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顆粒介質全相態理論及數值實現 版權信息
- ISBN：9787030736192
- 條形碼：9787030736192 ; 978-7-03-073619-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
顆粒介質全相態理論及數值實現 內容簡介
本書首先從理論上建立了描述顆粒介質類固態、類液態、類氣態以及慣性態四種全部流動狀態的理論模型，不僅可以處理同時包含以上全部流動狀態的問題，同時對于不同流態之間的轉化也有詳細描述；其次，在數值模擬方法方面，引入新型無網格粒子法結合離散單元法，建立描述顆粒介質全流態的SPH-SDPH-DEM混合/轉化數值模擬新方法以及描述流體-顆粒兩相流問題的SPH與SPH-SDPH-DEM全耦合數值模擬新方法，為解決航空航天、能源、化工、地質等領域內的顆粒介質問題提供支撐。
顆粒介質全相態理論及數值實現 目錄
目錄
叢書序
前言
第1章緒論
1.1顆粒介質問題研究的重要性001
1.2認識顆粒介質及其多相態性003
1.2.1顆粒介質003
1.2.2顆粒介質的性質003
1.2.3顆粒介質問題所涉及的領域004
1.2.4顆粒介質的相態表征006
1.3顆粒介質的相態表征理論研究現狀006
1.3.1顆粒介質的單一相態表征理論研究現狀006
1.3.2顆粒介質的多相態表征理論研究現狀009
1.4顆粒介質的數值模擬方法研究現狀011
1.4.1模擬顆粒介質的網格法研究現狀011
1.4.2模擬顆粒介質的軌道追蹤法研究現狀011
1.4.3模擬顆粒介質的物質點法研究現狀014
1.4.4模擬顆粒介質的光滑粒子流體動力學方法研究現狀015
1.5顆粒介質的全相態理論與數值實現方法介紹017
1.5.1關于“顆粒介質全相態”017
1.5.2顆粒介質全相態理論簡介018
1.5.3顆粒介質全相態數值模擬方法簡介019
1.6本書內容安排021
參考文獻022
第2章濃密顆粒介質的彈黏塑性本構理論
2.1引言034
2.2顆粒類固態的理想彈性塑性本構理論035
2.3顆粒類液態的黏性塑性本構理論044
2.4濃密顆粒介質的彈黏塑性本構理論047
2.5考慮內聚力的濃密顆粒介質的彈黏塑性本構理論054
2.6干、濕顆粒堆坍塌過程數值驗證061
2.7小結065
參考文獻066
第3章顆粒介質的全相態理論
3.1引言068
3.2稀疏顆粒流的動理學理論069
3.2.1顆粒動理學理論069
3.2.2考慮顆粒摩擦作用的顆粒動理學理論075
3.3超稀疏顆粒流的質點動力學理論077
3.4顆粒介質全相態的彈黏塑動理學質點動力學耦合理論080
3.4.1顆粒類固態與顆粒類液態之間的轉化080
3.4.2顆粒類液態與顆粒類氣態之間的轉化081
3.4.3顆粒類氣態與顆粒離散慣性態之間的轉化082
3.5干顆粒物料沿壁面快速流動沖擊壁面堆積過程數值驗證082
3.6小結087
參考文獻087
第4章液體中懸浮顆粒介質理論
4.1引言089
4.2密實懸浮液的體積分數主導流變學理論090
4.2.1密實懸浮液單相流理論模型090
4.2.2密實懸浮液液體顆粒兩相流理論模型093
4.3密實懸浮液的應力主導流變學理論097
4.4考慮顆粒介質全相態的液體顆粒兩相流理論099
4.4.1液體相守恒方程100
4.4.2顆粒相守恒方程101
4.4.3體積分數及物質屬性確定方法102
4.4.4相間曳力模型103
4.5液體中顆粒堆坍塌的兩相流數值模擬驗證104
4.6小結108
