柔性非规则颗粒流动摩擦特性的离散元研究：基于刚度与长径比对颗粒流本构模型的优化

《Powder Technology》：DEM study on influence of shape and stiffness on friction characteristics of flexible irregular particle flows

本文采用离散元法（DEM）研究柔性非规则颗粒的摩擦特性，通过分析颗粒刚度与长径比（Ar）对内摩擦角（φ）的耦合影响，构建了能够提升颗粒流动力学理论（KTGF）精度的预测关联式。研究成果为复杂颗粒体系的本构模型优化提供了新思路，在废弃轮胎、锂电池回收等工程领域具有重要应用价值。

　　

Section snippets

Discrete element method

离散元法（DEM）是处理复杂多颗粒体系的数值工具，其中每个颗粒的运动都会受到邻近接触颗粒的影响。当作用在颗粒i上的合力F_i（来自其他颗粒、边界或长程力）已知时，可通过牛顿第二定律对平动和转动自由度进行积分来计算颗粒运动：

$m_i{a}_i=F_i+m_{i}g$

$\frac{I_{}}{}$

Numerical results

Jenike剪切仪被成功用于测量不同颗粒类型的流动阻力，本文采用该装置探究杨氏模量（E）和长径比（Ar）对柔性非规则颗粒内摩擦角（φ）的影响。如图2所示，剪切仪由高度19 mm的底部圆环和高度24 mm的顶部圆环组成。数值结果表明：颗粒刚度增加会导致内摩擦角增大（因流动性降低），且刚度与Ar的协同效应显著——刚度较高时Ar对φ的影响更为突出。

Numerical model and model verification

基于Ar与E对φ的耦合影响分析，成功构建了柔性非规则颗粒的φ预测关联式。为验证其可靠性，设计转鼓案例研究：分别采用DEM和经本研究改进的双流体模型（TFM）进行模拟。对比结果表明，当前预测关联式显著提升了复杂颗粒流本构模型的准确性。

Conclusions

本研究通过DEM量化了颗粒Ar和刚度对摩擦特性的影响，所建预测关联式经转鼓案例验证具有较高精度。主要发现包括：颗粒刚度通过降低流动性使φ增大；Ar对φ的影响随刚度提升而加剧。该研究为增强KTGF在复杂颗粒流中的应用能力提供了新途径。