基于3D打印螺杆挤出装置颗粒流动特性数值模拟

本文设计出一种应用于熔融沉积成型技术的螺杆挤出装置的进料段、挤压段结构,并基于离散单元法对挤出装置中颗粒流动特性进行了数值模拟研究。模拟中研究了螺纹形状、螺杆竖直位置、颗粒间静摩擦系数对颗粒流动特性的影响,并总结得出三种参数的变化对颗粒质量流量及相对速度标准偏差的影响规律。模拟结果表明,采用梯形螺纹时颗粒质量流量变化范围最宽,效果最理想;螺杆在进料漏斗中的竖直位置对出口颗粒质量流量无明显影响;挤出颗粒质量流量随颗粒间静摩擦系数增大而减小,出口处颗粒速度随颗粒间静摩擦系数变大而分布更加均匀。     

无黏性颗粒在平面上的堆积角

运用连续介质模型和库仑屈服条件,介绍了库仑不等式的证明方法,研究了无黏性颗粒物质在自然堆积状态下的堆积角的形成机制及影响因素,通过理论模型导出理想状况下锥形堆的自然休止角与内摩擦角的关系.实验结果表明:颗粒的密度对于堆积角不存在确定的影响.不规则颗粒的自然休止角、内摩擦角与粒径间的变化趋势一致,粒径的分布对锥形堆的自然休止角产生影响;规则颗粒的几何尺寸对堆积角无明显影响,非球形颗粒的几何形状对堆积角有显著影响.底面摩擦系数较小时,锥体的堆积角与底面摩擦系数呈正相关,随着摩擦系数的增大,堆积角将达到饱和.     

湿颗粒堆力学特性的离散元法模拟研究

利用基于线性黏聚接触模型的离散元法对不同颗粒系统的堆积过程进行了数值模拟研究,分析了颗粒形状和湿颗粒间液桥力对颗粒堆积形态的影响机理,获得了球形和块状湿颗粒堆基底表面所受的法向力以及堆中颗粒间的法向力和切向力"中心凹陷"式的分布规律,讨论了颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面作用力和颗粒间作用力的影响.研究结果表明,颗粒形状和液桥力对颗粒堆的堆积形态具有显著的影响.堆积角随着黏聚能量密度的增加而增大,并且相同条件下的块状颗粒堆积角大于球形颗粒.颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面所受作用力和堆中颗粒间的作用力变化及最大幅值均有影响作用.当黏聚能量密度值逐渐增大时,颗粒堆的作用力最大幅值均逐渐增大,并且块状颗粒堆的作用力最大幅值大于球形颗粒堆.当黏聚能量密度值过大时,颗粒堆力学特性更加复杂,液桥力对颗粒堆积特性的影响作用大于颗粒形状的影响.     

颗粒堆内微观力学结构的离散元模拟研究

将离散单元法应用到三维堆积过程的模拟计算,探讨了滑动摩擦及滚动摩擦对堆积形成的影响,得到了颗粒堆内部的应力分布规律,发现颗粒堆的形态是由滑动摩擦和滚动摩擦共同决定的,在堆内颗粒间的作用力基本呈树状结构.在模拟得到的颗粒堆中出现了应力分布奇异现象,在堆积角较大的情况下,颗粒堆与地面间作用力的最大值常发生在距堆底中心不远的环状区域,而并非发生在堆底的中心;在堆积角相对较小时颗粒堆与地面间作用力的最大值较容易发生在堆底的中心.对于一个颗粒堆,具体会发生哪种受力情况具有一定的偶然性. 关键词： 堆积 离散单元法 计算颗粒力学     

基于离散元方法的松散体滑动堆积特性及影响因素分析

松散体结构松散,是崩塌、滑坡等地质灾害的主要物源,其致灾范围受含石量和坡度等因素影响较大.传统的对松散体滑动堆积特性的研究多为宏观或定性分析,对细观的内在运动机理研究较少.本文采用离散元方法定量分析了含石量和坡度变化对松散颗粒滑动后的冲程、堆积宽度、最大厚度、堆积面积、堆积轮廓形状、堆积区体积、静堆积角和累积质量等堆积特征值的影响,并从颗粒的能量和接触力角度探讨了松散体灾变过程中的运动和堆积特征,以揭示颗粒之间的相互作用机理.研究结果表明:含石量在0—70%范围增加时,冲程、堆积宽度和堆积面积均先增大后递减,最终累积质量减小;坡度在30°—65°范围增大时,冲程、堆积宽度、堆积面积和累积质量均会增大,最大厚度近似线性减小,静堆积角近似二次函数减小.此外,粗、细颗粒在堆积区的体积占额存在一个临界距离L_c,当距坡脚线距离L L_c时,细颗粒大于粗颗粒所占体积;当L L_c时,细颗粒小于粗颗粒所占体积.     

