低雷诺数下团聚体细颗粒阻力修正系数的实验研究

对团聚体状细颗粒的阻力修正系数进行落球法实验研究,得到颗粒粒径比、团聚体颗粒与流场夹角、规则团聚体颗粒自身夹角和不规则团聚体的分形维数等参数对阻力修正系数的影响。结果表明,团聚体所含颗粒的粒径之比越大,其阻力修正系数越大;团聚体颗粒阻力修正系数随团聚体与流场夹角的增大而增大;团聚体颗粒自身夹角越大,阻力修正系数越大,团聚体颗粒自身夹角越接近0°,其阻力修正系数越接近于1。对于不规则团聚体颗粒,阻力修正系数随分形维数的增大而减小。     

钟摆状态下湿颗粒坍塌流动行为及其动力相似性

基于建立的湿颗粒离散动力学模型,本文系统研究了钟摆状态下湿颗粒柱在重力驱动下的坍塌流动过程,主要考虑了颗粒粒径、液体表面张力系数和液体含量等参数对系统坍塌流动模式和动力学行为的影响。研究发现,在湿颗粒系统中,颗粒粒径和液体表面张力系数会改变颗粒间的毛细力大小,引起系统发生不同的坍塌流动模式,而液体含量仅定量影响颗粒坍塌后的堆积形态。在此基础上,进一步探讨了不同模式下系统坍塌流动行为与模型参数的相关性,发现无量纲Bond数是决定钟摆状态下湿颗粒物质坍塌流动动力学行为的本质因素。     

颗粒振动分离的浮力计算折减修正法及数值模拟

颗粒材料在振动或流动情况下的分离行为如巴西果效应已经广为人知,为了解释这种分离行为已提出了渗透、对流、凝聚等一系列解释机制,但是尚未达成共识。本文研究颗粒上浮时所受的浮力,发现已有的大颗粒浮力计算方法无法解释大颗粒粒径改变时上浮行为不同这一典型现象。为此引入粒径比对已有的大颗粒浮力计算方法进行了修正,并证明了其合理性。此外,还研究了局部阻尼系数、振幅、颗粒密度对压强分布的影响。结果表明:所建议的修正办法能正确地计算不同粒径比下大颗粒受到的浮力;随着局部阻尼系数的增大,压强最大值增大,压强曲线下降趋势由直线变为曲线;随着颗粒密度的增大,压强最大值增大,但压强曲线下降趋势变化并不明显;随着加载振幅的增大,压强最大值与下降趋势变化均不明显。     

基于分形原理的红层软岩崩解特性试验研究

在模拟自然界降雨条件下对湘中地区的红层软岩进行了室内干湿循环下的崩解试验,推导了基于体积与粒径关联的分形维数计算方法,分析了随着干湿循环次数增大时红层软岩崩解物各粒组累计百分含量与各粒组含量的变化规律,研究了不同块度质量对崩解的影响,建立了循环次数与分形维数的数学关系。结果表明：当循环次数增大时,累计百分含量与粒径关系曲线明显向粒径较小的方向移动,且相邻曲线间的间距持续缩小,最终间距趋近于零,体现了软岩崩解速率不断减小且最终几乎不变的规律;大于5 mm～10 mm粒组大颗粒的含量不断减少,而小于5 mm～10 mm粒组小颗粒的含量不断增加;试块质量不同试样的分形维数先快速增加,直至第4次循环后,曲线增长速率明显减小,并逐渐趋于稳定。试块质量越大,其崩解后的分形维数也越大,这说明试块质量的大小与其崩解速率成正相关。建立了干湿循环次数与分形维数的数学关系,分析了数学关系的工程意义。     

颗粒材料剪切流动状态转变的环剪试验研究

颗粒材料的剪切流动行为广泛地存在于滑坡、泥石流等自然灾害以及矿物原料传输、泵送等工业过程中.颗粒材料在不同体积分数、剪切速率和应力约束下会表现出不同的流动状态并发生相互转化.对颗粒材料在剪切流动过程中力学特性的研究有助于加深理解其发生不同流动状态的内在机理,为解决相应的颗粒材料问题提供理论依据.为此,本文研制了颗粒材料剪切流动的中型环剪仪,并对颗粒材料在不同法向约束应力和剪切速率下的剪切应力和体积膨胀率进行了测试.结果表明,剪切应力和体积膨胀率均随剪切速率的增大而增大,但增长速率在临界剪切速率处发生转变,使其随剪切速率的平方呈分段式线性增长.通过对颗粒材料在不同剪切速率和惯性数下有效摩擦系数变化趋势的分析,讨论了颗粒材料由慢速流向快速流转化的基本规律,以及在临界剪切速率处发生流动状态转化的内在条件.此外,通过对不同法向应力下临界剪切速率以及快速流动下运动规律的测试,发现临界剪切速率随法向应力的增加而减小,即法向应力可促进颗粒材料由慢速流向快速流的转化,但在快速流动状态下的有效摩擦系数对法向应力不敏感.以上对颗粒材料在不同剪切速率、法向应力下流动状态的环剪试验研究有助于揭示其发生不同流动状态转化的内在机理.      

