二维液桥计算模型及湿颗粒材料离散元模拟

本文研究了二维情况两直接相邻颗粒间液体以液桥形式存在时的液桥临界断裂距离及液桥力的计算过程。导出了用颗粒半径、三相接触角和液桥体积表示的二维液桥临界断裂距离拟合公式及两个接触或非接触颗粒间液桥毛细力随液桥体积的变化关系。引入Voronoi胞元计算定义基于参考颗粒介观结构的物质点的平均饱和度。提出了考虑液桥效应的二维湿颗粒离散元模型,并用以模拟不同初始均匀饱和度下湿颗粒集合体中的吸力效应,验证其有效捕捉以应变局部化为特征的破坏模式的能力。     

悬浮体屈服应力的测量方法和影响因素

本文着力推荐了两种静态屈服应力测量方法——叶片法和斜面平衡法，对实验方法的可靠性及实验结果进行了比较，并对三种悬浮体在全浓度范围内屈服应力与颗粒体积分率的关系，应用四参数模型方程进行了拟合，方程的预示值能与实验结果较好地吻合，并对颗粒体积分率和形貌对屈服应力的影响进行了探讨     

钛酸钙系电流变液在直流电场下损耗模量的研究

研究了直流电场下钛酸钙系电流变液在动态振荡剪切模式下损耗模量的变化。用流变仪测试了不同颗粒体积分数材料在不同的温度和电场下损耗模量随应变的关系曲线。讨论了颗粒体积分数、温度、电场强度以及频率对材料损耗模量的影响。以理论推导和试验数据拟合的方法给出了损耗模量与颗粒体积分数、振荡频率、温度以及电场强度等参数的半经验数学关系式。理论值对比试验结果表明,本文损耗模量表达式与试验结果符合较好,可以用于预测直流电场下钛酸钙系电流变液在动态振荡剪切模式下颗粒体积分数、温度、电场强度、频率和剪切应变对损耗模量的影响。     

圆管内粗糙壁面处微细颗粒沉积规律研究

针对固体颗粒在圆管中的沉积问题,本文采用DEM(Discrete-Element Method)描述颗粒与壁面的碰撞特征,采用湍流雷诺应力模型结合拉格朗日随机轨道模型对0.01μm~50μm的微细颗粒在壁面的沉积特性进行了研究。考查了颗粒粒径、重力、壁面位置、雷诺数Re、有效表面能、弹性模量对沉积速率的影响。结果表明:下壁面的沉积速率最大,上壁面的最小;颗粒在下壁面的沉积速率随量纲为一的弛豫时间呈V型曲线变化;当空气平均流速为0.5m/s时,颗粒小于1μm时即可忽略重力的影响,并且随着空气流速的增大,需要考虑颗粒重力的临界直径会逐渐增大;颗粒的粘附/反弹特征对沉积有很大影响,有效表面能越大,沉积速率越大;有效弹性模量越大,沉积速率越小;当颗粒小于10μm时,沉积速率随雷诺数Re的增大而增大;当颗粒大于等于10μm时,沉积速率随雷诺数Re的增大而减小。     

双圆柱气囊缓冲性能分析

基于有限元法和控制体积法,建立了双圆柱气囊缓冲系统的有限元模型。以着陆速度为6.7m/s,高为2m,直径为1m的圆柱形气囊为例,利用LS-DYNA软件计算气囊缓冲过程中空投设备的速度和加速度,并对影响气囊缓冲性能的织物弹性模量、排气孔开口面积以及气囊初始内压进行了分析。结果表明:(1)当气囊织物的弹性模量E≤0.5GPa时,增大弹性模量可以显著提高气囊的缓冲性能;当气囊织物的弹性模量E0.5GPa时,增大弹性模量对气囊缓冲性能的影响很小。(2)在不超过排气阀门值的范围内,增大气囊的初始内压可以有效地提高气囊的缓冲性能。     

三维圆柱型颗粒堆坍塌问题的全相态数值模拟

静态颗粒堆在重力作用下的坍塌问题, 是认识和理解许多人为过程和自然现象的基础. 采用传统方法进行模拟存在单颗粒追踪数量大、宏观模拟流变特性明显和相态演变复杂等计算难点. 本文从颗粒介质表现出不同相态的物理机理出发, 对全相态概念进行了定义并进行了区域划分. 根据颗粒介质的应力-应变关系及体积分数的不同, 通过确定不同相态之间的耦合关系和转化准则, 将描述各相态的现有理论有效结合起来, 建立了描述颗粒介质经历全部相态的耦合模型理论. 采用光滑离散颗粒流体动力学方法和离散单元法相耦合的策略, 对颗粒介质物理模型求解, 实现了对不同长径比下的三维圆柱型颗粒堆坍塌过程的数值模拟. 计算结果与实验结果吻合较好, 同时与离散单元法相比, 计算量得到了控制. 不仅捕捉到了不同参数影响下颗粒堆坍塌后沉积的不同现象, 同时获得了不同条件参数对颗粒堆坍塌后铺展特性的影响规律, 为揭示工业和自然界中广泛存在的颗粒介质复杂运动机理提供有效的支撑.      

