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混凝过程中颗粒分形凝聚生长的计算机模拟研究

杨晓飞  
【摘要】: 混凝现象自身的无序性以及混凝过程中形成的颗粒凝聚体的复杂随机结构,为分形理论和蒙特卡罗方法的应用提供了广阔的空间,而计算机作为一种重要工具在混凝模型与模拟研究中发挥了重要作用,大多数重要模型都是借助计算机模拟建立和实现的。本文采用VB语言编写多分散团簇-团簇凝聚的数值模拟程序,利用该程序在各种初始条件下对DLCA和RLCA生长过程进行了数值模拟,通过对模拟结果的分析,考察了小粒度颗粒凝聚体的结构特征、变化规律以及对初始颗粒浓度和粘结概率的依赖性;在此基础上,将蒙特卡罗方法与有规分形的生成方法结合,得到一种构建包含较大颗粒数目凝聚体的简单方法:随机凝聚体的自相似迭代,并对迭代结果进行了简单测试,为探讨分形凝聚理论及其在混凝研究中的应用提供基础理论依据。主要结论如下: 包含原始颗粒数100~500的小粒度DLCA凝聚体结构已具备明显分形特征,其分形维数对模拟初始颗粒浓度具有较强的依赖性,当浓度超过0.03(颗粒/网格)时,凝聚体结构偏离分形标度;通过Rg-N幂律关系拟和测算的二、三维凝聚体分形维数的范围分别为1.45~1.52和1.80~1.99;凝聚体的颗粒-颗粒相关函数符合拉伸指数的幂律形式,采用该关系拟和模拟数据得到的分形维数值略低于Rg-N幂律关系拟和的测算值。 DLCA凝聚过程开始较长一段时间内,平均团簇粒度随时间变化表现为指数增长,后期达到稳定的幂律增长阶段,凝聚结束点附近,平均团簇粒度急剧上升至最大值。 RLCA模拟形成的颗粒凝聚体的形态结构对粘结概率具有较强依赖性,包裹半径和回转半径随粘结概率的增大(0.1~1)表现出近似一致的幂律增长趋势,二者的比值在波动中呈下降趋势;凝聚时间随粘结概率增加呈幂律下降趋势。 对二维DLCA分形凝聚体进行自相似迭代,凝聚体中颗粒数目按Nn增长;随机分形凝聚体的各向异性导致自相似迭代凝聚体中的颗粒发生一定程度的离散,其分形维数值比原凝聚体分形维数值略有下降。


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