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.      

尾矿颗粒沉降和分选规律研究

开展了尾矿颗粒在流体中沉降和分选规律研究。首先,对尾矿颗粒在流体中受力特征和各种力作用效果进行分析;其次,对牛顿流体中尾矿颗粒沉降和分选进行研究;再次,对宾汉浆液中尾矿颗粒沉降和分选进行研究;最后,对理论公式进行了讨论和结果验证。论文确定了尾矿颗粒在不同流体中的沉降特点,提出在浆体流动中不沉的最大粒径,推导出球形颗粒的沉降微分方程,推导出颗粒最终沉速和沉降距离,求得了颗粒水平运移距离,结果讨论验证了理论公式的正确性。     

非球形固体颗粒对弯管内壁的磨损机制

为研究弯管内固体颗粒在液相夹带条件下的运动特性及颗粒对弯管内壁的磨损,采用计算流体动力学与离散元耦合的方法,建立数值模型,考虑固液两相之间的作用,对弯管内的固液两相流动进行数值模拟;通过软件的应用程序编程接口嵌入自编译磨损模型;借助试验结果,验证数值模型的有效性. 结果表明,所建立的数值模拟方案可以准确地模拟颗粒在管内的运动特征并能够预测弯管内壁的磨损位置以及磨损程度. 弯管内的二次流对颗粒运动有重要影响,弯管外侧壁面中心线附近的磨损较严重,磨损的形式以小角度划擦切削为主. 弯管磨损主要与颗粒对壁面的碰撞速度、碰撞角度及碰撞频率有关. 运动中的颗粒与壁面发生多次碰撞,碰撞角度逐渐减小. 随着颗粒球形度的增大,在相同碰撞条件下引起的磨损量变小,但是会降低颗粒的随流性. 颗粒形状影响颗粒在流场中的运动速度以及颗粒与壁面的碰撞. 随着颗粒球形度增大,严重磨损区域向弯管进口方向移动,壁面平均磨损量先减小后增大;当输送颗粒的球形度为0.91时,壁面磨损量最小.      

基于超二次曲面的非球形离散单元模型研究

通过对颗粒体系接触过程的运动学和动力学分析,建立了一种基于超二次曲面的非球形离散单元模型,该模型避免了球形接触模型描述颗粒形状的局限性,使离散单元法更接近物理事实,并在此基础上提出了计算求解模型的数值方法,实现了对复杂形状的颗粒体系的模拟计算。将所建立的数值计算方法进行了编程实现,并对模型和算法进行了算例测试,证实了本文所建立的非球形离散单元模型的可行性和正确性。测试结果表明,本文的模型能够比较准确地模拟复杂颗粒体系的真实运动,可为复杂颗粒体系的模拟研究提供一种新的数值计算方法。     

冲击载荷下颗粒材料临边界区域的波动行为及变形特征分析

研究颗粒材料中的波传播问题在超材料制造方面有重要意义, 如波传导超材料边界的设计需考虑应力波的反射和吸收等问题. 本文从一维颗粒链中的波传播行为出发, 根据距边界不同位置处颗粒能够得到的最大动能的不同, 给出了临边界区域的定义. 然后分析了多组二维颗粒样本在冲击载荷作用下应力波的传播行为, 主要考虑了不同边界形状及不同颗粒排列方式对应力波在临边界区域内传播行为的影响. 研究表明, 临边界区颗粒排列方式主要影响边界附近颗粒的相对位置和局部孔隙率; 经边界反射后的应力波直接以边界形状在临边界区内传播, 该结论在边界情况越复杂(高局部孔隙率, 颗粒无序随机排列)时越准确; 在临边界区域外(即材料中心区域), 波前形状主要由波速决定. 弧形边界对波反射的汇聚作用和临边界区域内颗粒的排列方式所引起的弥散作用是两个竞争因素, 共同决定临边界区域内波的反射过程. 最后分析了临边界区域内颗粒力链网络在反射前后的变化. 该研究将为超材料设计提供借鉴.      

多孔颗粒固定床层中颗粒内部溶质大分子受力的分析

利用以Brinkman方程为基础的有效介质方法和一般的点阵模型,研究固定床层中多孔颗粒内部溶质大分子的传递,在考虑颗粒内部空隙度和整个床层空隙度双重影响下,得到球形溶质大分子在多孔介质内部的受力公式,进而研究其在多孔颗粒固定床层中的传递现象。     