參考文獻108
第5章濃密顆粒介質模擬的SDPH方法
5.1引言110
5.2傳統SPH理論111
5.2.1核函數積分插值111
5.2.2粒子近似112
5.2.3連續介質模型的SPH離散方法113
5.2.4SPH方程積分求解115
5.3新型SPH修正算法116
5.3.1完全拉格朗日SPH方法116
5.3.2SPH核函數及其梯度的修正近似117
5.4光滑離散顆粒流體動力學方法118
5.4.1SDPH方法基本思想118
5.4.2SDPH方法與傳統SPH方法的區別119
5.5濃密顆粒介質彈黏塑性本構模型的SDPH離散120
5.5.1濃密顆粒介質類固態的完全拉格朗日形式的SDPH離散120
5.5.2濃密顆粒介質類液態的歐拉形式的SDPH離散120
5.5.3濃密顆粒介質類固態和類液態之間的粒子核轉變121
5.6考慮內聚力濃密顆粒介質的人工應力方法123
5.7二維/三維單側顆粒堆坍塌過程數值驗證124
5.8傾斜壁面上顆粒堆坍塌過程數值驗證130
5.9滾筒顆粒流問題數值驗證135
5.9.1滾筒內無內聚力的干顆粒材料運動過程數值模擬135
5.9.2滾筒內黏結性顆粒周期性坍塌過程數值模擬138
5.10小結142
參考文獻143
第6章稀疏顆粒流模擬的SDPH方法
6.1引言145
6.2稀疏顆粒流模擬的SDPH方法145
6.3氣體顆粒兩相流模擬的SDPHFVM耦合方法147
6.3.1氣體相求解的FVM方法147
6.3.2SDPHFVM耦合框架148
6.3.3SDPHFVM耦合算法流程149
6.4考慮顆粒蒸發、燃燒過程的SDPHFVM耦合方法151
6.5考慮顆粒碰撞聚合、破碎過程的SDPHFVM耦合方法153
6.6算例驗證155
6.6.1燃料空氣炸藥爆炸拋撒成霧過程數值模擬155
6.6.2云霧團燃燒爆炸過程數值模擬161
6.7小結163
參考文獻163
第7章超稀疏顆粒流模擬的離散單元法
7.1引言165
7.2離散單元法簡介165
7.2.1離散單元法的起源166
7.2.2離散單元法的發展歷史166
7.2.3離散單元法求解問題的基本思想及定義167
7.3離散單元法基本原理167
7.3.1離散化模型167
7.3.2運動描述168
7.3.3運動方程求解169
7.3.4接觸發現算法170
7.3.5時間步長確定173
7.3.6算法流程173
7.4離散單元法的主要接觸模型174
7.4.1無滑動接觸力模型174
7.4.2無滑動滾動摩擦接觸力模型176
7.4.3考慮黏結的接觸力模型177
7.4.4考慮內聚力的接觸力模型177
7.5小結178
參考文獻179
第8章顆粒介質全相態模擬的SDPHDEM耦合方法
8.1引言181
8.2濃密顆粒介質數值方法與稀疏顆粒介質數值方法之間算法的轉化181
8.2.1由濃密顆粒介質算法向稀疏顆粒介質算法轉化的原則183
8.2.2由稀疏顆粒介質算法向濃密顆粒介質算法轉化的原則183
8.3濃密顆粒介質算法與稀疏顆粒介質算法之間的相互作用184
8.4稀疏顆粒介質SDPH方法與超稀疏顆粒介質DEM方法耦合185
8.4.1SDPH與DEM之間算法的轉化185
8.4.2SDPH粒子與DEM粒子之間作用力傳遞186
8.5顆粒介質全相態模擬的SDPHDEM耦合方法流程圖187
8.6三維水平表面單側顆粒堆坍塌過程數值驗證189
8.7三維傾斜表面單側顆粒堆坍塌過程數值驗證194
8.8三維水平表面圓柱形顆粒堆坍塌過程數值模擬197
8.9小結205
參考文獻206
第9章液體顆粒兩相流模擬的SPHSDPHDEM耦合方法
9.1引言208