高层建筑动力灾害模拟分析(Ⅱ)—受撞击坍塌过程模拟与对比分析

为了对高层建筑受飞机撞击后坍塌过程进行研究,使用颗粒流理论作为基础,对一建筑受飞机撞击后坍塌过程进行模拟。构建建筑和飞机的颗粒流模型,引入颗粒流的爆炸及火灾模型。模拟过程包括:飞机的撞击、油箱的爆炸引起的火灾、建筑坍塌至稳定的过程。飞机以900km/h的速度分别在高程为250m和150m处正对建筑进行撞击,分析建筑坍塌过程。结果表明,坍塌形式和时间受到经历过程(撞击、爆炸、火灾)、飞机质量和速度、建筑结构和撞击位置影响。本例主要是受撞击位置的影响,当在150m高程处撞击时坍塌时间为35.6s,而在250m高程处撞击时为64.4s。对两种核心筒构建方法进行比较,结果表明,增加构件尺寸较提高材料强度对建筑安全更有效。     

密度不同的颗粒在流体中的沉降特性

采用格子Boltzmann方法(LBM)对雷诺数范围为5≤Re≤12的双颗粒沉降进行了直接数值模拟研究,主要关注颗粒之间的密度差异k对其周期性振动的影响。根据雷诺数颗粒沉降特性可以分成三个阶段,即当Re较小时,颗粒的振动幅度随k的增大而减小,当Re较大时则正好相反,介于两者之间存在一个临界雷诺数,在此雷诺数附近,颗粒的沉降同时具有以上两种特征。同时还研究了两个颗粒的稳定沉降结构以及重颗粒摆脱轻颗粒的条件。     

双轴压缩下颗粒物质接触力与力链特性研究

为探究双轴压缩过程中颗粒物质接触力与力链特性,采用离散元法研究双轴压缩过程,得到双轴压缩过程中颗粒体系宏观力学特性,即偏应力、体积应变变化规律,并通过对接触力大小分布规律、接触力角度分布规律等细观层次分析,完成接触力大小、力链方向性量化描述,同时探究围压对颗粒物质力学特性的影响。研究表明,双轴压缩过程经历应力强化、应力软化、应力波动三个阶段。在各阶段,强接触与总体接触的各类型接触力大小分布规律可采用高斯函数或指数函数拟合,弱接触的法向与总接触力分布较为均匀;直径较大颗粒上具有接触力集中现象,集中程度随着围压升高而加强;力链网络形态经历"鱼鳞"状-"柱"状-"拱"状-"龟壳"状演变,由初始时基本各向同性,逐渐向最大主应力y向偏转,表现出强烈各向异性,最后又经历小幅度偏转偏离y向。不同围压下力链分量比变化规律证实了该发现,接触力角度分布规律也从力链承载方向验证了此结论。研究结果将为探究双轴压缩中颗粒物质力学特性提供理论基础。     

装药比对中心炸药抛撒钨颗粒群影响的实验研究

在炸药抛撒颗粒的过程中,颗粒与炸药质量之比对抛撒颗粒的动能特性有重要影响。对中心为8710药柱,周围为钨颗粒的圆柱形装药进行了实验。实验中装药中心药柱的质量为200g,钨颗粒的质量与药柱的质量比(简称装药比)在2～7之间。实验结果表明,在有效作用距离内(2m～6m)颗粒数密度随装药比的增加呈正比增加;在近距离上(2m,3m),随装药比增大颗粒对纸靶的最大穿深明显下降,但在较远的距离上(4m,5m,6m),各装药颗粒对纸靶的最大穿深比较接近,随装药比增大而下降的规律不明显。颗粒对纸靶的平均穿深随装药比变化的规律与最大穿深相似。纸靶单位面积上的总穿深对装药比不敏感,随装药比的增大略成线性增大的趋势。     

炭黑颗粒增强橡胶界面脱粘单向拉伸力学行为研究

利用岛津万能试验机对天然橡胶与丁苯橡胶共混的胶料(NSBR)进行常温下多步松弛循环加卸载试验,拟合材料参数。通过电镜实验观察复合材料截面,发现炭黑体积分数较大时,炭黑颗粒存在聚集现象。建立了圆形炭黑颗粒增强橡胶复合材料二维多颗粒随机分布RVE模型,并运用ABAQUS软件对炭黑颗粒增强橡胶界面脱粘和颗粒聚集行为进行仿真。对比不同体积分数和不同粒径分布形态等情况下单轴拉伸的宏观力学响应,结果表明:炭黑体积分数越大,炭黑增强橡胶界面开始发生脱粘的应变越小,越容易发生脱粘。针对炭黑的不同聚集程度,并考虑颗粒的界面脱粘,发现考虑颗粒聚集的模型应力集中程度更高,更容易发生脱粘。因此,炭黑体积分数越高,越不能忽略颗粒与基体的界面脱粘以及炭黑颗粒团聚。     