颗粒固体应力转向比的光弹法探测

利用压敏双折射光学特性材料,实验测量了在自然堆积和密堆积两种制样方式下颗粒仓轴向荷载在仓壁上随深度的分布.发现在填充颗粒总质量相同、容器不变的情况下,颗粒仓轴向荷载在仓壁上的分布不随颗粒深度单调变化,而是随深度呈单峰结构,数值模拟与实验观察定性符合,并且发现峰值依赖于荷载大小和样品的制备方式.另外,我们也测量了在不同填充高度下的颗粒底部平均应力随轴向荷载的变化,将其与边壁应力对比,得到颗粒体系不同深度处的转向比.     

二维晶格颗粒堆积中侧壁的压力分布与转向系数

颗粒物质是大量颗粒聚集在一起的软凝聚态物质, 其微观结构与宏观力学性质的联系非常复杂. 本文用实验的方法观测了二维竖直晶格堆积颗粒, 在竖直方向外加正压力作用下其侧壁的受力分布情况, 根据实验结果详细讨论和分析了颗粒体系中正压力的转向行为. 实验结果表明: 在缓慢压缩颗粒体系的过程中, 正压力的变化呈现非线性和线性两段不同的规律; 对于确定堆积结构的颗粒体系, 竖直方向施加的正压力通过颗粒力链转向, 且水平方向不同堆积高度处所受压力值不同, 中部的压力大于顶部和底部的压力; 转向系数k的饱和值随堆积角θ 的增大而减小. 对颗粒堆的几何结构与受力情况进行分析, 给出了转向系数与堆积角之间的数学表达式, 理论值与实验值符合较好.     

HCCB-TBM����Li4SiO4�򴲶ѻ��ṹ����ֵģ��

通过离散元法初步模拟了微球在重力作用下的堆积行为,并分析了氚增殖区Li4SiO4球床的局部堆积结构.研究结果表明,摩擦系数和恢复系数对球床最终堆积结构有很大的影响.当摩擦系数较小时,摩擦系数对球床堆积结构的影响起主要作用;当摩擦系数较大时,恢复系数对球床堆积结构的影响起主要作用.球形颗粒从靠近壁面处的规则分布逐渐过渡到内部区域的均匀随机分布.球床局部堆积因子表现出了明显的壁面效应,其分布随着微球到壁面距离的增加而呈现出振幅逐渐减小的振荡趋势.所得到的球床堆积结构信息可用于研究球床传热特性和提氚气体流动特性的随机堆积球床模型的建立.     

纳米孔壁面作用对蛋白质过孔影响的粗粒化分子动力学模拟

基于粗粒化分子动力学方法模拟电驱动蛋白质过孔过程，研究纳米孔-水/纳米孔-蛋白质相互作用对电泳迁移率的影响；用操控式分子动力学模拟分析蛋白质在不同相互作用下过孔摩擦系数和摩擦阻力.研究发现：蛋白质黏附纳米孔壁面对其过孔特性影响并不明显，而纳米孔-水相互作用对蛋白质过孔电泳迁移率和摩擦系数影响较大.随纳米孔-水相互作用增强，纳米孔壁面与蛋白质附近水分子运动差异显现，蛋白质过孔摩擦阻力显著增大，过孔摩擦系数随之增大，进而影响蛋白质过孔电泳迁移率.所得结果可为纳米孔材料设计提供理论指导.     

三维有序排列多孔介质对流换热的数值研究

利用CFD软件数值研究了颗粒三维有序堆积多孔介质的对流换热问题. 采用颗粒直径分别为14 mm,9.4 mm和7 mm的球形颗粒有序排列构成多孔介质骨架,在多孔骨架的上方有一恒热流密度的铜板. 采用流固耦合的方法研究了槽通道内温度分布和局部对流换热系数的分布以及对流换热的影响因素. 研究结果表明:热渗透的厚度和温度边界层的厚度在流动方向上逐渐增大,并且随流量的增加而减小;当骨架的导热系数比较高时,对流换热随颗粒直径的减小而略有增大;对流换热系数随聚丙烯酰胺溶液浓度的增大而减小,黏性耗散减弱了对流换热. 关键词： 多孔介质 温度场 局部对流换热系数 数值模拟     

Simulation of triaxial response of granular materials by modified DEM

A modified discrete element method(DEM)with rolling effect taken into consideration is developed to examine macroscopic behavior of granular materials in this study.Dimensional analysis is firstly performed to establish the relationship between macroscopic mechanical behavior,mesoscale contact parameters at particle level and external loading rate.It is found that only four dimensionless parameters may govern the macroscopic mechanical behavior in bulk.The numerical triaxial apparatus was used to study their influence on the mechanical behavior of granular materials.The parametric study indicates that Poisson’s ratio only varies with stiffness ratio,while Young’s modulus is proportional to contact modulus and grows with stiffness ratio,both of which agree with the micromechanical model.The peak friction angle is dependent on both inter-particle friction angle and rolling resistance.The dilatancy angle relies on inter-particle friction angle if rolling stiffness coefficient is sufficiently large.Finally,we have recommended a calibration procedure for cohesionless soil,which was at once applied to the simulation of Chende sand using a series of triaxial compression tests.The responses of DEM model are shown in quantitative agreement with experiments.In addition,stress-strain response of triaxial extension was also obtained by numerical triaxial extension tests.     

