含液颗粒材料液固耦合分析的离散颗粒模型及特征线SPH法

对含液颗粒材料流固耦合分析建议了一个基于离散颗粒模型与特征线SPH法的显式拉格朗日-欧拉无网格方案。在已有的用以模拟固体颗粒集合体的离散颗粒模型[1]基础上,将颗粒间间隙内的流体模型化为连续介质,对其提出并推导了基于特征线的SPH法。数值例题显示了所建议方案在模拟颗粒材料与间隙流相互作用的能力和性能以及间隙流体对颗粒结构承载能力及变形的影响。     

非球形颗粒两相流的数值模拟研究进展

非球形颗粒两相流是多相流的重要研究方向之一, 常见于自然界及工业生产过程中. 不同于球形颗粒, 由于非球形颗粒形状的各向异性, 除了颗粒平动行为, 还需要考虑颗粒的转动与取向行为, 颗粒的取向与转动行为会影响颗粒所受的力和力矩. 为了准确模拟非球形颗粒的运动行为, 目前非球形颗粒两相流的数值模拟研究主要基于欧拉?拉格朗日的求解框架展开, 常见的非球形颗粒两相流数值模拟方法主要包括点颗粒法与全分辨颗粒法. 本文将对这两类方法进行介绍, 同时会全面介绍非球形颗粒两相流研究的基础理论模型, 并系统总结非球形颗粒在简单基本流和复杂湍流中的研究进展, 包括对于非球形颗粒在湍流中的取向与转动行为机理, 以及颗粒对湍流减阻调制作用的研究. 最后, 本文提出了非球形颗粒两相流研究存在的问题及未来研究方向.      

小筒仓内颗粒中探测棒受到的最大静摩擦力

用实验方法研究了筒仓内大小均匀的颗粒堆中央的竖直探测棒被提拉时 受到的最大静摩擦力$F$. 研究发现当筒仓的器壁和探测棒之间的距离小于50个颗粒直径时, $F$明显大于连续介质模型得出的结果;当筒仓直径$D$较小时$F$还与探测棒的形 状有关. $F$的奇异变化主要是因为$D$较小时离散的颗粒体系不能近似为连续介质, 颗粒堆中力链起主要作用.     

基于沿程坐标积分模式颗粒流与结构物阵列相互作用的数值模拟

近年来, 由颗粒物质流动主导的泥石流、滑坡等自然灾害评估及其防护工作越来越受到人们的关注. 本文基于沿程坐标积分模式建立了陡峭地形条件结构物作用下颗粒流运动的数值模型, 可以较为准确地表征陡峭地形情形结构物影响下颗粒流的流态特征和运动过程, 尤其是相互作用过程中激波结构的形成与演化, 颗粒流的反射、绕射和爬升等动力效应. 通过数值模拟研究了颗粒流与不同分布密度四面体结构物阵列相互作用时的流态演化与堆积形貌, 提出了新型偏转效率无量纲指标, 结合流通效率, 定量评估了四面体结构物阵列对颗粒流流通距离和侧向铺展特征的影响. 结果表明, 单个四面体结构物对颗粒流的作用包括耗散作用和偏转作用两种模式, 其中偏转作用尤为显著; 结构物阵列对颗粒流产生综合的耗散和偏转作用, 通过多级作用形成系列的弓形激波耗散颗粒流能量, 通过偏转作用分隔和改变颗粒流路径, 增强耗散作用, 调控堆积形态, 可望对下游地区产生显著的防护效果.      

颗粒流润滑系统力传输行为的试验研究

为了研究颗粒流润滑状态下的力传输行为,设计了一个剪切平行板间颗粒流润滑的试验装置.利用该试验装置,研究了颗粒材料、颗粒尺寸、剪切速度和颗粒湿度对颗粒流润滑状态下力传输行为的影响.此外,试验结果主要考虑了测量得到的法向力和切向力,这些力是从下摩擦副通过颗粒润滑介质传递到上摩擦副的.研究结果表明,测量得到的法向力和切向力随着剪切速度和颗粒湿度的增大而减小,随着颗粒尺寸的增大而增大.颗粒流润滑比干摩擦具有较好的润滑效果,比油润滑具有更好的承载性能.颗粒流润滑状态下的力传输路径主要决定于颗粒润滑介质之间的力链.试验结果揭示了颗粒流润滑时的力传递机制并可以为颗粒流润滑的工业应用提供指导.     

