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二十世纪80年代,人们对多相流的研究开始从稀相(低颗粒浓度)流动向密相(高颗粒浓度)流动发展,并在稀相流动研究的基础上,建立了密相流动的物理模型和基本方程。Savage等首先在类比稠密气体分子运动理论的基础上,研究了稠密颗粒流问题。随后许多研究者,如Campbell、Lun等进行了一系列的研究工作,初步建立了颗粒动理学(KTGF)的理论体系.Sinclair等首先将颗粒动理学理论应用于充分发展的管内流动.Ding和Gidaspow发展完善了颗粒动理学理论。
该理论的重要基础之一是提出了颗粒温度,它直接类比气体分子温度,其定义为:θ=1/3,其中C为颗粒脉动速度。颗粒温度是颗粒脉动速度(强度)的量度。通过建立颗粒温度和反映颗粒宏观流动性质的颗粒相粘度、压力、扩散系数等参数之间的本构关系式,从而将单个颗粒的微观小尺度脉动行为与大量颗粒所表现的宏观流动规律之间的关系,实现了颗粒动量方程的封闭.因此,基于微观单颗粒分析的动理学方法,不仅能够提供单颗粒尺度上的微观信息,还可以通过对颗粒运动信息的统计平均,导出颗粒相连续介质形式的守恒型方程,并提供相应的宏观输运系数。
颗粒动理学描述问题实质上就是在一定的外力作用下,对颗粒速度分布函数f的求解和对这些未知物理量的确定。一旦微观的颗粒速度分布函数f已知,颗粒相运动的微观和宏观信息均可获得.在流化床内,采用数码摄像技术,测量颗粒速度分布。结果表明颗粒速度服从正态分布,同时颗粒速度脉动呈现各向异性。
颗粒温度反映因颗粒碰撞而引起的颗粒速度脉动.采用数码摄像技术,测量提升管内颗粒速度分布,获得颗粒温度分布。颗粒温度随着颗粒浓度增加,达到最大值后,逐渐下降.表明在低颗粒浓度下,颗粒温度随颗粒浓度而增加；而在高颗粒浓度下,颗粒温度随颗粒浓度增加而降低.当颗粒浓度接近于颗粒堆积时,颗粒温度趣于零.
颗粒的应力张量项包含了颗粒碰撞时产生的法向应力(颗粒压力)和切向应力(颗粒粘性)。颗粒碰撞压力是固体颗粒以一定运动速度撞击颗粒表面而产生的。颗粒的碰撞压力是直接与颗粒流的动量传递速率(即动量通量)等密切相关.在循环流化床提升管内,采用数码摄像技术、颗粒压力传感器和x-射线密度计,测量颗粒速度脉动和颗粒压力,发现颗粒压力随着颗粒浓度而增加。证明在低颗粒浓度下,固体颗粒压力与颗粒温度和颗粒浓度之间的关系服从类似理想气体的定律.说明颗粒相流动过程与气体分子热力学存在类比的关系.
颗粒脉动动能因颗粒有效剪切压力而产生,因颗粒间非弹性碰撞而耗散,因颗粒温度梯度而传递.颗粒粘度可以通过以下方法获得:(1)通过颗粒径向速度分布和颗粒浓度分布,有颗粒动量守恒方程确定颗粒粘度；(2)通过测量颗粒温度计算颗粒粘度；(3)通过流变仪测量颗粒粘度。在循环流化床内采用上述三种方法,实验研究颗粒粘度,结果表明颗粒粘度随着颗粒浓度而增加。在低颗粒浓度下,颗粒温度与颗粒浓度的2/3次成正比,与颗粒动理学相吻合.
颗粒径向分布函数的物理意义是:与一指定颗粒相距r处,颗粒的局部数密度与平均数密度之比。它具有坚实的统计力学基础。在热力学中,借助系综理论,径向分布函数能够与流体的热力学函数及状态方程关联,通过它可以从理论上研究热力学性质和状态方程。所以径向分布函数既可以用来研究物质的有序性,也可以用来描述流体的相关性。采用数码摄像技术,测量提升管和流化床内颗粒瞬时位置分布,获得了颗粒径向分布函数,结果表明采用Bagnold模型是合理的。
根据对气固流动层流或湍流表达的不同,目前应用颗粒相动力学理论的气固两相模型可主要分为三个类别:层流(气)+层流(固)；湍流+层流；湍流+湍流.颗粒流的根本共性包括两个重要的方面:(1)颗粒相互作用以摩擦力为主,为准静态颗粒流；(2)颗粒体系为能量耗散体系,体系以非弹性碰撞为主.颗粒流存在两种极限流动状态,但在大部分情况下两种状态将共处于同一颗粒系统中。因此需要将颗粒动理学模型与摩擦塑性模型有机结合.建立的理论模型推广于喷动床内气体颗粒流动的预测,结果表明理论计算与实验结果相一致.同时表明在提升管内颗粒摩擦的贡献可以忽略不计.
基于气体分子运动理论和颗粒动理学方法,建立多组分颗粒气固两相流等温流动模型。模型考虑了颗粒相各组分颗粒温度的差异、气相与颗粒相以及颗粒相各组分之间的动量和能量的传递和耗散,以及相间作用。建立颗粒相粘性系数、颗粒相压力等物性参数计算模型。模拟计算颗粒相浓度、粒径分布等参数与实测值相吻合.
粘附性颗粒由于颗粒表面之间的复杂作用力,导致颗粒碰撞过程中出现颗粒粘结聚团.粘附性颗粒的聚团改变了单颗粒碰撞动力学以及颗粒相压力、枯性系数等输运特性。基于气体分子运动论和颗粒动理学,建立粘附性颗粒气固两相湍流流动模型。模型考虑了气相与颗粒聚团之间以及颗粒聚闭之间的动量和能量的传递和耗散,建立粘附性颗粒固相粘性系数、颗粒压力等物性参数计算模型。模拟计算与实验结果相吻合.