风吹雪廓线的风洞实验研究

利用颗粒图像测速仪对新雪形成的风吹雪进行风洞实验研究, 给出了不同高度处雪粒粒径分布函数以及平均粒径廓线、雪粒数通量廓线的分布规律. 发现当摩阻风速大于0.5 m/s 时单宽输雪率与摩阻风速满足指数函数的关系, 小于0.5 m/s 时两者满足幂函数的关系, 总体而言, 单宽输雪率与摩阻风速呈线性关系.     

页岩气吸附解吸规律研究

页岩中天然气的吸附解吸规律是页岩气开发的基础。根据物质平衡原理,自行设计了页岩气吸附解吸实验装置。用该装置对取自鄂尔多斯盆地的三个页岩岩样在不同温度(30～90℃)、不同压力(0.1～10MPa)条件下,进行页岩气吸附及解吸规律研究。实验结果表明,吸附量随有机碳含量的增加而增大;随压力的增加吸附量增大,而随温度的增大吸附量减小。同一温度压力条件下,相对吸附过程而言,解吸过程有滞后现象,解吸不够彻底。对粘土含量较大的页岩,朗格缪尔模型拟合效果较差,而利用修正的双朗格缪尔模型可以得到较好的拟合结果。     

颗粒增强橡胶细观力学性能二维数值模拟

在细观层次上建立了具有随机分布形态的代表性体积单元,通过细观力学有限元方法对炭黑颗粒填充橡胶复合材料的宏观力学性能进行了研究。采用二维平面应变模型进行单轴压缩模拟仿真,通过施加周期边界条件保证了代表性体积单元变形场的协调性。重点研究讨论了颗粒的随机分布形态和粒径大小、刚度、体积分数对复合材料宏观应力-应变关系曲线和有效弹性模量的影响。结果表明:炭黑颗粒的填充显著提升了橡胶材料的刚度,在炭黑含量Vf=0.2513时,复合材料的有效弹性模量值高于橡胶初始模量值的2倍;复合材料的有效弹性模量随颗粒所占体积分数的增加而增大。     

双颗粒沉降的动力学分析

采用格子Boltzmann-虚拟区域方法对雷诺数范围为50≤Re≤200的双颗粒自由沉降进行了直接数值模拟。首先,研究发现双颗粒最终沉降的位置分别在通道的1/4和3/4位置附近,且与颗粒的初始间距、雷诺数以及通道宽度无关。其次,重点研究了颗粒沉降过程中所受的侧向力(与沉降方向垂直),首次揭示了侧向力的振动频率与雷诺数呈二次关系,且单颗粒的结果始终小于双颗粒的结果;研究还发现侧向力的振动频率与通道宽度近似呈幂律函数关系,且幂律指数与雷诺数有关,雷诺数越大,幂律指数的绝对值越小。最后还研究了雷诺数及通道宽度对侧向力振动振幅的影响。     

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.     

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。     

脉冲型介电电泳颗粒特异性分离的数值仿真研究

通过数值仿真研究了直径分别为3μm、5μm、10μm的聚苯乙烯微球在脉冲型介电电泳作用下的动态分离过程,结果表明:通过合理地调整流速、脉冲周期、电压幅值可以实现对颗粒混合物的特异性分离;在背景流速为30μm/s 时,得到了在单步内提取中等粒径(直径5μm)颗粒的参数区间(电势6~7.5V,脉冲周期1.5~2.6s).同时,进一步研究了其它条件不变时,占空比和电极非对称率对提取中等粒径颗粒的影响,结果表明:随着周期的增加,提取颗粒所需的占空比相应地增加;而随着电极非对称率的增加,DEP力的强度逐渐增加,提取颗粒所需的周期也相应增加.仿真结果与实验及已有分析解符合较好,为器件的系统设计和优化器件提供了依据.     

Al65Cu20Cr15准晶颗粒／Al基复合材料的摩擦学性能

首次研究了Ａｌ６５Ｃｕ２０Ｃｒ１５准晶颗粒／Ａｌ基复合材料的硬度及摩擦学性能。研究表明，该复合材料的硬度随准晶颗粒体积分数的增加而增加，最大达到１２００ＭＰａ，最纯铝的４倍。复合材料的摩擦学性能优于纯铝，当准晶颗粒体积分数为１５％￣２０％，摩擦学性能随体积分数的升高而改善，当体积分数达到２５％时，摩擦学性能有所降低。     

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。