9.2求解雙流體模型中連續相的SPH方法209
9.3SPHSDPHDEM耦合框架及算法流程211
9.3.1SPHSDPHDEM耦合框架211
9.3.2SPHSDPHDEM耦合算法流程211
9.4潰壩侵蝕顆粒床層過程數值模擬214
9.5小結216
參考文獻216
第10章顆粒介質邊界力施加方法
10.1引言218
10.2顆粒介質邊界力分解218
10.3基于罰函數的SDPH邊界法向力施加方法219
10.3.1基于Galerkin加權余量法的排斥力模型219
10.3.2基于罰函數的非滑移邊界施加方法221
10.4基于勢函數的SDPH邊界法向力施加方法223
10.5基于邊界粒子動態生成技術的SDPH邊界法向力施加方法224
10.6基于虛粒子方法的SDPH固壁邊界法向力施加方法226
10.6.1流體固壁作用方程226
10.6.2虛粒子物理量求解227
10.7顆粒介質的切向邊界力施加模型228
10.7.1摩擦模型228
10.7.2Voellmy模型228
10.8小結229
參考文獻229
第11章顆粒介質全相態理論及方法在工程中的應用
11.1引言231
11.2在航空航天動力系統中的應用231
11.2.1航空發動機渦輪葉片前緣模型顆粒沉積數值模擬研究231
11.2.2航空發動機燃油霧化問題數值模擬242
11.2.3固體火箭發動機尾噴管受顆粒流侵蝕過程數值模擬247
11.3在工業工程中的應用253
11.3.1磨料射流切割HTPB固體推進劑過程數值模擬253
11.3.2噴動流化床流化過程數值模擬262
11.4在沖擊動力學領域內的應用268
11.4.1球形彈丸侵徹土體過程數值模擬271
11.4.2細長體彈丸侵徹土體過程數值模擬276
11.4.325mm子彈侵徹土體彈跳過程數值模擬280
11.5在地質災害預防領域內的應用284
11.5.1滑槽液固兩相流動過程數值模擬285
11.5.2滑槽鏟刮過程數值模擬287
11.5.3滑槽模擬堵江潰壩過程數值模擬298
11.5.4高位遠程滑坡運動過程數值模擬301
11.6小結304
參考文獻305
叢書序
前言
第1章緒論
1.1顆粒介質問題研究的重要性001
1.2認識顆粒介質及其多相態性003
1.2.1顆粒介質003
1.2.2顆粒介質的性質003
1.2.3顆粒介質問題所涉及的領域004
1.2.4顆粒介質的相態表征006
1.3顆粒介質的相態表征理論研究現狀006
1.3.1顆粒介質的單一相態表征理論研究現狀006
1.3.2顆粒介質的多相態表征理論研究現狀009
1.4顆粒介質的數值模擬方法研究現狀011
1.4.1模擬顆粒介質的網格法研究現狀011
1.4.2模擬顆粒介質的軌道追蹤法研究現狀011
1.4.3模擬顆粒介質的物質點法研究現狀014
1.4.4模擬顆粒介質的光滑粒子流體動力學方法研究現狀015
1.5顆粒介質的全相態理論與數值實現方法介紹017
1.5.1關于“顆粒介質全相態”017
1.5.2顆粒介質全相態理論簡介018
1.5.3顆粒介質全相態數值模擬方法簡介019
1.6本書內容安排021
參考文獻022
第2章濃密顆粒介質的彈黏塑性本構理論
2.1引言034
2.2顆粒類固態的理想彈性塑性本構理論035
2.3顆粒類液態的黏性塑性本構理論044
2.4濃密顆粒介質的彈黏塑性本構理論047
2.5考慮內聚力的濃密顆粒介質的彈黏塑性本構理論054
2.6干、濕顆粒堆坍塌過程數值驗證061
2.7小結065
參考文獻066
第3章顆粒介質的全相態理論
3.1引言068
3.2稀疏顆粒流的動理學理論069
3.2.1顆粒動理學理論069
