水平滚筒内二元颗粒体系径向分离模式的数值模拟研究

发展了考虑法向接触力、切向接触力和力矩、以及滚动摩擦力矩的三维三方程线性弹性-阻尼离散单元模型及计算程序,对薄滚筒内二元S型颗粒体系进行了数值模拟,发现采用本文的数学模型可以准确地预测出滚筒内二元S型颗粒流的分层现象.分析了影响滚筒内颗粒分层的因素,讨论了滚筒转速、颗粒装载率等参数对分层的影响,当转速较高时,滚筒内形成大颗粒在外、小颗粒在内、具有圆形界面的月亮模式,当转速较低时形成具有波浪形界面的花瓣模式,并且随着滚筒转速的逐渐降低,花瓣的数量逐渐增加,数值模拟结果与实验完全符合.模拟还得到了花瓣模式的形 关键词： 分层 滚筒 模式形成 离散单元方法     

阻尼对水平滚筒内二元颗粒体系径向分离模式形成的影响

采用离散单元数学模型对一充装量为50%的水平薄滚筒内S形二元颗粒体系的分离模式进行了数值模拟试验,研究了不同碰撞阻尼参数下的分离过程,分析了阻尼对分离过程及分离模式的影响.模拟结果表明阻尼对滚筒内颗粒的分离过程及分离模式影响很大,在S形二元颗粒体系水平薄滚筒内,阻尼可控制渗透和离析的协同作用以及自由表面层的流动形式,最终影响分离模式的形成;当阻尼太大时分离模式只能形成月亮模式,阻尼太小时可形成不明显的花瓣模式,只有当阻尼在适当的范围内,自由表面流动层形成雪崩流型式时,分离模式才会呈现规则的花瓣模式,试验结 关键词： 滚筒 模式形成 径向分离 离散单元法     

滚筒内非等粒径二元颗粒体系增混机理研究

提出了在圆形滚筒内设置十字形内构件的增混方式,并采用离散单元方法对设置不同大小内构件的滚筒内非等粒径二元颗粒体系的混合进行了数值模拟试验.通过模拟结果重点分析了内构件对混合的影响,讨论了内构件的尺寸对混合效果的作用,分析和探讨了滚筒内构件对二元颗粒体系的增混机理.研究发现,当滚筒内无内构件时,对流、扩散和离析三种作用机制对颗粒体系的混合和分离都起到了重要作用;当滚筒内含内构件时,颗粒的混合则只受到颗粒对流和扩散机制的作用,而颗粒的离析效应得到了很大程度的抑制.十字形内构件很大程度上会破坏滚筒内的自由表面流,从而使发生在自由表面流中的颗粒分离不能发生,最终可有效地增加颗粒之间的混合.对于采用在滚筒内设置十字形内构件的方式来增加颗粒间的混合,存在一个最优的内构件尺寸,内构件过小或过大都不利于颗粒间的混合. 关键词： 分离 混合 离散单元法     

滚筒内二组元颗粒混合与分离的数值模拟

滚筒是工业过程中处理固体颗粒的一种常用设备,本文采用离散元(Discrete Element Method,DEM)方法软球模型对滚筒内两种粒径颗粒运动进行模拟。针对不同转速下颗粒分布,提出了表观混合指数和动态混合指数来衡量两种颗粒的混合程度。利用混合指数,对于颗粒混合随时间的变化进行了研究。结果显示了不同转速下迥异的分布特性。同时,对于不同转速下二元颗粒的混合与分离,分析探究了其内部机理。最后,从能量角度探究了不同转速下滚筒内颗粒运动。     

颗粒分层过程三维离散元法模拟研究

采用软球干接触模型对球形及非球形颗粒的分层过程进行了三维离散元法模拟研究,从颗粒间作用力、转动力矩和能量变化的角度分析了颗粒分层机理,讨论了颗粒的粒度比对分层速度的影响规律.结果表明,分层过程中,大颗粒比小颗粒活跃,非球颗粒由于具有较高的动能而比球颗粒活跃,在一定程度上弥补了颗粒形状对分层过程的影响.大颗粒间的平均法向、切向作用力、平均力矩及平均动能均大于小颗粒.颗粒分层速度随着粒度比的增加而显著增大,当粒度比大于临界粒度比3时,分层速度的增幅减缓.     

