颗粒毛细效应影响因素的离散元分析

颗粒毛细效应是指将一根细管插入填充有颗粒物质的容器中并对管施加竖直振动时颗粒在管内上升并最终达到一个稳定的高度的现象,该现象为颗粒物料的逆重力输运提供了一种潜在的技术途径.为探究颗粒毛细效应的影响因素,采用离散元方法,模拟再现了颗粒毛细效应过程,展示了不同管径下颗粒竖直方向速度演变特性,考察了不同容器宽度和振动条件下颗粒最终毛细上升高度随管径的演变规律.结果表明,在容器宽度与粒径比为40、管振幅与粒径比为14.33、管振动频率为12 Hz情况下,管径与粒径比D/d=3.33时,管内颗粒堵塞严重,使得颗粒上升缓慢,并造成颗粒柱中断; D/d=8.33时,起初毛细上升高度增加迅速,随后毛细上升高度的增大逐渐减缓,管内颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度; D/d=15时,随着颗粒毛细上升高度的增大,管内颗粒柱分离为速度截然不同的两层,上层颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度,而下层颗粒存在明显的速度梯度.研究还发现,在毛细效应能够发生的管径范围内,存在一个对应于颗粒最终毛细上升高度最大值的临界管径,当管径小于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而增大,当管径大于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而趋于减小;增大容器宽度,临界管径有所增大;增大振幅、适当提高频率能够有效促进临界管径的增大.     

竖直振动管中颗粒毛细效应的离散元模拟

将一根细管插入填充有颗粒的静止容器中并对管施加竖直振动,颗粒将在管内发生上升运动,并最终稳定在一定高度,这一现象与液体毛细效应类似,被称为颗粒毛细效应.为探究颗粒毛细效应过程中伴随的颗粒尺度动力学行为及机理,基于离散元方法建立颗粒运动模型,对颗粒毛细效应动力学过程和特性开展数值模拟研究.模拟再现了文献中实验得到的颗粒毛细效应全过程,给出了管内颗粒柱高度随时间的演变规律,结果表明,受到颗粒系统参数的影响,本模拟条件下颗粒毛细效应过程呈现单周期上升、倍周期上升和倍周期稳定三个阶段,在倍周期上升阶段颗粒柱上升速度逐渐减小,平缓过渡到稳定阶段.在此基础上,分析了管内颗粒速度场和填充率分布随时间的演变特性,揭示了颗粒毛细效应过程中由容器传输到管内的颗粒的占比分布.研究发现,管内不同高度位置颗粒的运动并不同步,随着管的振动,管内出现速度波,速度波的传播引起管内颗粒出现膨胀和压缩交替的情况,从而管内颗粒填充率随时间发生周期性波动;在上升阶段,越接近管壁由容器传输到管内的颗粒占比越大,在稳定阶段,管内上层颗粒的对流引起容器传输到管内的颗粒占比发生反转.      

竖直振动管中颗粒毛细效应的离散元模拟

将一根细管插入填充有颗粒的静止容器中并对管施加竖直振动,颗粒将在管内发生上升运动,并最终稳定在一定高度,这一现象与液体毛细效应类似,被称为颗粒毛细效应.为探究颗粒毛细效应过程中伴随的颗粒尺度动力学行为及机理,基于离散元方法建立颗粒运动模型,对颗粒毛细效应动力学过程和特性开展数值模拟研究.模拟再现了文献中实验得到的颗粒毛细效应全过程,给出了管内颗粒柱高度随时间的演变规律,结果表明,受到颗粒系统参数的影响,本模拟条件下颗粒毛细效应过程呈现单周期上升、倍周期上升和倍周期稳定三个阶段,在倍周期上升阶段颗粒柱上升速度逐渐减小,平缓过渡到稳定阶段.在此基础上,分析了管内颗粒速度场和填充率分布随时间的演变特性,揭示了颗粒毛细效应过程中由容器传输到管内的颗粒的占比分布.研究发现,管内不同高度位置颗粒的运动并不同步,随着管的振动,管内出现速度波,速度波的传播引起管内颗粒出现膨胀和压缩交替的情况,从而管内颗粒填充率随时间发生周期性波动;在上升阶段,越接近管壁由容器传输到管内的颗粒占比越大,在稳定阶段,管内上层颗粒的对流引起容器传输到管内的颗粒占比发生反转.     