基于水平集-离散元方法的球谐函数颗粒材料缓冲性能分析

在自然环境与工业领域中,颗粒材料是一种常见的缓冲材料,其中大量形态各异的非球形颗粒表现出复杂的力学特性并应用于不同工程领域。本文采用球谐函数构造不同球面度和表面凹凸特性的非规则颗粒,通过水平集方法计算球谐函数颗粒间的接触点和碰撞力,并对冲击过程中球形和凹形颗粒的缓冲性能进行离散元分析。数值结果表明,颗粒床厚度、冲击速度和颗粒形状显著影响球谐函数颗粒材料的缓冲性能。颗粒床底部的冲击力峰值随着颗粒床厚度和表面凹凸性的增加而降低,同时冲击力峰值随着冲击速度和颗粒球面度的增加而增加。与球形颗粒相比,球谐函数颗粒具有凹凸表面和多接触点特性,这有利于冲击荷载向四周扩展并提高凹形颗粒的缓冲效果。     

纯铅化学机械抛光中工艺参数对抛光性能的影响

为获得高质量纯铅表面，采用化学机械抛光(CMP)的方法并辅以自制抛光液，研究了胶体二氧化硅抛光颗粒的形状、粒径和浓度、加载压力、抛光头与抛光盘转向和转速、抛光液流量等工艺参数对铅片表面材料去除率和粗糙度的影响. 研究表明:小粒径异形(眉形)胶体二氧化硅抛光颗粒相较于大粒径球形颗粒更有利于铅片抛光，抛光颗粒的粒径和浓度对纯铅抛光性能的影响主要取决于铅片表面与胶体二氧化硅颗粒以及抛光垫表面丝绒的耦合作用关系. 随着加载压力、抛光头与抛光盘转向和转速、抛光液流量的改变，铅片表面和抛光垫之间驻留的层间抛光液的厚度以及状态发生改变，从而直接影响抛光液的流动性、润滑性和分散性，以及影响抛光颗粒和化学试剂与铅片表面的机械化学作用，进而影响抛光质量和材料去除率. 通过对工艺参数影响的研究和对工艺参数的优化，最终获得了表面粗糙度R_a为1.5 nm的较为理想的超光滑纯铅表面，同时材料去除率能够达到适中的380 ?/min.      

考虑等效曲率的超二次曲面单元非线性接触模型

基于连续函数包络的超二次曲面单元可有效地描述自然界和工业生产中的非球体颗粒形态, 并通过非线性迭代方法精确计算单元间的接触力. 对于具有复杂几何形态的超二次曲面单元, 线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力. 考虑超二次曲面单元相互作用时不同颗粒形状及表面曲率的影响, 本文发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该模型将不同接触模式下的法向刚度和黏滞力统一表述为单元间局部接触点处等效曲率半径的函数; 切向接触作用则借鉴基于Mohr-Coulomb摩擦定律的球体单元非线性接触模型的计算方法. 为检验超二次曲面单元接触模型的可靠性, 对球形颗粒间的法向碰撞、椭球体颗粒间的斜冲击过程、圆柱体的静态堆积和椭球体的动态卸料过程进行离散元模拟, 并与有限元数值结果及试验结果进行对比验证. 计算表明, 考虑接触点处等效曲率半径的超二次曲面非线性接触模型可准确地计算单元间的接触碰撞作用, 并合理地反映非球形颗粒体系的运动规律. 在此基础上进一步分析了不同长宽比和表面尖锐度对卸料过程中颗粒流动特性的影响, 为非球形颗粒材料的流动特性分析提供了一种有效的离散元方法.      

考虑等效曲率的超二次曲面单元非线性接触模型

基于连续函数包络的超二次曲面单元可有效地描述自然界和工业生产中的非球体颗粒形态,并通过非线性迭代方法精确计算单元间的接触力.对于具有复杂几何形态的超二次曲面单元,线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力.考虑超二次曲面单元相互作用时不同颗粒形状及表面曲率的影响,本文发展了相应的非线性黏弹性接触模型.该模型将不同接触模式下的法向刚度和黏滞力统一表述为单元间局部接触点处等效曲率半径的函数;切向接触作用则借鉴基于Mohr-Coulomb摩擦定律的球体单元非线性接触模型的计算方法.为检验超二次曲面单元接触模型的可靠性,对球形颗粒间的法向碰撞、椭球体颗粒间的斜冲击过程、圆柱体的静态堆积和椭球体的动态卸料过程进行离散元模拟,并与有限元数值结果及试验结果进行对比验证.计算表明,考虑接触点处等效曲率半径的超二次曲面非线性接触模型可准确地计算单元间的接触碰撞作用,并合理地反映非球形颗粒体系的运动规律.在此基础上进一步分析了不同长宽比和表面尖锐度对卸料过程中颗粒流动特性的影响,为非球形颗粒材料的流动特性分析提供了一种有效的离散元方法.     

