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顆粒動理學未來發展與展望

欄目: 論文精選 / 發佈於: / 人氣:1.32W

顆粒動理學現已廣泛應用於多相流、流固耦合、湍流、燃燒及傳熱傳質等領域。由於顆粒的特性與多相流動有很多相似性,所以對其研究也集中在多相流動方面。在多相流動方面,顆粒動理學主要用於模擬各種流態化過程中顆粒的運動規律,如氣固兩相流動、旋流氣固分離、燃燒過程等。此外,還可以用顆粒動理學來模擬固體材料的加工與成型過程,如粉末冶金、金屬加工過程等。在流固耦合方面,顆粒動理學可用於模擬固液兩相流的運動規律,如固液兩相流中固體顆粒的沉降和堆積問題等。在湍流方面,顆粒動理學可用於模擬湍流的流動規律及混合機制;而在燃燒及傳熱傳質方面,顆粒動理學可用於研究氣固兩相混合過程中氣固兩相流動規律[20]。此外,顆粒動理學還可用於模擬氣固、氣液、液液等相之間的相互作用及相互轉化過程。但目前對其具體應用還沒有形成統一的看法。

顆粒動理學未來發展與展望

雖然顆粒動力學已被廣泛應用於基礎理論研究和實際工程,但應清楚認識到顆粒動力學從產生到現在才數十年時間,諸如顆粒動力學的多尺度問題、單顆粒速度分佈函數從一級近似到二級近似的擴展、高顆粒濃度下的摩擦理論、粗糙顆粒旋轉特性等這些不足之處還有待於數理知識的進一步完善和科技工作者們繼續努力。拿顆粒旋轉為例,在不考慮顆粒旋轉運動時,顆粒的位置和速度可以同時用六維空間(位置和平動速度)中的一個點來表示,而考慮顆粒旋轉時則需要九維空間(位置、平動速度和轉動速度)來表示,即單顆粒速度分佈函數由六個自變量增加到九個,使得求解過程的複雜性大為增加。

顆粒動理學未來發展趨勢:

(1)進一步完善顆粒動理學理論。現有的研究大多基於二維或準二維模型,難以全面反映顆粒運動規律。顆粒動理學應進一步完善現有模型,如氣固耦合模型、固液耦合模型、顆粒相碰撞模型等,並考慮其耦合效應。

(2)發展數值模擬方法。隨着計算能力的提高和計算機硬件的發展,數值模擬方法將越來越完善。同時,隨着計算軟件的發展,採用更為準確的計算方法也將成為顆粒動理學研究的新趨勢。

(3)加強實驗研究。顆粒動理學在一些領域應用廣泛,但對其研究仍處於初級階段,沒有形成完整的理論體系,很難在實際中得到應用。因此,應加強實驗研究,尋找其規律,為顆粒動理學在實際中的應用提供理論支持。

(4)深化理論研究。隨着計算技術和實驗技術的發展,進一步深入研究顆粒在空間、時間上的分佈規律將成為顆粒動理學的重要任務。

顆粒動理學是描述顆粒系統宏觀運動的一門新興學科,其基本思想是在多相流動中建立起宏觀運動規律與微觀現象之間的聯繫,對其微觀機理進行研究。通過顆粒動理學理論,不僅可以在理論上對顆粒系統進行分析,而且可以建立起微觀機理與宏觀現象之間的聯繫。

目前,顆粒動理學研究中還存在一些問題:

(1)目前顆粒動理學理論是建立在牛頓力學基礎上的,但在宏觀流體力學領域仍存在一些問題,如:採用牛頓流體模型時忽略了顆粒之間的相互作用、對大顆粒和小顆粒採用相同的速度計算公式、忽略了小顆粒受到的阻力等。

(2)對複雜環境下的多相流動現象進行模擬時,由於邊界條件複雜、耦合作用強烈而很難獲得精確解,且難以考慮複雜環境下的多相流現象。

(3)實驗研究嚴重不足。通過實驗手段獲得的經驗規律或理論分析很難推廣到更廣泛的實際應用中,且實驗設計較困難。

儘管存在這些問題,但這並不意味着顆粒動理學研究沒有發展空間。隨着計算能力不斷提高,尤其是多相流數值模擬方法的發展和計算能力的提高,顆粒動理學必將在研究方法和計算技術上取得更大進展。顆粒動理學研究方法和技術的發展將促進其在工程實際中的應用,並推動相關學科的發展。