颗粒形状对颗粒材料孔结构及渗透性的影响

《European Journal of Environmental and Civil Engineering》：Effect of particle shape on the pore structure and permeability of granular materials

本研究通过离散元法生成不同形状颗粒的体素化模型，分析孔隙率与颗粒球形度对多孔材料渗透率、比表面积及液压 tortuosity 的影响，验证修正Kozeny-Carman方程的有效性。

　　

摘要

颗粒形状是影响颗粒材料孔结构和渗透性的关键因素。本研究通过孔隙尺度分析来探讨颗粒形状对这些特性的影响。利用离散元方法（DEM）生成了一系列具有不同颗粒形状的几何样品，包括四面体、立方体、八面体、二十面体和球形颗粒。通过孔隙尺度流动模拟，基于体素化模型计算了颗粒材料的渗透性。研究结果表明，孔隙率和颗粒形状显著影响了颗粒材料的孔隙结构及颗粒间的流动路径。在给定孔隙率条件下，球形颗粒样品的渗透性最高，其次是二十面体、八面体、立方体和四面体颗粒。颗粒材料的比表面积和流体迂曲度也明显受到孔隙率和颗粒形状的影响，这些参数可以表示为孔隙率和颗粒球形度的函数。所有颗粒形状的渗透率均存在各向异性，其范围在1.0到1.4之间。此外，通过引入基于颗粒球形度平方根的修正因子，验证了Kozeny-Carman方程对不同颗粒形状样品的适用性。