粘接–映射混合算法及其对颗粒材料中板的振动特性分析

结构与颗粒材料相互作用广泛存在于各工程领域,其研究过程中涉及的连续–离散耦合计算方法面对诸多挑战.本文提出了粘接–映射混合算法来研究连续体与离散介质耦合动力学问题.将连续体模型划分为内部区域及与颗粒接触的边界区域.边界区域采用粘接算法模拟连续体外部形状并使用高效的球形接触判断准则;提出一种包含Rayleigh阻尼映射的有限元映射质点弹簧算法来精确计算连续体内部区域内力和变形.二者相结合构成粘接–映射混合算法,并引入计算机集群和GPU(图形处理器)并行技术,对埋没于颗粒材料中受激振动固支方板的连续–离散耦合动力学问题进行了数值仿真研究.结果表明,粘接–映射混合算法有利于双层级并行算法的程序实现及优化,并在连续–离散耦合界面进行快速接触判断的同时实现对颗粒材料中方板位移、变形、振动形态等参数的研究.通过定幅扫频和定频变幅方式考察激振力频率和幅值对振动板非线性动力学行为的影响并观察到二倍周期现象,同时给出了该连续–离散耦合系统中颗粒体系的能量耗散特性.     

粘接-映射混合算法及其对颗粒材料中板的振动特性分析

结构与颗粒材料相互作用广泛存在于各工程领域,其研究过程中涉及的连续-离散耦合计算方法面对诸多挑战.本文提出了粘接-映射混合算法来研究连续体与离散介质耦合动力学问题.将连续体模型划分为内部区域及与颗粒接触的边界区域.边界区域采用粘接算法模拟连续体外部形状并使用高效的球形接触判断准则;提出一种包含Rayleigh阻尼映射的有限元映射质点弹簧算法来精确计算连续体内部区域内力和变形.二者相结合构成粘接-映射混合算法,并引入计算机集群和GPU(图形处理器)并行技术,对埋没于颗粒材料中受激振动固支方板的连续-离散耦合动力学问题进行了数值仿真研究.结果表明,粘接-映射混合算法有利于双层级并行算法的程序实现及优化,并在连续-离散耦合界面进行快速接触判断的同时实现对颗粒材料中方板位移、变形、振动形态等参数的研究.通过定幅扫频和定频变幅方式考察激振力频率和幅值对振动板非线性动力学行为的影响并观察到二倍周期现象,同时给出了该连续-离散耦合系统中颗粒体系的能量耗散特性.      

垂直旋转流场中单颗粒运动状态判别及受力分析

为研究单颗粒在旋转流场中的运动状态及受力情况,以毫米级球形颗粒为例,利用旋转流场颗粒运动装置,通过使用摄像机记录颗粒在流场中的运动轨迹以获取其运动参数,分析了不同转速和颗粒直径条件下颗粒的运动轨迹,拟合得到了颗粒运动状态判别公式以及颗粒运动轨迹公式,分析了颗粒在旋转流场中的受力情况。结果表明,颗粒在旋转流场平衡状态下运动状态主要分为两类,一类是未离开壁面保持静止,另一类是离开壁面保持稳定周向运动;颗粒进行周向运动的轨迹为椭圆形,并且圆心随着转速的增大靠近旋转中心,而随着粒径的增大靠近壁面;颗粒在旋转流场的运动过程中主要受到离心力和旋转科式力作用。     

磁流变弹性体若干物理量的数值分析

应用有限元方法,考虑了颗粒的磁化饱和过程与非线性磁化过程,计算得到了磁流变弹性体中的磁场分布,进而研究了在不同磁场大小、不同颗粒体积比浓度下磁流变弹性体在成链方向的相对磁导率,计算结果和实验结果取得了一致。利用Maxwell应力张量,计算了磁场引起的磁流变弹性体的附加剪切模量。分析了颗粒体积比浓度、外加磁场对磁流变弹性体的磁致剪切模量的影响。研究了颗粒为旋转椭球形状时,颗粒的放置方式与其长短轴之比对磁流变弹性体的磁致剪切模量的影响。计算结果表明,磁流变弹性体的相对磁导率随颗粒体积比浓度的增大而增大,随磁场强度的增大而减小,颗粒的形状和放置方式对磁流变效应有很大的影响。     

排浆速度对尾矿沉积影响的模型试验研究

尾矿库中尾砂的沉积规律受颗粒级配、浆体浓度和排浆速度等因素的影响,其中排浆速度是影响尾矿沉积规律的主要因素之一。本文采用自行研制的水力分选粒度分析装置,对阜新同乃铁尾矿砂进行排浆速度分别为0.15cm/s、0.30cm/s、0.45cm/s的尾矿沉积模型试验。研究结果表明:(1)通过单粒尾矿砂临界状态分析,得到了尾矿颗粒运动-沉积临界速度关系和尾矿沉积判据,并通过试验验证其正确性。(2)沉积滩坡度随排浆速度的增加而减小,沉积池内的沉积坡度几乎不受排浆速度影响。(3)排浆速度越大,水平方向尾矿颗粒的分选性越好,以中值粒径为0.040mm代表,三种流速对应位置分别为61.4cm、70.8cm和76.7cm。     