颗粒物质在竖直管中下行蠕动流动的实验测量

颗粒流蠕动行为是颗粒物质在竖直管中流动时常见的一种流动现象,其产生机理较复杂。为此,本文在在内径为150mm、高为5000mm的竖直管实验装置上,以FCC催化剂为固体颗粒物料,采用PV6型颗粒速度测量仪,测量不同颗粒流率下竖直管中的颗粒下行蠕动流动速度以及颗粒固含率,系统地考察了颗粒物质在竖直管中下行流动时的蠕动流动特性及产生机理。实验结果表明,颗粒物质在竖直管中下行流动时的流动行为可划分为两种形式。在颗粒流率较小时,颗粒物质下行速度呈现脉冲式变化,有速度停滞,可称之为蠕动I型流动。随着颗粒流率的增加,颗粒下行速度停顿消失,但仍是起伏变化,为蠕动II型流动。当颗粒流率增大到一定值后,颗粒物质下行蠕动行为消失,转变为流化流动。颗粒物质下行的蠕动行为是出口区颗粒成拱与崩塌、颗粒与器壁滑动摩擦和颗粒力链作用的综合反映。     

微颗粒对超声空蚀影响的试验研究

为了探明微颗粒对超声空蚀影响的具体机制,使用超声振动空蚀试验装置对45钢在四种不同的微颗粒-纯水的悬浊液中的空蚀行为进行了研究,使用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观测空蚀后的样品表面,对空蚀坑的数量分布及微观结构进行分析,结果表明空蚀破坏程度与SiO₂悬浊液浓度有重要关联. SiO₂悬浊液存在1个临界浓度,小于临界浓度时,空蚀破坏程度随浓度的增加而增大;大于临界浓度时,空蚀破坏程度随浓度的增加而减弱. 空蚀破坏程度随粒径的增大而减弱,但空蚀坑的坑径随微颗粒粒径的增大而增大. 相比于纯水介质,添加SiC、Al₂O₃和SiO₂微颗粒均会加剧空蚀破坏程度,其中,SiC微颗粒对空蚀破坏的促进最为显著. 相比之下,Al微颗粒添加后空蚀破坏却明显减弱,起到了抑制超声空蚀的作用,这可能与不同颗粒所负荷不同电荷类型有关.      

深海采矿系统中悬臂式立管涡激振动分析

不同于传统的海洋立管, 深海采矿系统中的垂直提升管道可以被视为一个底部无约束的柔性悬臂式立管, 工作过程中同样面临涡激振动和柔性变形问题. 本文采用一种无网格离散涡方法和有限元耦合的准三维时域求解数值模型, 系统性地研究了不同流速下悬臂式立管的涡激振动问题. 结果表明: 悬臂式立管的横向振动模态阶数随折合速度增加而增大, 在一定折合速度范围内主导振动模态保持不变; 当主导模态转变时, 对应的横向振幅会发生突降, 但是当新的高阶模态被激发后, 立管振幅随来流速度增加而再次逐渐增大; 在相同的振动模态下, 立管底部位移均方根值随折合速度线性增加, 主导振动频率在模态转变时会出现跳跃现象; 特别地, 本文讨论了三阶主导模态下悬臂式立管的振动响应, 无约束的立管底部呈现出较大的振动能量, 且振幅的驻波特征随折合速度增加而逐渐增强; 本文比较了两端铰支立管与悬臂式立管的涡激振动响应特征, 两者在振幅和主导振动频率两方面均表现出了相同的变化趋势.      

固体颗粒对半球扰动尾迹影响的实验研究

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板层流边界层中半球粗糙元尾迹的影响. 实验采集了清水和加入粒径为140 $\mu$m, 220 $\mu$m, 350$\mu$m聚苯乙烯固体颗粒4种工况下二维速度场信息, 基于半球半径的雷诺数为994 ($Re_R=RU/\upsilon$), 固体颗粒的体积浓度为$3.0\times10^{-5}$. 对比清水和两相工况下的平均速度剖面、湍流强度等宏观统计量, 分析固体颗粒对半球尾迹流动宏观特性的影响. 分别利用沿流向不同位置的流向脉动速度的二维空间相关系数和法向脉动速度的功率谱密度函数分析颗粒对尾迹结构演化过程及尾迹结构脱落频率的影响. 结果发现: 与清水相比, 回流区随颗粒粒径增大而逐渐增大; 颗粒使湍流强度增大, 回流区的存在导致在半球后流向位置$2R$前后区域湍流强度呈现不同变化趋势; 颗粒使尾迹结构的流向尺度减小并且随着颗粒粒径的增大先减小后增大; 在尾迹结构运动过程中颗粒的存在促进了尾迹结构的周期性加速和减速运动, 促进作用随着颗粒粒径的增大先增强后减弱; 颗粒的存在促进了尾迹结构的脱落, 脱落频率随颗粒粒径的增大先增大后减小.      

