基于离散元方法的颗粒系统休止角数值模拟研究

颗粒系统堆积的休止角是颗粒学中一个基础性的科学问题,深入认识其影响因素和变化规律对于土木、化工等工程优化具有重要意义.目前基于实验测量的研究受限于可用的颗粒种类和测量手段,难以完备地揭示各种物理参数对休止角的影响规律.离散元(Discrete element method, DEM)是一种可直接对复杂的大型颗粒系统的运动进行仿真的数值方法.本文借助DEM方法对颗粒系统的休止角问题开展了高精度数值研究,揭示了影响颗粒堆积休止角的重要颗粒物性参数.在DEM建模方面,为了表征非球形度对仿真的影响,本研究采用了滚动摩擦系数,并利用既有的实验数据进行了模型验证.同时,本文利用堆积体在垂直平面内投影的二值化图像来合理计算休止角.仿真结果表明,滑动和滚动摩擦系数均与休止角的大小呈正相关,滑动摩擦系数的增加可将休止角提升一倍,而滚动摩擦系数对休止角的影响存在一个上限阈值,达到该阈值后将不能继续增加休止角的大小;颗粒的杨氏模量、回弹系数对休止角的影响不显著.此外,本文利用DEM方法研究了堆积体的传热特性,发现在加热过程中,堆积体内部具有最高热流率的区域从堆积体的底部迁移到上部.