添加液体后多尺寸球体堆积结构的实验研究

《Powder Technology》：Experimental investigation of the packing structure of multi-sized spheres with liquid addition

本研究通过实验获得多尺寸湿球堆积，并利用协调数、配位函数及Voronoi-Delaunay tessellation分析微观结构，揭示了聚集体、粒子链及异质集群的存在，为考虑毛细力和液体作用的多孔系统模拟提供了数据支持。

　　本研究聚焦于多尺寸湿球颗粒的排列结构，深入探讨了液体对颗粒间相互作用的影响。湿球颗粒的排列是一个复杂的物理过程，其结果不仅取决于颗粒本身的大小和形状，还受到液体的性质以及颗粒之间相互作用力的调控。这些相互作用力包括重力、范德华力以及由于液桥形成而产生的凝聚力。在不同的工业领域，如矿业、材料、制药和化工等行业，多尺寸湿球颗粒的排列具有重要的应用价值。其结构特征直接关系到材料的导电性、渗透性等物理性质，进而影响产品质量和工艺效率。因此，理解并量化这种复杂的微观结构，对于相关领域的研究和工程实践具有重要意义。

为了更全面地研究多尺寸湿球颗粒的排列，本研究采用实验方法获取实际的颗粒排列结构，并结合多种分析技术对其微观特征进行量化研究。其中包括协调数（Coordination Number, CN）、对偶相关函数（Pair Correlation Function, PCF）以及维诺图-德劳内图（Voronoi-Delaunay tessellation）的拓扑与度量特性。这些分析方法能够揭示颗粒排列中的关键特征，如聚集结构、颗粒链以及处于接触与非接触状态的异质颗粒团簇。此外，维诺图和德劳内图的分析还能够揭示颗粒排列中形成的不规则孔隙结构，从而为理解湿球颗粒系统的微观行为提供新的视角。

协调数是一种重要的微观参数，用于衡量特定颗粒周围其他颗粒的数量。在多尺寸湿球颗粒系统中，协调数的变化能够反映出颗粒之间的连接状态和排列密度。通过协调数的分析，可以识别出颗粒之间的紧密接触区域和较为松散的区域，从而揭示颗粒系统的整体结构特征。对偶相关函数则进一步描述了颗粒之间的空间分布关系，能够提供更精确的微观结构信息。在某些情况下，对偶相关函数可以用来量化颗粒系统中不同尺寸颗粒之间的相互作用，进而分析其对整体性能的影响。

维诺图和德劳内图的分析方法为颗粒排列结构的研究提供了独特的视角。维诺图通过将空间划分为不同的区域，能够直观地展示颗粒之间的连接关系，以及整个系统的拓扑结构。这种方法对于量化颗粒系统的连通性具有重要价值，例如在分析有效热导率时，维诺图能够提供关于颗粒间相互作用的详细信息。另一方面，德劳内图则专注于孔隙结构的连通性，能够揭示颗粒系统中孔隙的分布情况及其对孔隙尺度传输现象的影响。这些分析方法不仅能够提供颗粒排列的定量数据，还能够帮助研究人员更深入地理解湿球颗粒系统的微观行为。

在传统的颗粒系统研究中，通常关注的是非凝聚颗粒的排列。然而，湿球颗粒系统由于存在液体，其排列行为更加复杂。液体不仅改变了颗粒之间的相互作用方式，还影响了颗粒的整体排列结构。在湿球颗粒系统中，范德华力和液桥形成的凝聚力是重要的相互作用力，它们在颗粒排列过程中起着关键作用。这些力的强度和分布不仅决定了颗粒的紧密程度，还影响了颗粒系统的整体稳定性。因此，研究湿球颗粒系统的排列需要综合考虑多种因素，包括颗粒的尺寸分布、液体的性质以及颗粒之间的相互作用力。

为了克服传统理论模型在研究湿球颗粒系统时的局限性，近年来研究者们广泛采用了实验和数值模拟相结合的方法。实验方法，如光学显微镜，能够直接观察颗粒的排列结构，为研究提供直观的视觉数据。而数值模拟方法，特别是近年来发展起来的离散元方法（Discrete Element Method, DEM），能够提供更深入的定量分析。DEM通过模拟颗粒之间的相互作用，能够揭示颗粒系统在不同条件下的动态行为，为理解颗粒排列的微观机制提供了有力工具。

在本研究中，实验方法与数值模拟方法相结合，以更全面地研究多尺寸湿球颗粒的排列结构。首先，通过实验获得实际的颗粒排列数据，然后利用多种分析技术对这些数据进行处理和解释。这种方法不仅能够提供准确的微观结构信息，还能够帮助研究人员更深入地理解颗粒排列的物理机制。通过协调数和对偶相关函数的分析，可以识别出颗粒排列中的关键特征，如聚集结构和颗粒链。而维诺图和德劳内图的分析则能够揭示颗粒系统中孔隙结构的分布情况，以及不同尺寸颗粒之间的相互作用。