光弹模拟岩石分形节理的抗剪强度

本文用分形维数人为地制成具有分形曲线的节理面以模拟岩石节理粗糙度特征，利用光弹技术测定了分形节理最大剪应力随维数变化的过程．研究表明，岩石分形节理的抗剪强度不会随分维的增加而无限制地增大     

动静组合加载作用下花岗岩破碎的分形特征

在分离式霍普金森压杆实验装置上进行了花岗岩破坏的动静组合加载实验.通过对受载后岩样破碎块度进行筛分统计,得到了该加载条件下岩石破碎的粒度分布.在此基础上,通过理论计算公式,进一步得到了相应的破碎分形维数,分别探讨了静载荷和冲击载荷对分维数的影响.结果表明,动静组合加载作用下花岗岩破碎分维值在2.0～2.8之间;相同静载不同动载下,花岗岩的破碎分维值与试样的应变率有关,随应变率增大而增大;而在相同冲击动载下,静载荷变化对分形维数的影响不大.     

虎跳峡龙蟠右岸土石混合体粒度分形特征研究

应用分维理论对虎跳峡龙蟠右岸分布的土石混合体粒度分布的分维规律进行了研究分析,建立了平均粒径与相应的分维数之间的定量关系模型。通过研究表明,土石混合体具有良好的统计自相似性,由于其本身为级配不良土,在分维曲线上表现为双重分形分布,这种特殊的分维分布与土石混合体的成因及形成过程有关。     

含水合物的油包水体系流动数值模拟

在充分考虑油包水体系水合物生成特点的基础上，基于传热学、多相流、水合物动力学相关理论，建立了描述含水合物油包水体系流动规律的理论模型，并给出了模型的定解条件和求解方法。数值计算表明：产液量、含水率、液滴粒径均会影响水合物的生成，进而影响体系流动；当水合物的生成速率受体系提供的游离气量控制时，其值基本不变；进入水合物生成域，液滴转化为水合物颗粒并发生聚并，其量纲为一的聚并粒径在整个生成域保持恒定，且产液量越少、含水率越低、液滴粒径越小，量纲为一的聚并粒径越大；进入水合物分解区，水合物颗粒簇解体后又重新聚并，量纲为一的聚并粒径较生成域的小；水合物生成会导致体系的黏度增加，黏度增幅随水合物颗粒体积分数和量纲为一的聚并粒径的增大而增大。     

钢—铜摩损过程中磨粒积聚的分形研究

在销-盘摩擦磨损试验机上考察45^#钢-铜合金摩擦副的磨损性能,按一定时间间隔收集磨损过程中积聚的金属磨粒,然后用光学显微镜对不同粒径范围内的磨粒进行计数和分形研究。研究结果表明：不同粒径的金属磨粒所对应的积聚数呈现明显的分形特征,小磨粒积聚和大磨粒积聚表现出不同的分形特征,并具有双重分形现象;磨损过程中的磨粒积聚分形特征对应于某一粒径尺度的分形转折点,该分形转折点的坐标位置与磨损状态相关,因此确定分形转折点有助于甄别磨损状态。     

散料在料仓内流动特性的实验研究

用振动筛测量多种散料的筛分尺寸，测量散料的容积密度、安息角，用应变直剪仪进行散料内摩擦角、壁面摩擦角的测量，分析了散料颗料的形状、尺寸对散料的安息角、内摩擦角、壁面摩擦角的影响。用示踪法进行了圆筒内散料重力场中颗粒流线和等时线的试验，以及出口直径与流量的关系、筒仓内散料高度对流量的影响的试验，流量与筒仓内散料高度关系的试验。分析了散料各物性参数对散料流动性的影响，为散料存贮和运输设备的结构设计提供实验依据。     

Effect of particle size distribution on micro- and macromechanical response of granular packings under compression

The role of particle size heterogeneity on micro- and macromechanical properties of assemblies of spherical particles was studied using DEM simulations. The response to an imposed load of a granular material composed of non-uniformly sized spheres subjected to uniaxial confined compression was investigated. A range of geometrical and micro-mechanical properties of granular packings (e.g., void fraction, contact force distribution, average coordination number and degree of mobilisation of friction at contacts between particles) were examined, and provided a more accurate interpretation of the macroscopic behaviour of mixtures than has previously been available. The macromechanical study included stress transmission, stiffness and angle of internal friction of the granular assemblies.The degree of polydispersity showed slight effect on both, the void fraction and the elastic properties of the system. The tendency for increase in the lateral-to-vertical pressure ratios was observed with an increasing degree of particle size heterogeneity; however, the different pressure ratios calculated for samples with various degrees of polydispersity lay within the range of data scatter.     