3.2.2考慮顆粒摩擦作用的顆粒動理學理論075
3.3超稀疏顆粒流的質點動力學理論077
3.4顆粒介質全相態的彈黏塑動理學質點動力學耦合理論080
3.4.1顆粒類固態與顆粒類液態之間的轉化080
3.4.2顆粒類液態與顆粒類氣態之間的轉化081
3.4.3顆粒類氣態與顆粒離散慣性態之間的轉化082
3.5干顆粒物料沿壁面快速流動沖擊壁面堆積過程數值驗證082
3.6小結087
參考文獻087
第4章液體中懸浮顆粒介質理論
4.1引言089
4.2密實懸浮液的體積分數主導流變學理論090
4.2.1密實懸浮液單相流理論模型090
4.2.2密實懸浮液液體顆粒兩相流理論模型093
4.3密實懸浮液的應力主導流變學理論097
4.4考慮顆粒介質全相態的液體顆粒兩相流理論099
4.4.1液體相守恒方程100
4.4.2顆粒相守恒方程101
4.4.3體積分數及物質屬性確定方法102
4.4.4相間曳力模型103
4.5液體中顆粒堆坍塌的兩相流數值模擬驗證104
4.6小結108
參考文獻108
第5章濃密顆粒介質模擬的SDPH方法
5.1引言110
5.2傳統SPH理論111
5.2.1核函數積分插值111
5.2.2粒子近似112
5.2.3連續介質模型的SPH離散方法113
5.2.4SPH方程積分求解115
5.3新型SPH修正算法116
5.3.1完全拉格朗日SPH方法116
5.3.2SPH核函數及其梯度的修正近似117
5.4光滑離散顆粒流體動力學方法118
5.4.1SDPH方法基本思想118
5.4.2SDPH方法與傳統SPH方法的區別119
5.5濃密顆粒介質彈黏塑性本構模型的SDPH離散120
5.5.1濃密顆粒介質類固態的完全拉格朗日形式的SDPH離散120
5.5.2濃密顆粒介質類液態的歐拉形式的SDPH離散120
5.5.3濃密顆粒介質類固態和類液態之間的粒子核轉變121
5.6考慮內聚力濃密顆粒介質的人工應力方法123
5.7二維/三維單側顆粒堆坍塌過程數值驗證124
5.8傾斜壁面上顆粒堆坍塌過程數值驗證130
5.9滾筒顆粒流問題數值驗證135
5.9.1滾筒內無內聚力的干顆粒材料運動過程數值模擬135
5.9.2滾筒內黏結性顆粒周期性坍塌過程數值模擬138
5.10小結142
參考文獻143
第6章稀疏顆粒流模擬的SDPH方法
6.1引言145
6.2稀疏顆粒流模擬的SDPH方法145
6.3氣體顆粒兩相流模擬的SDPHFVM耦合方法147
6.3.1氣體相求解的FVM方法147
6.3.2SDPHFVM耦合框架148
6.3.3SDPHFVM耦合算法流程149
6.4考慮顆粒蒸發、燃燒過程的SDPHFVM耦合方法151
6.5考慮顆粒碰撞聚合、破碎過程的SDPHFVM耦合方法153
6.6算例驗證155
6.6.1燃料空氣炸藥爆炸拋撒成霧過程數值模擬155
6.6.2云霧團燃燒爆炸過程數值模擬161
6.7小結163
參考文獻163
第7章超稀疏顆粒流模擬的離散單元法
7.1引言165
7.2離散單元法簡介165
7.2.1離散單元法的起源166
7.2.2離散單元法的發展歷史166
7.2.3離散單元法求解問題的基本思想及定義167
7.3離散單元法基本原理167
7.3.1離散化模型167
7.3.2運動描述168
7.3.3運動方程求解169
7.3.4接觸發現算法170
7.3.5時間步長確定173
7.3.6算法流程173
7.4離散單元法的主要接觸模型174
7.4.1無滑動接觸力模型174
7.4.2無滑動滾動摩擦接觸力模型176
7.4.3考慮黏結的接觸力模型177
7.4.4考慮內聚力的接觸力模型177
7.5小結178
