《范德華力和靜電力作用下細顆粒沉積和聚集動力學研究》是依託清華大學，由李水清擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：范德華力和靜電力作用下細顆粒沉積和聚集動力學研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：李水清
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目採用原子力顯微鏡測量范德華力或靜電力作用下單個細顆粒與固體表面間的力-位移曲線，發展了適用於短程內顆粒間或顆粒-表面間相互黏附作用的E-JKR模型；進而，基於邊界元方法和鏡像理論形成顆粒鄰近電場的計算，並與多極展開方法耦合實現顆粒間長程靜電力的計算模型，並結合短程內顆粒黏附作用模型及相應能量耗散、摩擦阻力模型形成長-短程通用的多顆粒離散元動力學模擬(DEM)；最後，在小雷諾數過濾流場下發展包含流體特徵尺度、顆粒平流尺度和顆粒接觸尺度的多尺度方法，從而將DEM成功地用於中性或荷電細顆粒沉積和聚集的動態模擬，並由單纖維細顆粒沉積的微觀測量實驗進行驗證。. 本項目從多相流顆粒相動力學出發，結合了表面物理、靜電學和接觸力學等交叉知識，不僅建立了靜電力和范德華力作用下細顆粒離散元動力學方法(DEM)，而且也奠定了彌散稀相流中細顆粒沉積、聚集乃至控制技術的理論基礎。
結題摘要
本項目採用原子力顯微鏡在不同靜電條件下測量顆粒與表面間的力-位移曲線，定量比較了范德華力和靜電力在顆粒粘附接觸中長程和短程效應，建立了長-短程連貫的顆粒之間或顆粒-表面間作用的JKR動力學模型。進而在靜態接觸的JKR模型基礎上，考慮碰撞中的首次接觸能量損失和粘彈性阻尼耗散，建立了動態粘附碰撞的動力學模型。本模型與前人工作相比具有更為清晰可靠的物理意義，基於模型的動力學模擬可精確預測顆粒的粘附與反彈。靜電作用的長程性和誘導性，在處理大量顆粒間及顆粒-表面間的靜電作用時，導致巨大計算量和低精度。我們採用場論的思想，首次解決了這一國際性難題。首先基於邊界元方法（BEM）實現了巨觀物體和邊界的靜電場求解，並引入鏡像理論對小尺度帶來的精度問題進行修正。其次，發展了顆粒間靜電作用的快速多級展開方法(FM)，保證高精度的同時，將計算量由O(N2)降低至Nlog(N)。改進的BEM與FM方法結合，形成了顆粒與電場相互作用的高效計算模型，實現了巨觀物體電場的求解以及顆粒間靜電作用的準確快速計算。結合短程的動態粘附碰撞模型、長程多極展開-邊界元(FM-BEM)模型，採用多時間尺度的框架，建立了多場耦合的離散細顆粒動力學方法。本研究將顆粒動力學從毫米大顆粒尺度拓展到了亞微米細顆粒尺度，並實現了粘性流場、靜電場等多場的耦合，受到了國際上的重視。相關工作發表在能源燃燒領域最高期刊Progress in Energy and Combustion Science上，並繼而被劍橋出版社邀請撰寫相關專著。基於顆粒動力學方法，研究了沉積量對顆粒過濾影響、顆粒沉積中的粘附與反彈機理、荷電和極化對顆粒沉積影響等課題，並進行了實驗驗證，相關工作形成了粘附顆粒模型領域知名學者Thornton博士的榮退紀念論文，發表在Powder Technology專刊上。另外，研究中對控制細顆粒的電簾技術、靜電場中顆粒堆積以及濕式電除塵的液橋粘附等問題進行了拓展研究。本項目基於一種創新的、學科交叉的思路建立了多場離散細顆粒動力學方法，為彌散稀相流中細顆粒沉積、聚集乃至控制技術提供了理論基礎。在2011年工程熱物理年會多相流學術會議和自然基金項目進展研討會上，本項目作為優秀項目被遴選出進行了口頭匯報。特別是，一些論文成果發表都是國際顆粒動力學領域具有研究歷史節點的代表性論文。