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。     

近壁面柱体涡激振动的迟滞效应

柱体涡激振动是典型的流固耦合问题,其响应规律大多是在升速流动和远离壁面条件下获得的.而自然环境流动通常不断经历升速和降速过程,近壁面柱体的涡激振动可呈现与远离壁面柱体不同的响应特征.本研究结合大型波流水槽,设计了具有微结构阻尼的柱体涡激振动装置.基于量纲分析,开展系列水槽模型实验,通过同步测量柱体涡激振动位移时程和绕流流场变化,研究了升降流速作用下柱体涡激振动触发和停振的临界速度(即上临界和下临界速度)变化规律,探究了近壁面柱体涡激振动迟滞效应.采用自下向上激光扫射的PIV流场测量系统,对比分析了固定柱体和涡激振动柱体的绕流特征.实验观测表明,近壁面柱体涡激振动触发的临界速度呈现随壁面间距比减小而逐渐减小的变化趋势;但流动降速条件下的涡激振动停振所对应的下临界速度却明显小于升速时的涡激振动触发所对应的上临界速度.采用上临界与下临界约减速度差值可定量表征涡激振动迟滞程度,研究发现该值随着柱体间距比减小呈线性增大趋势.涡激振动迟滞现象通常伴随振幅阶跃,振幅阶跃值则随着间距比减小而非线性减小.     

竖直振动颗粒床对流机制的颗粒尺度实验研究

为了得到竖直振动颗粒床形成对流的运动模式及形成机制,本文通过高速摄影技术对竖直振动颗粒床进行了实验研究。实验发现,随着振动加速度的增加,对流环覆盖的粒子层数和强度明显增加。通过分析颗粒速度矢量图的演化,可以获得控制对流运动的各种应力波在在粒子床中传播的信息,发现应力波的强度和持续时间与振动加速度密切相关。通过实验发现,对流运动发端于重力波面上粒子从侧壁向粒子床中心的不可逆跃迁,这种横向对流的强度与重力波面的曲率密切相关,而持续的时间随粒子床振动周期的变化而变化。     

A new physical model on the capillary phenomenon of granular particles

Similar to the capillary phenomenon of liquid, granular particles can move up to a certain height along a vertically vibrating tube. The certain height, which is called the equilibrium height, is related to some parameters, e.g., the inner diameter of the tube, the amplitude, and the vibration frequency. In this paper, a theoretical model is proposed to explain the physical origin of the capillary phenomenon and the effects of the inner diameter of the tube, the amplitude, and the vibration frequency on the equilibrium height. In this model, the volumes of the inflowing and outflowing particles in a vibration period are calculated, which can significantly broaden our understanding in the flow of particles in the bottom of the tube. In order to prove the assumption of this physical model that the particles in the bottom of the tube move in the form of sine, several experiments are conducted. The granular climbing heights at different granular positions and different time stages are measured. The results show that granules move in the form of sine, which almost coincides with the motion of the tube. Moreover, motivated by the sampling on the asteroid regolith based on this mechanism, the sampling efficiencies for various vibration amplitudes and frequencies are discussed based on the new proposed model. It is found that there is an optimum frequency at which sampling is the most effective.     

Penetration into a granular bed in the presence of upward gas flows

We present a numerical study on the penetration of spherical projectiles into a granular bed in the presence of upward gas flows. Due to the presence of interstitial fluid, the force chains between particles in the granular bed are weakened significantly, and this distinguishes the penetration behavior from that in the absence of fluid. An interesting phenomenon, namely granular jet, is observed during the penetration, and the mechanism for its formation and growth is attributed to the merging of granular vortices generated by the interaction between the intruder and primary particles. Moreover, both the final penetration depth and the maximum diameter of the crater are found to follow a power-law dependence with the impact velocity, and the maximum height reached by the granular jet tends to increase linearly as the impact velocity increases, agreeing well with the experimental results reported in the literature.     