參考文獻179
第8章顆粒介質全相態模擬的SDPHDEM耦合方法
8.1引言181
8.2濃密顆粒介質數值方法與稀疏顆粒介質數值方法之間算法的轉化181
8.2.1由濃密顆粒介質算法向稀疏顆粒介質算法轉化的原則183
8.2.2由稀疏顆粒介質算法向濃密顆粒介質算法轉化的原則183
8.3濃密顆粒介質算法與稀疏顆粒介質算法之間的相互作用184
8.4稀疏顆粒介質SDPH方法與超稀疏顆粒介質DEM方法耦合185
8.4.1SDPH與DEM之間算法的轉化185
8.4.2SDPH粒子與DEM粒子之間作用力傳遞186
8.5顆粒介質全相態模擬的SDPHDEM耦合方法流程圖187
8.6三維水平表面單側顆粒堆坍塌過程數值驗證189
8.7三維傾斜表面單側顆粒堆坍塌過程數值驗證194
8.8三維水平表面圓柱形顆粒堆坍塌過程數值模擬197
8.9小結205
參考文獻206
第9章液體顆粒兩相流模擬的SPHSDPHDEM耦合方法
9.1引言208
9.2求解雙流體模型中連續相的SPH方法209
9.3SPHSDPHDEM耦合框架及算法流程211
9.3.1SPHSDPHDEM耦合框架211
9.3.2SPHSDPHDEM耦合算法流程211
9.4潰壩侵蝕顆粒床層過程數值模擬214
9.5小結216
參考文獻216
第10章顆粒介質邊界力施加方法
10.1引言218
10.2顆粒介質邊界力分解218
10.3基于罰函數的SDPH邊界法向力施加方法219
10.3.1基于Galerkin加權余量法的排斥力模型219
10.3.2基于罰函數的非滑移邊界施加方法221
10.4基于勢函數的SDPH邊界法向力施加方法223
10.5基于邊界粒子動態生成技術的SDPH邊界法向力施加方法224
10.6基于虛粒子方法的SDPH固壁邊界法向力施加方法226
10.6.1流體固壁作用方程226
10.6.2虛粒子物理量求解227
10.7顆粒介質的切向邊界力施加模型228
10.7.1摩擦模型228
10.7.2Voellmy模型228
10.8小結229
參考文獻229
第11章顆粒介質全相態理論及方法在工程中的應用
11.1引言231
11.2在航空航天動力系統中的應用231
11.2.1航空發動機渦輪葉片前緣模型顆粒沉積數值模擬研究231
11.2.2航空發動機燃油霧化問題數值模擬242
11.2.3固體火箭發動機尾噴管受顆粒流侵蝕過程數值模擬247
11.3在工業工程中的應用253
11.3.1磨料射流切割HTPB固體推進劑過程數值模擬253
11.3.2噴動流化床流化過程數值模擬262
11.4在沖擊動力學領域內的應用268
11.4.1球形彈丸侵徹土體過程數值模擬271
11.4.2細長體彈丸侵徹土體過程數值模擬276
11.4.325mm子彈侵徹土體彈跳過程數值模擬280
11.5在地質災害預防領域內的應用284
11.5.1滑槽液固兩相流動過程數值模擬285
11.5.2滑槽鏟刮過程數值模擬287
11.5.3滑槽模擬堵江潰壩過程數值模擬298
11.5.4高位遠程滑坡運動過程數值模擬301
11.6小結304
參考文獻305
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顆粒介質全相態理論及數值實現 節選