明渠中悬移质的弥散-对流方程及悬浮机理

悬移质泥沙通常构成冲积河流总输沙量的主体, 研究悬移质的悬浮机理具有重要的意义. 以双流体模型为基础, 通过引入弥散速度的概念, 建立了悬移质泥沙的输沙方程以及泥沙扩散系数的本构关系. 应用该方程分析了二维明渠均匀流中悬移质泥沙浓度垂向分布规律, 并与Einstein 和Chien 的泥沙浓度实验资料及经典扩散理论进行了对比. 以此为基础, 分析了紊动扩散、颗粒自身的紊动、颗粒碰撞应力对泥沙悬浮的影响在垂向上的变化, 以及浓度、粒径等对这些因素的影响. 结果表明, 泥沙颗粒在明渠紊流中的扩散是浑水的紊动扩散、颗粒自身的紊动、颗粒碰撞应力3 部分不同机制共同作用的结果, 把泥沙颗粒的悬浮简单归因于水流的紊动是不全面的.     

筒仓泄料过程中阻塞现象的数值模拟

基于颗粒材料离散颗粒模型及颗粒流方案,通过数值试验研究了筒仓泄料过程中影响颗粒流发生阻塞的若干因素,给出了阻塞概率随筒仓底部开口半径及倾角、颗粒间摩擦系数及颗粒粒径分布的关系曲线.基于颗粒簇的概念,进一步研究了颗粒形状的影响,并对颗粒材料阻塞时的力链分布特征进行简要分析.     

悬浮颗粒运动的格子Boltzmann数值模拟

将固体颗粒的牛顿力学和格子Boltzmann方法相结合,研究不规则形状悬浮颗粒在流场中的运动。通过受力分析,精确求得其所受合力、合力矩、合力作用中心等。提出了跟随颗粒运动的动网格计算域技术和模拟悬浮颗粒转动运动的局部数组方法及Euler-Lagrange两套坐标技术。通过对椭圆颗粒运动的数值模拟和对照他人对矩形颗粒的研究,分析了其复杂运动规律,并提供了合理的物理解释。结果表明:运用格子Boltzmann方法和上述特殊技术可以得到与有限元方法相同的模拟精度,且具有计算速度快、对复杂形状边界处理方便灵活、程序简单及特别适合大规模并行计算等优点。     

颗粒增强复合材料压缩行为的位错动力学模拟

颗粒增强铜基复合材料因具有极高的强度和弹性模量, 优异的导电、导热性能和抗磨损能力, 被广泛应用于航天航空、汽车、电子工业等领域. 第二相强化是其主要的强化方式, 其通过合金中弥散的微粒阻碍位错运动, 可有效提高金属材料的力学性能, 提高其服役安全. 针对该问题本文采用三维离散位错动力学(three-dimensional discrete dislocation dynamics, 3D-DDD)方法, 对微尺度颗粒增强铜基复合材料进行了微柱压缩模拟, 分析了位错与第二相颗粒交互作用对材料力学响应的影响, 揭示第二相颗粒强化的微观机理. 本研究将第二相颗粒视为位错不可穿透的球形微粒, 采用位错绕过机制模拟颗粒与位错的交互作用过程. 通过调控滑移面相对于第二相颗粒中心的距离发现: 屈服应力和应变硬化率均随距离的增大而减小. 研究也发现Schmid因子越高的滑移系, 屈服应力越低, 后续应变硬化率越低. 多位错与颗粒交互作用的模拟发现, 同一滑移面中位错间的反应和不同滑移系中位错的交互作用可能是导致屈服应力和应变硬化率降低的关键.      

三维立方准晶椭球夹杂的Eshelby张量

准晶体颗粒复合智能材料具有优异的物化性能和应用前景。不同于传统的各向同性材料,三维立方准晶体材料包含声子场,相位子场,及声子-相位子耦合场。为更好地研究准晶体颗粒夹杂问题,揭示准晶体材料夹杂问题的物理现象,本文利用本征应变公式和柯西留数定理,考虑椭球体夹杂,获得了三维立方准晶材料夹杂问题的Eshelby张量,并给出了统一的表达式。进而,当三维立方准晶夹杂形状为球形、棒状、扁平状和带状时,获得了封闭形式的三维立方准晶Eshelby张量表达式。同时,给出了椭球体长径比变化时Eshelby张量的变化规律,这对研究准晶体颗粒夹杂问题具有重要的理论意义。