颗粒-颗粒接触力的热力学模型

以颗粒二体接触力模型为基础和出发点的软球离散元模拟是当前颗粒物理和力学领域广泛应用的研究手段.但文献上经常使用的、包括著名的Hertz-Mindlin和Luding在内的力模型并没有完全明确弹性势能或耗散热的计算方法,故从热力学层面看它们还需要完善.考虑到机械能的耗散行为是这类材料的重要物理内容,本文借鉴近年来提出的颗粒固体流体动力学(GSH)思路,提出一种具有明确势能和热功率的接触力建模方法.该理论除明确给出了机械能和热能的计算公式外,还能具体描述能量守恒、热力学平衡态和熵增加等基本原理,解决了传统接触力模型在这些方面的欠缺问题.初步计算显示本文模型的恢复系数可以随碰撞速率的增加而减弱,这比现有的其他模型更符合实验观测.虽然为简单起见这些公式仅局限于二维和忽略颗粒转动运动情况,文中讨论了如何推广到三维含转动情形,以及所涉及的滚动和扭转接触力的热力学处理问题.鉴于是否在Onsager非平衡热力学基础上建模是本文给出的接触力公式有别于当前其他模型的关键所在,文中强调了这里的主要建模对象应该是热力学特征函数和Onsager迁移系数,而接触力是它们的推导结果.这是一个与目前直接针对接触力进行建模的不同思路.文中对颗粒物质特有的、反映样品几何变形与弹应变之间联络的一个非对角迁移系数做了详细介绍,并且认为它与打滑等复杂力学现象关系密切,无论宏观GSH尺度上,还是细观接触力尺度上都不可忽略.