第1章緒論 1.1顆粒介質問題研究的重要性 顆粒介質的運動問題是與我們日常生活息息相關的一大類科學問題，例如在航空航天動力系統中的顆粒的流動給發動機結構造成不同程度的破壞（航空發動機壓氣機內異物沖蝕過程、燃燒室內霧化液滴在壁面附近的燒蝕過程、渦輪葉片上形成積灰與堵塞氣膜孔問題等；艦用燃氣輪機內鹽霧的沉積與腐蝕；固體火箭發動機內的鋁顆粒燃燒產物對噴管的沖蝕等）；在自然界中發生的滑坡、泥石流、火山碎屑灰沉降等給人類的生命和家園造成了嚴重的破壞；在工業上很多加工過程都涉及顆粒的輸運和堆積（鍋爐中煤粉的輸運、食品加工中原料粉末的輸運與黏結、藥品加工中藥物顆粒生成與包覆等）；另外，外星球表面地貌的形成原因，甚至社會科學中的諸多問題如人流問題、車流問題、復雜系統科學問題等均涉及顆粒介質的運動過程。因此，建立顆粒介質運動的宏觀預測理論一直是物理學領域的一個重要目標，2015年，Science將顆粒介質力學行為的通用理論模型（普適本構方程）定為人類未解決的125個科學難題之一。2021年，Science又發布了新版的125個科學難題，其中“集體運動的基本原理是什么？”這一問題與顆粒介質群體運動行為原理具有理論相通性。本書主要針對這一科學難題，提出一種描述顆粒介質全相態的物理模型和數值模擬方法，為預測顆粒介質的運動規律提供一條新的有效的途徑。本書中顆粒的類固、類液、類氣行為均是針對顆粒群體運動而言。 顆粒介質作為一種由介觀離散顆粒組成的宏觀無定形態物質，根據顆粒體的體積分數不同和載荷作用條件不同表現出一些不同的行為特征［14］，如類固體行為、類液體行為、類氣體行為以及幾乎不受其他顆粒約束的慣性運動行為等。同時，在實際顆粒介質運動過程中，這些行為特征不是以單獨某一種狀態存在的，而是多種狀態同時存在，并且不同狀態之間頻繁地發生著相互轉化。 首先，以航空發動機壓氣機或渦輪內葉片表面存在的積灰問題為例進行分析，灰塵顆粒在氣流的裹挾作用下進入發動機內流場中，這時的顆粒處于稀疏的類氣態甚至是超稀疏慣性運動狀態，顆粒間相互作用以瞬時的二體碰撞為主；隨著顆粒受到壁面附近渦流的影響或壁面的黏附作用，顆粒在壁面附近產生團聚，并逐漸在壁面上堆積，這時顆粒間的作用方式逐漸轉變為長時接觸，顆粒堆集體在壁面附近發生緩慢的蠕動，表現出類液體行為；隨著流場中的顆粒繼續向壁面沉積，顆粒堆厚度逐漸增加，顆粒的蠕動逐漸消失，顆粒間處于完全接觸狀態，力鏈增長，整體表現出固體結構的行為，運動非常緩慢，在受力屈服的過程中會形成剪切帶，應力狀態也表現出率無關性。 然后，以航空發動機燃燒室內燃油霧化過程為例進行分析闡述，航空燃油在油箱和管路中以連續的流體狀態儲存，遵循流體力學定律，其經過噴嘴加壓后噴向空間中形成液膜、液絲再到液滴，燃油在霧化形成液滴前可等效為顆粒體的類固態，只不過這種類固態與固體顆粒的類固態不同之處在于它在表面上具有一定的能量（表面張力）。連續的燃油液體經過噴嘴形成一定的液膜形狀，在液膜的邊緣受到自身慣性、黏性、表面張力以及氣動力的剪切作用而發生失穩破壞，形成大量的液滴顆粒體，等效為由類固態轉變為類液態，顆粒的運動遵循類液體運動規律，液滴與周圍的多個液滴之間均存在碰撞和剪切作用；隨著液霧在空間中的擴散，液滴的體積分數逐漸減小，同時也由濃密液霧轉變為稀疏液霧，液滴之間的碰撞不再遵循長時接觸，而是以兩兩液滴碰撞為主，液滴群也由類液態轉變為類氣態；當液滴繼續在空間中彌散，液滴體積分數繼續減小，小到一定數值后，其與其他液滴間的碰撞作用不再明顯，這時便表征液滴相轉變為慣性態。 *后，以地質災害領域內的滑坡問題為例進行相態分析，對于一個高位遠程滑坡問題來說，滑體是由很多碎石顆粒組成的，滑體在發生滑動之前以類固態形式存在，其在山坡上保持靜止狀態；在地震、臺風、降雨等惡劣外界條件下，滑體底部截面發生失穩破壞，整個滑體開始向山下運動，在運動的過程中受到周圍山體的碰撞作用發生解體破壞，開始以類液態的形式運動；隨著運動距離的增加，勢能更多地轉化為滑體的動能，碎石之間的相互碰撞作用逐漸增強，多顆粒長時長程接觸作用逐漸減弱，滑體的體積開始膨脹，碎石之間逐漸以兩兩碰撞為主，轉化為類氣態形式運動；隨著運動距離的進一步增加，處于滑體運動邊緣的碎石由于受到周圍山體和主滑體的束縛較小，其運動更加劇烈，運動的范圍更廣，與其他碎石之間的碰撞很少發生，這時這一部分碎石轉化為以慣性態形式運動。 