆粒選取，流體視為水。研究了剪切速率、顆粒的直徑和表面能對最終團聚體結(jié)構(gòu)和尺寸的影響，結(jié)果表明剪切速率越低、顆粒直徑越孝顆粒表面能越大，最終形成的穩(wěn)定團聚體尺寸越大。圖1-2納米顆粒在剪切流場中的粘結(jié)行為[29]Fig.1-2Coagulationofnano-particlesinshearflowfield劉道銀等[31-32]通過使用黏附性CFD-DEM耦合模型模擬了黏附性納米顆粒團聚形成的數(shù)十微米至數(shù)百微米大小的團聚體在流化床中的運動過程，研究了顆粒密度、流化氣體速度和范德華力對分散和團聚行為的影響。結(jié)果表明，小團聚體在流化過程中形成了更大的團聚體，團聚體在流化床上移動時，它們不斷破碎并重新結(jié)合。增加流化氣體速度和降低顆粒黏附力均會增加團聚體破碎率，從而提高顆粒團聚體的分散度。Afkhami等[33]使用完全耦合的LES-DEM模型模擬了黏附性顆粒在湍流通道中的運動，如圖1-3所示，該模型采用商業(yè)計算流體力學(xué)軟件FLUENT進行大型渦流模擬(LES)并采用商業(yè)離散元軟件EDEM中的黏附性離散元法(adhesiveDEM)模擬顆粒相，研究了顆粒表面能和流體湍流對通道中顆粒團聚和分散的影響。結(jié)果表明：顆粒沿湍流方向運動并相互接觸形成團聚體，觀察到顆粒表面能與團聚之間存在正相關(guān)關(guān)系，即表面能越大團聚體尺寸越大，發(fā)現(xiàn)在近壁區(qū)域中顆粒濃度更高。

第一章緒論7圖1-3顆粒和流體的速度云圖(單位m·s1)[33]Fig.1-3Contourplotofthevelocityforboththefluidandparticlephase(m·s1)以上研究者所研究的黏附性顆粒在計算開始時是以單體顆粒的形式釋放到流場中，而在加入流場前黏附性顆粒由于黏附力的存在極易形成團聚體，因此模擬結(jié)果還不能夠完全反映出實際工業(yè)生產(chǎn)過程中黏附性顆粒的運動特征。1.4顆粒分形凝聚研究進展分形是為了解決云、閃電和血管等歐幾里得幾何無法描述的復(fù)雜、無規(guī)則結(jié)構(gòu)而開發(fā)出的一種新數(shù)學(xué)工具[34]。理想的分形結(jié)構(gòu)在無限的尺度范圍內(nèi)表現(xiàn)出自相似性，例如著名的科赫雪花和謝爾賓斯基三角形。另外一些對象也被認(rèn)為具有分形結(jié)構(gòu)，它們僅在有限的尺度上表現(xiàn)出自相似性，例如樹木、肺、河網(wǎng)和膠體顆粒團聚體[35]。分形凝聚是分形的重要研究課題之一，廣泛存在于造紙、食品、藥物、膠體和粉體等領(lǐng)域中。1.4.1常見的分形凝聚模型已有一些學(xué)者在運用計算機模擬研究分形凝聚問題時，為了接近實際的物理場景提出了眾多顆粒分形凝聚模型。根據(jù)運動單元是單體顆粒還是單體顆粒和團簇(包含多個顆粒)，可以將分形凝聚模型分為單體凝聚模型和團簇凝聚模型兩大類。主要的單體凝聚模型有Eden模型、彈射凝聚模型(BallisticAggregationmodel，BA模型)、擴散控制凝聚模型(DiffusionLimitedAggregationmodel，DLA模型)、電介質(zhì)擊穿模型(DielectricBreakdownmodel，DBM模型)、隨機雨模型(RandomRainmodel，RR模型)、反應(yīng)控制凝聚模型(ReactionLimitedAggregationmodel，RLA模型)。主要的團簇凝聚模型有彈射團簇凝聚模型(BallisticCluster-ClusterAggregationmodel，Sutherland模型)、擴散控制團

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于非并行布朗運動的土壤膠體分形凝聚模擬算法改進[J]. 熊海靈,楊志敏,李航.  農(nóng)業(yè)工程學(xué)報. 2015(06)
[2]擴散模型和凝聚模型耦合作用下膠體凝聚動力學(xué)的Monte Carlo模擬研究[J]. 熊海靈,楊志敏,李航.  物理化學(xué)學(xué)報. 2014(03)
[3]不同電解質(zhì)體系中土壤膠體凝聚動力學(xué)的動態(tài)光散射研究[J]. 朱華玲,李兵,熊海靈,李航,賈明云.  物理化學(xué)學(xué)報. 2009(06)

博士論文
[1]表面功能化聚合物膠體顆粒在靜態(tài)條件下的穩(wěn)定性及團聚行為研究[D]. 魏丹.華南理工大學(xué) 2012

碩士論文
[1]納米顆粒團聚體的分形凝聚和分散行為數(shù)值模擬研究[D]. 張文博.華南理工大學(xué) 2018
[2]分形結(jié)構(gòu)顆粒團聚體分散行為的三維離散元法數(shù)值模擬研究[D]. 吳哲浩.華南理工大學(xué) 2016
[3]基于離散元法的分散行為三維數(shù)值模擬[D]. 陶成文.華南理工大學(xué) 2014



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