快速颗粒流碰撞应力的动理模型

颗粒碰撞是快速颗粒流的动量传递,能量传递及耗散的主要机制。因此,碰撞应力是快速颗粒流研究的主要内容。本文基于大小均匀、光滑圆球颗粒的非弹性碰撞模型,类比气体分子动理论中的处理方法得出快速颗粒流积分形式的碰撞应力,能量传递通量及能量耗散率等关系。在颗粒速度分布函数的一级近似式符合Maxwell分布的假设下,对碰撞应力积分得出相应于Boltzmann方程二级近似解的碰撞应力表达式。在简单快速颗粒流动条件下,本文的理论结果与实验资料符合较好。     

颗粒介质固-流态转变的理论分析及实验研究

颗粒介质由大量离散的颗粒聚集而成,因而与传统固体和流体不同,运动过程中的颗粒介质中可能同时存在多种流态及其相互间复杂的转换过程. 颗粒介质弹性失稳机理、不可恢复应变量化是研究颗粒介质固态和流态及固-流态转变的关键. 在前期建立的双颗粒温度热力学(two-granular-temperature, TGT) 理论基础上,确定了颗粒介质的弹性稳定性条件,建立了不可恢复应变流动法则,搭建了描述颗粒固态-液态及其相互转化的简单模型. 颗粒堆积体坍塌过程是典型的颗粒介质固态和流态及其转变过程,因此本文首先开展了25 167 个陶颗粒堆积体坍塌过程的实验研究,并使用基于TGT 理论的物质点方法和离散元方法对物理实验进行了模拟. 结果表明,模型数值结果与物理实验在颗粒堆坍塌过程中的形态、速度分布等细节上吻合很好,同时也发现了现阶段所使用的物质点方法和TGT 理论的不足. 初步说明TGT 理论可以实现颗粒介质固态和流态,以及状态转变的描述.      

稀疏两相湍流的惯性颗粒倾向性弥散

气相采用大涡模拟、颗粒相采用拉格朗日轨道模型的方法对后台阶突扩流、充分发展槽道流和圆湍射流3种典型的稀疏气固两相流动进行了数值模拟,研究了颗粒倾向性弥散的特征和规律. 研究表明颗粒的跟随性和倾向性相联系,颗粒惯性和大涡结构同时决定颗粒的倾向性分布特征. Stokes数量级为1(气相时间参考尺度取为宏观特征时间尺度)左右的颗粒,倾向性分布特征最强烈. 颗粒倾向分布于低涡量(或是低脉动速度)的湍流区域.      

一种改进的颗粒移动床μ(I)拟流体模型及应用

颗粒移动床在工业领域应用广泛, 发展实用可靠的颗粒移动床模型具有理论和应用价值. 本文基于颗粒流μ(I)模型, 补充局部颗粒体积分数与颗粒局部压力和局部颗粒流密度的关系式, 将移动床内密集颗粒处理成可压缩拟流体, 建立了颗粒流单相可压缩流μ(I)模型, 并建立了颗粒流?壁面摩擦条件, 在计算中对颗粒流拟黏度和拟压力项进行正则化处理. 采用上述模型与方法对3种典型散料在移动床缩口料仓内的流动进行模拟, 与实验对比, 得到了玻璃珠、刚玉球和粗沙的μ(I)模型参数, 分析了3种不同散料在料仓内的颗粒速度、体积分数等分布特性, 模拟结果较好地揭示了料仓内不同物料的整体流和漏斗流特性; 进而以玻璃珠为例, 对移动床颗粒单管绕流流动进行了模拟, 所得结果合理揭示了管流附近的流动特性. 计算结果表明, 对于本文的计算工况, 颗粒体积分数变化最大范围为0.510 ~ 0.461, 绝大部分区域流动惯性数小于0.1, 改进的单相μ(I)模型能合理预测出密集颗粒流移动床内的流动特性, 方法可行且较多相流算法能明显减小计算量.      