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。     

锥体料斗内散料流动相对速度分布的实验研究

用示踪法进行了散粒体在圆锥料斗内不同出口直径条件下流动时相对速度分布的试验，并以此对Jenike轴向应力和共轴理论进行了实验验证，发现有些散料与Jenike轴向应力和共轴理论符合较好，而有些与之偏差较大。分析了内摩擦角、壁面摩擦角对最大主应变率方向的影响。     

摩擦信号分形维数与载荷和速度的关系研究

在立式万能摩擦磨损试验机上对GCr15/45#钢摩擦副进行不同接触载荷和滑动速度下的摩擦磨损试验,对初始滑动距离1 000 m内的摩擦系数信号进行数据采集,运用结构函数测度方法对摩擦系数信号进行分形表征,计算不同载荷和速度下的分形维数,研究摩擦信号的分形维数随载荷和速度的变化规律.结果表明,摩擦系数信号具有显著的分形特征,其分形维数随载荷和速度而变化.在相同载荷下,分形维数随滑动速度增加而增大;在相同速度下,分形维数随着接触载荷增加而增大.磨损率与摩擦系数信号的分形维数正相关.     

Initial planar deformation of dilatant granular materials

A theory for the initial planar deformation of dilatant granular materials based on a kinematic proposal of R. Butterfield and R.M. Harkness (1972) is presented. The theory introduces an additional parameter called the angle of dilatancy into the traditional structure of plasticity theories for granular materials and soils. When the angle of dilatancy is zero, the present theory reduces to the theory introduced by A.J.M. Spencer in 1964. When the angle of dilatancy is equal to the angle of internal friction, the present theory reduces to the planar form of the theory introduced by D. C. Drucker and W. Prager in 1952. The properties of the theory presented here include coincidence of the stress and velocity characteristics, realistic energy dissipation predictions, and, in general, non-coincidence of the principal axes of stress and strain-rate. However, the angle of dilatancy is assumed to be a constant in this analysis and it does not decrease to zero with increased monotonic shearing deformation as experiment requires that it should, the theory therefore being limited to the initial deformation of dilatant granular materials.     

Calibration of granular material parameters for DEM modelling and numerical verification by blade-granular material interaction

The discrete element method (DEM) is a promising approach to model blade-granular material interactions. The accuracy of DEM models depends on the model parameters. In this study, a calibration process was developed to determine the parameter values. The particle size was the same as the real material and the particle shape was modelled using two spherical particles rigidly clumped together to form a single grain. Laboratory shear tests and compressions tests were used to determine the material internal friction angle and stiffness, respectively. These tests were replicated numerically using DEM models with different sets of particle friction coefficients and particle stiffness values. The shear test results are found to be dependent on both the particle friction coefficient and the particle stiffness. The compression test results show that it is only dependent on the particle stiffness. The combination of shear test and compression test results can be used to determine a unique set of particle friction and particle stiffness values. The calibration process was validated experimentally and numerically by modelling a blade moving through granular material. Results show that the forces acting on the blade can be accurately modelled with DEM and the maximum error is found to be 26%. The relative particle-blade displacements were used to predict the position and shape of the shear lines in front of the blade. A good qualitative correlation was achieved between the experiments and the DEM simulations.     

颗粒摩擦对颗粒材料剪切行为影响的试验研究

通过对一种类似于土的颗粒材料--玻璃珠开展一系列室内直剪试验,研究颗粒间摩擦对颗粒材料剪切行为的影响. 试验一共考虑了4种不同的摩擦情况:干燥状态、用水浸润状态、完全淹没在水中和用油浸润状态. 分析试验结果发现,与干燥状态试样相比,用油浸润能明显降低试样的剪胀性和抗剪强度,而用水浸润和淹没在水中的方法没有产生显著的影响. 此外,通过在剪胀关系式中引入可变剪胀系数来考虑颗粒摩擦对颗粒材料剪胀性的影响,并从颗粒滑动与滚动的细观机理上初步解释了颗粒滑动摩擦角对临界状态摩擦角的影响规律.     

Multi-slip gradient formulation for modeling microstructure effects on shear bands in granular materials

This paper presents a higher order gradient multi-slip formulation to model the effect of inhomogeneous deformation in granular materials. The effects of heterogeneity and porosity anisotropy within the multi-slip formulation are taken into consideration through the modification of the mobilized friction. The mobilized friction is assumed to be a direct function of either the gradient of the porosity distribution or the fabric tensor. The formulation with two active slip planes was implemented into a finite element code and used to simulate biaxial shear tests on dry sand. The analysis quantifies most of the shear band characteristics observed by past experimentation. It is shown that the localization and shear band characteristics in granular materials are very much dependent on the initial fabric and slip system arrangement.     

结合面静摩擦因数分形模型的建立与仿真

提出一个确定分形维数和分形粗糙度参数(G')的分形函数,并用分形函数逼近结合面的表面粗糙度.根据分形理论和改进后的尺寸分布,推导了静摩擦因数f的解析解.数字仿真结果表明,f随量纲为一的总法向载荷(P')增加而增加.当D较小或较大时,f与(P')之间存在不同的微凸和微凹弧非线性关系,D=1.2时f与(P')的关系基本上是线性的;当D较小时,f随D增加而增加;当D较大时,f随D增加而减小;f随分形粗糙度参数(G')增加而减小,随相关系数K增加而增加,随材料特性(φ)增加而增加.