Correlation mechanism between force chains and friction mechanism during powder compaction

The relation between friction mechanism and force chains characteristics has not yet been fully studied in the powder metallurgy research area.In this work,a uniaxial compression discrete element model is established based on the compaction process of ferrous powder.Furthermore,the correlation mechanism between force chains and the friction mechanism during powder compaction is investigated.The simulation results reveal a strong correlation between the variation of the friction coefficient and the evolution of force chains.During the powder compaction,the friction coefficient would eventually tend to be stable,a feature which is also closely related to the slip ratio between particles.The side wall friction and the friction between particles would have an important effect on the direction of force chain growth in about one-third of the area near the side wall.The research results provide theoretical guidance for improving the densification process of the powder according to the force chain and friction.     

运动物体在颗粒物质中的动力学过程及最大穿透深度仿真研究

利用离散元法仿真了运动物体在颗粒物质中的三维动力学过程, 仿真采用周期边界条件, 并考虑了重力、接触力、阻尼力、摩擦力的影响. 将仿真结果和相关的三维实验结果进行了对比, 两者符合较好. 仿真结果表明穿透深度与运动物体的冲击速度、运动物体质量、颗粒介质床的密度均有关系. 运动物体质量越大, 速度越快, 则穿透越深, 而且穿透深度和质量呈线性关系. 仿真过程较为真实地再现了小颗粒的飞溅现象. 关键词： 颗粒物质 动力学过程 仿真 离散元法     

圆锥料仓内颗粒周期性脉动特征研究

料仓卸料过程中的颗粒脉动会引起料仓振动甚至导致结构失效.为了明晰颗粒脉动特征,本文进行了椭球颗粒在不同半锥角深仓的模拟卸料实验,将料仓圆筒部划分为4个固定区域以研究区域内颗粒的运动信息,分析了料仓圆筒部颗粒系统的运动特征.研究结果表明:整个卸料过程颗粒速度始终处于波动变化中,卸料前期表现为大振幅、周期性的剧烈脉动,卸料后期平均速度的变化则是小振幅无规律的波动;剧烈脉动时段各区域的颗粒层平均受力的变化规律与颗粒速度脉动特征相似,越接近储料顶端颗粒脉动振幅越大,表现出更规律的周期性脉动,相邻颗粒层间的脉动波形相似且周期相同,剧烈脉动过程中顶面颗粒呈周期性的自由落体运动,该时段内顶层颗粒每一次的自由落体运动都会引起该范围内颗粒间接触力消失;料仓半锥角越小时剧烈脉动频率越高、振幅越大且脉动持续时间也越长,卸料速度越稳定,且颗粒速度不会出现带有上升趋势的波动.研究结果可为卸料设备的安全设计提供参考.     

圆柱体的滚动摩擦系数的测量研究

从圆柱体在斜面上的基本受力分析入手,推导圆柱体沿斜面运动过程中的发生滚动的临界角及滚动摩擦系数的关系式。并通过简单的实验装置测定了铁质圆柱体与玻璃的滚动摩擦系数和静摩擦系数分别约为0.0921和0.121。理论与实验结果基本符合,表明该实验方法对于测定静摩擦系数和滚动摩擦系数的有效性,也为力学基本问题的研究提供了方法。     

Time of avalanche mixing of granular materials in a half filled drum

The avalanche mixing of granular solids in a slowly rotated 2D upright drum is studied. We demonstrate that the account of the difference δ between the angle of marginal stability and the angle of repose of the granular material leads to a restricted value of the mixing time τ for a half filled drum. The process of mixing is described by a linear discrete difference equation. We show that the mixing looks like linear diffusion of fractions with the diffusion coefficient vanishing when δ is an integer part of π. Introduction of fluctuations of δ suppresses the singularities of τ(δ) and smoothes the dependence τ(δ). Received 27 October 2000 and Received in final form 13 March 2001     

对利用动态光散射法测量颗粒粒径和液体黏度的改进

光散射技术通过测量悬浮液中布朗运动颗粒的平移扩散系数,得到颗粒流体力学直径或液体黏度.本文由单参数模型入手,建立了低颗粒浓度下,单颗粒平移扩散系数与颗粒集体平移扩散系数和颗粒浓度之间的线性依存关系并将其引入光散射法中,从而对现有的测量方法进行了改进.改进后的测量方法可实现纳米尺度球型颗粒标称直径的测量和液体黏度的绝对法测量.以聚苯乙烯颗粒+水和二氧化硅颗粒+乙醇两个分散系为参考样本,通过实验,验证了改进后方法的可行性.此外,还针对上述两个分散系,实验探讨了温度和颗粒浓度对颗粒集体平移扩散系数的影响规律,发现聚苯乙烯颗粒+水分散系中,颗粒间相互作用表现为引力;二氧化硅颗粒+乙醇分散系中,颗粒间相互作用表现为斥力.讨论了颗粒集体平移扩散系数随颗粒浓度变化规律与第二渗透维里系数的关系.