薄滚筒内二元湿颗粒体系混合行为的离散单元模拟研究

采用所建立的四方程线性弹性-阻尼离散单元模型,同时考虑了液桥力的作用,对填充量为40%、含液量为3%的水平薄滚筒内S型(不同直径颗粒)二元湿颗粒体系混合过程进行了数值模拟,并与同等操作条件下不含液的干颗粒体系的混合行为进行了比较,分析了液体对颗粒体系混合行为的影响. 同时还将计算结果与文献中的实验结果进行了比较. 结果表明,由于湿颗粒间液桥力的牵引作用使不同性质的颗粒不易分离,使部分颗粒聚结成团,减弱了离析作用的影响,使得滚筒内湿颗粒的混合程度高于相同条件下的干颗粒体系,且接触力的分布较干颗粒体系更加均匀. 通过对混合过程的模拟,直观地反映了混合过程中颗粒的微观运动特性和内部的力学结构,为研究湿颗粒体系混合过程机理提供了依据和参考. 关键词： 湿颗粒体系 混合 分离 离散单元法     

爆轰驱动金属飞层对碰凸起和微射流形成的数值模拟研究

本文对柱面两极点起爆情况下滑移爆轰波驱动两层金属飞层对碰凸起和微射流形成进行了模拟研究. 铅飞层内界面走时计算结果与实验结果能够较好符合. 在两极位置铅飞层内部出现断裂并形成空腔, 内壁面则形成鼓包型凸起; 在赤道位置飞层内壁面凸起后断裂产生大尺度金属颗粒, 其和微喷射形成的小尺度颗粒叠加构成了对碰区凸起现象. 在铅飞层内表面微喷射现象的研究中发现, 两极附近的微喷物质最大速度逐渐下降, 而对碰区附近的微喷颗粒最大速度反而随时间逐渐增高. 之后, 通过设计沟槽型微喷计算模型, 验证了在两极和赤道上铅飞层内表面产生的初始微喷射最大速度能够由同一均匀缺陷表面所产生. 最后, 通过数值模拟分析研究初步给出了该问题中抑制金属飞层对碰凸起和微喷现象的方法.     

多孔介质内颗粒流动特性及其对传热影响的模拟研究

研究采用CFD-DEM方法结合DEM耦合对流与导热的传热模型,对三维不规则孔隙结构多孔介质内细颗粒与孔隙流体的流动及传热特性进行数值模拟。结果显示,颗粒在流体的裹挟下由静止逐渐加速,多孔介质内部温度场、瞬时流体速度大小及方向随着细颗粒与流体的充分混合及颗粒间的弹性碰撞而发生变化。低孔隙率下颗粒易发生沉积,运动轨迹缩短。小孔隙率加速了由热颗粒引起的热传递过程,孔隙内温度上升较快。随着孔隙率增大,颗粒瞬时轴向和径向速度增大,且流动主要沿轴向进行,大孔隙率下颗粒间法向和切向接触力及颗粒拟温度较低,且对单颗粒运动轨迹有显著影响。     

垂直振动床中的能量传递与耗散

本文采用数值方法分析了一维垂直振动床内颗粒动能/温度、能量耗散以及体积分数的分布规律.离散元模拟结果表明:当床底做低频、小振幅振动时,床层内颗粒整体随床底上下运动,沿床高方向颗粒动能逐渐增加;对于高频振动,床层内的颗粒做无规则的运动,沿床高方向颗粒动能逐渐降低.在不同振动频率(高频、低频)下体积分数、能量耗散也表现出不同的分布规律.将离散元模拟结果与动力学理论计算值对比,当系统做高频振动时,两模型所得结果基本吻合;而对于低频、小振幅振动,所得结果存在较大差异.由于低频、小振幅振动时床内颗粒并非做无规则运动,动力学理论的适用性需进一步完善.     

