基于宏观分形理论的粉状自生长层实时高分辨率表面形貌重构方法研究

本文提出一种基于分形理论的创新方法，用于动态重构粉状沉积层（powdery layer）的高分辨率表面形貌。通过离散元模拟（DEM）提取基底/粗糙度分形特征，结合盒计数法（Box-counting）与轮廓波变换（Contourlet），实现从低分辨率到亚颗粒级精度的表面重构。研究揭示了粉层孔隙率与厚度/粒径的内在关联，验证了分形维度（2.3-3.0）对微结构特征的描述优势，为工业锅炉/冷喷涂等领域的颗粒-壁面接触动力学研究提供了高效宏观框架。

　　

Highlight

粉状沉积层在煤/生物质锅炉等工业系统中普遍存在，其表面粗糙度的多尺度特性显著影响颗粒碰撞的粘附、反弹和破碎行为。传统离散元模拟（DEM）虽能精确表征表面形貌，但计算成本高昂。本研究突破性地将分形理论引入动态生长的粉层表面重构，通过提取基底与粗糙度分形维度（2.3-3.0），实现低分辨率数据的高精度扩增。

Verification of DEM-generated powdery layer surface

通过80组单颗粒碰撞实验验证表明，DEM生成的粉层表面能准确反映实际异质性特征。如图3所示，反弹角与恢复系数（restitution coefficient）的模拟结果与实验数据高度吻合，证实了表面微结构对碰撞动力学（如非中心碰撞导致44%的系数差异）的关键影响。

Conclusion

本研究建立的宏观分形重构框架，成功克服了欧几里得几何描述粉层微结构的局限性。发现孔隙率主要受粒径和厚度调控，而撞击参数影响微弱。分形插值技术可高效生成含微观细节的高分辨率剖面，为工业级粉层接触行为研究提供了新范式。

CRediT authorship contribution statement

董云山：研究构思与论文审校；刘佳静：数据可视化与初稿撰写；司晓东：数据分析与资源支持；陈龙：实验监督；郭嘉亮：方法验证；周伦：项目指导。

Uncited reference

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Declaration of competing interest

作者声明无利益冲突。

Acknowledgements

感谢教育部能源热转换与控制重点实验室开放基金支持。