由此，我們可以發現一種自然現象或一個工業過程的發生，往往是伴隨著顆粒介質的多個運動狀態甚至是全部運動狀態存在的，很少以單一運動狀態存在。針對以上提到的顆粒介質不同相態問題，已經提出了大量的理論來描述不同相態下的力學行為。但當涉及不同相態的物質共存時，現有的理論并未獲得較好的結果。對于跨越顆粒類固態、顆粒類液態、顆粒類氣態和顆粒慣性態四種相態的顆粒介質統一理論，仍然是尚在討論之中的問題。因此，建立顆粒介質運動的全相態物理理論與數值模擬方法對于解決實際問題具有重要的意義。 1.2認識顆粒介質及其多相態性 1.2.1顆粒介質 顆粒介質通常是指由尺寸大于1μm的顆粒組成的宏觀體系。當顆粒尺度小于1μm時，熱運動即布朗運動會有重要影響，若顆粒尺度更小，微觀相互作用則起主要作用。因此，這些小尺度顆粒的運動規律與宏觀顆粒不同。對于宏觀顆粒，經典力學可以給出單個顆粒運動狀態的精確解，然而，大量顆粒組成的體系具有特別的性質和運動規律。有研究表明，地球上一半以上的生產活動都會涉及顆粒介質。可以說，顆粒介質是地球上存在*多、*為人們所熟悉的物質類型之一。 顆粒介質根據顆粒自身狀態的不同，又可以分為固體顆粒、液體顆粒（液滴）、氣體顆粒（氣泡），由此組成了不同種類的顆粒介質，如化工領域中的粉末顆粒形成的氣固兩相流、動力系統中液霧顆粒形成的氣液兩相流、海洋領域中大量氣泡形成的液氣兩相流、自然災害領域中由碎石泥土（泥石流）形成的液固兩相流等。不論是哪種顆粒體，由于顆粒介質的短程無序、長程有序的結構形態特點，顆粒體在宏觀上都表現出一些共同的性質，如渦旋結構、射流錐角結構、堆積體結構等。 由于實際中的每個顆粒都具有自身的物質屬性和運動屬性，每個顆粒都可以看成是一個獨立的子系統，而實際工程中顆粒的數量往往是巨大的，由單顆粒組成的顆粒介質則構成了一個復雜的巨系統，系統內部子系統之間存在著復雜的相互作用，不僅整體表現出一些特殊的行為，同時局部區域上表現出來的現象還千差萬別，因此，對這一系統進行準確描述將是一項非常具有挑戰性的課題。 1.2.2顆粒介質的性質 顆粒介質具有以下性質： （1）顆粒介質具有跨尺度特征。從宏觀來看顆粒介質整體表現出來的是宏觀尺度特征，顆粒體表現出一些宏觀力學行為；從單個顆粒來看，每個顆粒表現出來的是介觀尺度特征，顆粒顆粒之間存在著相互作用力；再進一步從顆粒內部來看，顆粒內部分子的熱運動使單顆粒具有一定的力學性質，但是該力學性質不是產生顆粒宏觀流動現象的本質，同時顆粒之間雖然通過摩擦生熱將一部分能量轉換到顆粒內部影響內部分子的微觀運動，但作為一個顆粒流整體，這部分的微觀運動很難影響到整體顆粒形態。因此，本書中忽略顆粒內部分子的熱運動。 （2）顆粒介質具有區別于通常的連續介質的特征。通常的連續介質從宏觀到微觀主要包括兩個層次： 宏觀的連續介質力學尺度和微觀的分子動力學尺度；而對于顆粒介質更精確來說應該包括三個層次： 宏觀的連續介質力學尺度、介觀的顆粒動力學尺度以及微觀的分子動力學尺度，這三個層次之間是一種逐層過渡的關系而不具有跨越層次之間的關系。例如，宏觀的顆粒流介質遵循一定的連續介質力學定律，其主要是受到介觀尺度的顆粒動力學影響，包括顆粒與顆粒之間的碰撞、黏結、摩擦等，而與微觀尺度的分子動力學不具有直接的影響關系；微觀分子動力學直接影響的是單顆粒的力學性質，如剛度、脆性表面形態等，通過這些參量間接影響顆粒介質的宏觀特性。