巴西果效应分离过程的计算颗粒力学模拟研究

采用离散单元模型对巴西果问题进行了模拟研究,采用本数学模型可以准确地预测出垂直机械振动导致的不同大小颗粒的分离现象.分析了影响振动床内颗粒分层的因素,讨论了振动频率、振动幅度等参数对分层的影响,发现振动频率和振动幅度会对分离效果造成较大的影响.当振动频率或振动幅度较小时,颗粒整体分离效果都较差,但分离的稳定性较好,当振动频率或振动幅度较大时,整体分离效果仍然较差,同时分离的稳定性也较差,振动分离过程中存在一个频率和振幅适中的最优操作点. 关键词： 分层 振动 模式形成 离散单元方法     

Size segregation and convection of granular mixtures almost completely packed in a thin rotating Box

We simulate size segregation in granular mixtures which are almost completely packed in a rotating drum. Instead of a 3D drum, we simulate a 2D thin rotating box which is almost completely packed with granular mixtures. The phase inversion of a radially segregated pattern which was found in a 3D experiment is qualitatively reproduced with this simulation. A global convection appears after a radial segregation pattern is formed, and this convection induces an axially segregated pattern.     

Analysis of radial segregation of granular mixtures in a rotating drum

This paper considers the segregation of a granular mixture in a rotating drum. Extending a recent kinematic model for grain transport on sandpile surfaces to the case of rotating drums, an analysis is presented for radial segregation in the rolling regime, where a thin layer is avalanching down while the rest of the material follows rigid body rotation. We argue that segregation is driven not just by differences in the angle of repose of the species, as has been assumed in earlier investigations, but also by differences in the size and surface properties of the grains. The cases of grains differing only in size (slightly or widely) and only in surface properties are considered, and the predictions are in qualitative agreement with observations. The model yields results inconsistent with the assumptions for more general cases, and we speculate on how this may be corrected. Received 4 June 1999 and Received in final form 28 September 1999     

Granular flows in a rotating drum: the scaling law between velocity and thickness of the flow

The flow of dry granular material in a half-filled rotating drum is studied. The thickness of the flowing zone is measured for several rotation speeds, drum sizes and beads sizes (size ratio between drum and beads ranging from 47 to 7400). Varying the rotation speed, a scaling law linking mean velocity vs. thickness of the flow, v∼h^m, is deduced for each couple (beads, drum). The obtained exponent m is not always equal to 1, the value previously reported for a drum in litterature, but varies with the geometry of the system. For small size ratios, exponents higher than 1 are obtained due to a saturation of the flowing zone thickness. The exponent of the power law decreases with the size ratio, leading to exponents lower than 1 for high size ratios. These exponents imply that the velocity gradient of a dry granular flow in a rotating drum is not constant. More fundamentally, these results show that the flow of a granular material in a rotating drum is very sensible to the geometry, and that the deduction of the “rheology” of a granular medium flowing in such a geometry is not obvious.     

Avalanche dynamics in wet granular materials

We have studied the dynamics of avalanching wet granular media in a rotating drum apparatus. Quantitative measurements of the flow velocity and the granular flux during avalanches allow us to characterize novel avalanche types unique to wet media. We also explore the details of viscoplastic flow (observed at the highest liquid contents) in which there are lasting contacts during flow, leading to coherence across the entire sample. This coherence leads to a velocity-independent flow depth at high rotation rates and novel robust pattern formation in the granular surface.     

颗粒密度对旋转筒内二元颗粒体系分离的影响

用分子动力学的方法研究了颗粒密度对旋转筒内二元颗粒体系混合与分离的影响. 当增大粒度较小的颗粒密度时, 颗粒体系表现为巴西果效应, 而增加粒度较大的颗粒密度时, 分离状态则会发生反转, 表现为反巴西果效应. 进一步的研究发现二元颗粒体系的分离指数与颗粒的密度比之间存在定量的关系, 并利用Hong的渗流与凝聚竞争机理理论对密度分离状态的反转现象给予了理论解释.     

Fatigue Analysis of Particle Attrition in a Rotating Drum

Rotating drums are commonly used as grinders by inserting balls or rods into the drum. They are also employed as a standard measurement device for attrition and friability, mainly in the pharmaceutical industry. This paper presents a phenomenological study of the behavior of rotating drums and the fatigue phenomenon. A sensitivity test showed that for potash the drum should rotate at 30 rpm and the sample weight should be 100 g, so as to maximize the attrition rate. Further experimentation showed that the crush strength of the surviving particles changes significantly during the test owing to fatigue.