颗粒在黏弹性流体扩张和收缩流中沉降的格子Boltzmann模拟分析

对于Oldroyd-B型黏弹性流体，本文应用格子Boltzmann方法(LBM)，实现了流体在二维1:3扩张流道及3:1收缩流道中流动的数值模拟，获得了黏弹性流体在扩张和收缩流道中的流场分布．结合颗粒的受力和运动规则，基于点源颗粒模型，数值分析了颗粒在扩张流和收缩流中的沉降过程和特征，讨论了颗粒相对质量和起始位置以及雷诺数Re和威森伯格数Wi对颗粒沉降特征的影响．结果表明，颗粒相对质量和起始位置以及Re对颗粒沉降轨迹和落点影响较大，而Wi的影响则较小．     

Values for particle-scale properties of biomass briquettes made from agroforestry residues

The production of biomass pellets and briquettes from agroforestry residues has increased rapidly in recent years. The design of machines, equipment and the infrastructure necessary for the handling, transport and storage of these products has been an engineering challenge since, when moving, biomass does not usually flow as easily as other granular materials. The discrete element method (DEM) provides a means of studying the handling and silo discharge behaviour of granular solids as well as the distribution of the pressures exerted by such materials in silos. However, the development of such models requires certain properties of the particles in question to be known. The present work experimentally determines the true density, Young's modulus of elasticity (axial and radial), the particle–particle restitution coefficient and the particle–wall friction coefficient—all variables that must be known in the construction of DEM models—for briquettes made from maize stalk, maize stalk plus pine wood chips, rice husk, vine shoots, rape straw, cereal straw and sawdust plus cereal straw.     

煤仓内煤散料流动状态与力学行为影响因素

针对煤仓内煤散料流动问题及其力学行为,采用三维颗粒流模拟程序PFC3D建立了某型号煤仓与某种煤散料的离散元模型,简述了其力学模型与求解步骤,模拟分析了煤仓内煤散料卸料流动状态。通过分析水平向侧压力、颗粒速度场和接触力场,重点讨论了煤仓下部锥体内壁面摩擦系数、锥仓倾角和卸料口径等对煤散料颗粒流动状态和力学行为的影响。结果显示,深仓卸料流动为整体流动与中心流动混合状态,煤仓内壁摩擦系数、锥体倾角和卸料孔开口半径均对煤散料流动和水平侧压力有较大影响。     

考虑破碎影响的颗粒材料亚塑性模型及应变局部化模拟

在基于2ndP-K应力率的亚塑性模型基础上,通过引入一个能够考虑颗粒破碎影响的孔隙比-平均压力临界状态方程,形成了一个能够模拟颗粒破碎影响的颗粒材料亚塑性模型,数值算例考查了颗粒破碎对应变局部化模式及位移-承载曲线的影响,结果表明,所建议模型具有模拟破碎对颗粒材料应变局部影响的良好性能。     

Analytic calculation of the stresses in an ensiled granular mediumCalcul analytique des contraintes dans un matériau granulaire ensilé

We present in this Note a new analytic approach, of continuous medium type, which improves the Janssen theory and enables us to calculate the stresses in an ensiled granular medium. This approach is based on the two dimensional equilibrium equations, coupled with the Mohr–Coulomb criterion and a slip condition at the walls of the silo. An analytic resolution is developed to compute the stresses for cohesive and non cohesive materials in the whole silo. To cite this article: O. Millet et al., C. R. Mecanique 334 (2006).     