然而，顆粒介質在介觀存在的一些現象可類比于微觀分子動力學中分子間存在的現象，類似于宏觀的氣體動力學是由微觀的氣體分子之間的碰撞作用所決定的，微觀分子熱運動越劇烈，宏觀氣體溫度越高，壓力越大；介觀顆粒之間的碰撞作用越明顯，宏觀顆粒流表現出來的壓力也越大。 雖然顆粒介質如上述闡述的那樣可以根據不同層次結構進行研究，但是顆粒介質的宏觀運動和介觀尺度之間缺乏明顯的尺度分離，例如顆粒介質在失穩破壞發生流動的過程中，剪切帶的尺度僅為數十個顆粒粒徑；顆粒介質破壞后的部分顆粒運動劇烈，脫離主流運動，呈現出顆粒介觀的動力學行為，與宏觀尺度無法有效區分。 （3）顆粒介質的多相態特征。作為一種由介觀離散顆粒組成的宏觀無定形物質，根據顆粒的體積分數不同和載荷作用條件不同會表現出一些不同的行為特征。例如顆粒體在堆積狀態時，整體表現出固體結構的行為，運動非常緩慢，在屈服的過程中會形成剪切帶，應力也表現出率無關狀態；當顆粒堆積過程中承受的等效剪應力與等效體應力的比值超過材料閾值時，顆粒介質發生塑性流動，類似于液體流動的行為，表現出液體之間的黏性剪切作用；當顆粒之間運動的速度梯度繼續加大，顆粒體積分數減小，不再等價于不可壓縮狀態時，顆粒與顆粒之間的相互作用力也不再遵循多顆粒接觸假設，而以頻繁的二體碰撞為主，碰撞速度相互獨立，應力表現為剪切速率的二次函數，這時的顆粒流表現出類似氣體運動的行為；當顆粒的體積分數繼續減小，顆粒間的二體碰撞假設也不再滿足，顆粒間碰撞的概率已經非常小，顆粒以受到的體力作用和外部流場作用為主，這時從尺度上來說顆粒屬于介觀尺度范圍，不再遵循類液體的連續介質力學定律，因此不適用于以上三種狀態描述，我們稱這種狀態為慣性態，遵循質點動力學運動定律。 本書主要從第三個特征角度進行分析研究。 1.2.3顆粒介質問題所涉及的領域 顆粒介質滲透在人們的日常生活、工業工程、生態環境等各個方面，它與提高人類的生活水平、發展國民經濟密切相關。這里專列一節進行詳細描述以期對各領域內的顆粒介質問題有一個深入系統的認識。 （1）航空發動機領域：航空發動機環境適應性問題中涉及沙塵空氣吸入、冰雹侵入、水霧吸入、含鹽水分侵蝕、酸性液霧腐蝕、嚴寒冰塊吸入以及其他外來異物侵入等；航空發動機燃燒室內液霧的形成、液霧與壁面的碰撞以及液霧蒸發燃燒過程；航空發動機渦輪內微細小顆粒的沉積及其對換熱特性的影響；航空發動機燃燒室內噴霧火焰的碳煙顆粒生成問題；航空發動機潤滑系統中油滴與壁面的相互作用等。 （2）火箭發動機領域：固體火箭發動機鋁粉顆粒的聚集、燃燒、流動、沉積以及對噴管喉部的沖蝕等；固體推進劑中高氯酸銨顆粒的承載、燃燒等問題；固體火箭發動機含顆粒的羽煙狀尾流的紅外輻射問題；液體火箭發動機內的推進劑霧化與燃燒；液體火箭發動機的氣體液滴兩相羽流場問題；高能量密度液體火箭發動機內鋁粉顆粒與推進劑組成的液體顆粒兩相流問題等。 （3）智能制造領域：研磨機造粒系統、氣粒兩相流造粒系統、均質機系統等設備內粉體的制備過程；含能材料中金屬鋁粉的制備；增材制造中的噴粉、鋪粉、熔粉、聚合、凝固等過程。 （4）環保領域：大氣環境中PM2.5顆粒的預防和治理；工業除塵設備（袋式除塵、靜電除塵、噴霧除塵、無動力除塵等）內顆粒的運動與沉降；生物質環保材料中顆粒的制備加工；復合污染大氣中二次顆粒物生成和轉化等。 （5）地學領域：給人類財產和生命安全造成重大影響的山體滑坡、泥石流、雪山崩塌、火山噴發與碎屑灰沉降等；沙漠地帶土地的風蝕、沙丘遷移、沙塵暴形成等；滑坡造成的堰塞湖、堵江潰壩、山石沖毀壩體等問題。
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