本研究的结果表明，多尺寸湿球颗粒的排列结构受到多种因素的共同影响。其中，颗粒的尺寸分布、液体的性质以及颗粒之间的相互作用力是决定颗粒排列的关键因素。通过实验和分析技术的结合，研究人员能够更准确地描述颗粒排列的微观特征，并揭示其对整体性能的影响。此外，本研究还发现，湿球颗粒系统中存在异质颗粒团簇，这些团簇在接触和非接触状态下表现出不同的结构特征。这表明，颗粒排列的复杂性不仅来自于颗粒的尺寸差异，还来自于液体对颗粒之间相互作用的调控。

本研究的成果对于进一步发展和优化模拟方法具有重要意义。目前，许多模拟方法在研究湿球颗粒系统时，主要关注的是单尺寸颗粒的情况。然而，实际应用中，颗粒系统往往具有复杂的尺寸分布，因此需要更全面的模拟方法来准确描述多尺寸湿球颗粒的排列行为。通过本研究提供的实验数据和分析方法，研究人员可以更准确地理解多尺寸湿球颗粒系统的微观结构，并为开发更高效的模拟方法提供依据。此外，这些研究结果还能够帮助研究人员更深入地探讨湿球颗粒系统中液桥形成对颗粒排列的影响，以及液体在颗粒系统中可能产生的其他物理效应。

在实验过程中，研究人员首先进行了混合、排列和测量三个主要步骤。混合阶段通过手动操作确保液体均匀分布在颗粒之间，从而形成稳定的湿球颗粒系统。排列阶段则通过将混合后的颗粒液系统缓慢倒入预校准的容器中，以获得均匀的颗粒排列结构。测量阶段则通过多种分析技术对颗粒排列进行量化研究。这些分析技术包括协调数、对偶相关函数以及维诺图和德劳内图的拓扑与度量特性。通过这些方法，研究人员能够准确地描述颗粒排列的微观特征，并揭示其对整体性能的影响。

在研究过程中，研究人员发现，随着液体含量的增加，颗粒系统的干基孔隙率呈现出先上升后趋于稳定，再下降的趋势。这一趋势表明，液体在颗粒系统中起到了调节颗粒排列的作用。在较低的液体含量时，颗粒之间的相互作用力较强，导致颗粒排列较为紧密，从而减少孔隙率。随着液体含量的增加，颗粒之间的相互作用力逐渐减弱，颗粒排列趋于松散，孔隙率随之上升。然而，当液体含量进一步增加时，颗粒之间的相互作用力再次增强，导致颗粒排列更加紧密，孔隙率下降。这一现象表明，液体含量与颗粒排列之间存在复杂的相互作用关系，需要进一步研究以揭示其背后的物理机制。

此外，本研究还发现，维诺图和德劳内图的分析方法能够揭示颗粒排列中的不规则孔隙结构。这些孔隙结构的分布情况不仅影响了颗粒系统的连通性，还可能对颗粒系统的传输性能产生重要影响。通过维诺图的分析，研究人员能够识别出颗粒系统中不同尺寸颗粒之间的连接关系，以及整个系统的拓扑结构。而德劳内图的分析则能够揭示颗粒系统中孔隙的分布情况，以及孔隙之间的连通性。这些分析方法为研究湿球颗粒系统的微观结构提供了新的工具，同时也为开发更高效的模拟方法提供了依据。

在实验过程中，研究人员还发现，多尺寸湿球颗粒的排列结构中存在明显的聚集现象。这些聚集现象不仅影响了颗粒系统的整体结构，还可能对颗粒系统的物理性能产生重要影响。通过协调数和对偶相关函数的分析，研究人员能够识别出这些聚集现象，并量化其对颗粒系统的影响。此外，维诺图和德劳内图的分析方法还能够揭示颗粒系统中颗粒链的形成情况，以及这些链对颗粒系统整体性能的影响。这些发现表明，多尺寸湿球颗粒的排列结构具有高度的复杂性，需要综合多种分析方法才能全面理解其微观特征。

综上所述，本研究通过实验和多种分析技术的结合，对多尺寸湿球颗粒的排列结构进行了深入研究。研究结果表明，多尺寸湿球颗粒的排列受到多种因素的共同影响，包括颗粒的尺寸分布、液体的性质以及颗粒之间的相互作用力。通过协调数、对偶相关函数以及维诺图和德劳内图的分析，研究人员能够准确地描述颗粒排列的微观特征，并揭示其对整体性能的影响。这些研究成果不仅有助于理解湿球颗粒系统的微观行为，还为开发更高效的模拟方法提供了依据，从而推动相关领域的研究和工程实践。