FLOW OF A TRAIN OF DEFORMABLE FLUID PARTICLES IN A TUBE

I.IntroductionWangandSkalakll]studiedforsolidspheresintubes.HymanandSkalak12--31studiedthemovementofacompactfluidspheres(non-deformable)intubes.Theyonlystudiedcompactdropswhoseradiusesarenotbiggerthan0.7.Pozrikidisl4]studiedthenlotiollofdeformabletluidparticlesintubes.Inthispaper,westudiedtwo-phasenowregime,consistingofaperiodictrainofequallyspacedliquidslugsmovingaxisymmetricallyinacontinuousliquidphasewhichisimmisciblewiththeslugphase(Fig.l(a)).Wereportnumericalsolutionsforthehydrodynamic…     

圆柱尾流的绝对不稳定性

在水槽和低湍流度水洞中进行亚临界雷诺数圆柱尾流稳定性实验来流速度由零缓慢增长到一定值后保持不变,稳定足够长时间后,在流向某站位处给流场一个有限幅值的脉冲扰动,测量扰动前后相当长时间内下游尾流速度信号的变化情况当雷诺数处于高亚临界值时,未受扰动的尾流速度脉动很小,处于定常状态,但对近尾流进行脉冲扰动后,能够激发出不衰减的旋涡脱落发现扰动位置限制在圆柱后一定范围内才能有效,再往下游则扰动随时间衰减．说明圆柱近尾流中存在一个绝对不稳定区,在该区域内的扰动将在当地放大,经过复杂的演化,最后形成不衰减的旋涡脱落.     

A model for pressure loss, film thickness, and entrained fraction for gas-liquid annular flow

A two-component (air-water) annular flow model is presented requiring only flow rates, absolute pressure, temperature, and tube diameter. Film thicknesses (base film and wave height) are calculated from a critical film thickness model. Modeled pressure gradient is weighted by wave intermittency to compute average pressure gradient. Film flow rate and wave velocity are estimated using the universal velocity profile in the waves and a piecewise linear profile in the base film. For vertical flow, mean absolute errors for film thickness, wave velocity, and pressure gradient are 9%, 9%, and 19%, respectively. In horizontal flow, mean absolute errors for pressure gradient, base film thickness, and disturbance wave velocity are 17%, 10%, and 14%, respectively, on par with those from single-behavior models that require additional film thickness or other data as inputs.     

THERMOELASTIC VIBRATION OF FLUID-CONVEYING MICROTUBES EMBEDDED IN ELASTIC MEDIUMS

研究热环境中被弹性介质包围的微米输流管道的横向振动问题. 根据Hamilton 原理及非线性热弹性理论建立管道横向振动控制方程,并利用复模态法对其进行求解,得到了系统的固有频率和屈曲失稳临界流速,讨论了环境温度和一些重要系统参数对管道振动特性的影响. 研究结果表明:环境温度变化、管道和流体的微尺度效应、管道外径及弹性介质刚度对输流微管道固有频率和临界流速都有很大影响.     

Lateral migration mechanisms in capillary hydrodynamic chromatography

In all chromatographic systems that achieve separation of colloidal particles based on the particles' hydrodynamic behavior, there are partitioning mechanisms that promote lateral migration of particles across solvent streamlines. In this work, solvent inertia and particle electrostatics are incorporated in Brenner & Gaydos' general diffusive transport theory for particles and solvent flowing in a capillary, yielding the mean axial velocity of particles as a function of particle size. A comparison is made with capillary hydrodynamic chromatography results. The lateral migration of small particles is primarily due to diffusion, while large particles are focused by the inertial force at one equilibrium radial position, as observed in “tubular pinch” experiments. The transition from diffusion- to inertia-controlled lateral migration can be tuned to specific particle size ranges through variation of solvent ionic strength, flowrate and capillary radius. Poor prediction of the separation behavior of large particles is attributed to inaccuracy in the calculation of the inertial radial velocity, suggesting the need for further theoretical analysis and experimental study of inertial migration.     

局部扩张动脉管血液振荡流的切应力分布

本文求解局部缓慢扩张动脉管中血液振荡流的基本方程，得到血管内血液的流速与压力梯度的关系。通过导出压力梯度沿局部扩张管轴向的变化特性。建立利用扩张段上游血管均匀段中心流速波形确定局部扩张管中血液流的速度和切应力分布的方法，文章以人体颈动脉余弦扩张为例进行分析。详细讨论了局部扩张对血管壁切应力及其梯度分布的影响。数值结果表明，在与刚性均匀管中管壁切应力沿轴向保持不变不同，在局部扩张段，管壁切应力将随着血管半径的增大而减小，因而管壁切应力梯度一般不为零，甚至在某些位置达到相当大的数值。另外，随着血管扩张程度的增加，管壁切应力还将进一步减小，而且管壁切应力梯度也将进一步增大，血管扩张导致管壁切应力的这些变化将直接影响血管壁的结构和功能，使其产生适应性的变化。