Translation and rotation of particles in different flow pattern areas of a silo

The present paper reports the results obtained for translational and rotational velocity profiles of spherical particles for the mixed flow in a conical silo. The discrete element method (DEM) based on Hertz-Mindlin (no slip) with RVD rolling friction contact model is used for simulations. Opposite correlations are found between translational and rotational velocities in different flow areas of the silo. In particular, the abrasion caused by rotation is dominant in the funnel flow area. In addition, increase of the mass flow rate of silo can effectively reduce the abrasion induced by rotation. This highlights that understanding of dynamic characteristics of particles is helpful for optimization of silos and reduction of granular material abrasion.     

密集颗粒物质的介观结构

密集颗粒物质由大量颗粒组成的多体相互作用体系,在一定条件下,颗粒互相连接,形成相对稳定的介观尺度结构,其几何和动力学性质较大程度上决定了颗粒体系的宏观物理和力学性质,因此开展颗粒的介观结构研究具有重要的理论价值,是科学的前沿之一.自然界的堆石坝、堰塞体和碎屑流,以及工程中的高温气冷堆堆芯颗粒流和先进核裂变能系统(ADS嬗变)的颗粒散裂靶等都是典型的颗粒体系,研究颗粒体系宏观力学性质是灾害预测和调控技术的关键.本文首先介绍颗粒接触力理论和简化模型的研究进展,接着介绍介观尺度结构分析方法与测量技术,颗粒体系Jamming转变、软点和颗粒微位移测量技术等,最后列举了几个关键的科学问题.颗粒介质中很多基本力学问题的解决需要借鉴物理和数学等学科的最新成果,建立新的概念和范式,从新的角度、思路、理念去认识颗粒介质的基本问题.同时,颗粒介质的基础研究还要紧密结合工程应用领域的大量相关的核心技术,与工程领域专家共同合作,使得颗粒介质的研究有的放矢,更具生命力.     

The mesoscopic structures of dense granular materials

密集颗粒物质由大量颗粒组成的多体相互作用体系,在一定条件下,颗粒互相连接,形成相对稳定的介观尺度结构,其几何和动力学性质较大程度上决定了颗粒体系的宏观物理和力学性质,因此开展颗粒的介观结构研究具有重要的理论价值,是科学的前沿之一.自然界的堆石坝、堰塞体和碎屑流,以及工程中的高温气冷堆堆芯颗粒流和先进核裂变能系统（ADS嬗变）的颗粒散裂靶等都是典型的颗粒体系,研究颗粒体系宏观力学性质是灾害预测和调控技术的关键.本文首先介绍颗粒接触力理论和简化模型的研究进展,接着介绍介观尺度结构分析方法与测量技术,颗粒体系Jamming转变、软点和颗粒微位移测量技术等,最后列举了几个关键的科学问题.颗粒介质中很多基本力学问题的解决需要借鉴物理和数学等学科的最新成果,建立新的概念和范式,从新的角度、思路、理念去认识颗粒介质的基本问题.同时,颗粒介质的基础研究还要紧密结合工程应用领域的大量相关的核心技术,与工程领域专家共同合作,使得颗粒介质的研究有的放矢,更具生命力.     

A numerical investigation into the behavior of ground-supported concrete silos filled with saturated solids

This paper introduces a finite-element solution for simulating the filling process of ground-supported concrete silos filled with saturated granular material. An elasto-plastic axisymmetric finite-element model is used to represent both the granular material and the concrete silo. The interaction between the two materials is modeled using interface elements to allow for relative movement. The filling process is idealized via a multi-stage numerical technique capable of representing both undrained and drained conditions for the granular material. The effects of the relative stiffness between the foundation and wall are examined, as are the boundary conditions at the top of the structure (the roof details).Depending on the drainage properties of the stored material, the effect of the filling process may be time-dependent. The excess pore water pressure resulting from the filling process may cause a substantial increase in the hoop stresses in the wall. The predicted internal forces may be influenced by the foundation rigidity, but not by the boundary condition at the top of the wall.The results of these analyses may be used to design experiments to evaluate existing silos, or to develop filling strategies to minimize loads on existing structures.