薄滚筒内二元湿颗粒体系混合行为的离散单元模拟研究

采用所建立的四方程线性弹性-阻尼离散单元模型,同时考虑了液桥力的作用,对填充量为40%、含液量为3%的水平薄滚筒内S型(不同直径颗粒)二元湿颗粒体系混合过程进行了数值模拟,并与同等操作条件下不含液的干颗粒体系的混合行为进行了比较,分析了液体对颗粒体系混合行为的影响. 同时还将计算结果与文献中的实验结果进行了比较. 结果表明,由于湿颗粒间液桥力的牵引作用使不同性质的颗粒不易分离,使部分颗粒聚结成团,减弱了离析作用的影响,使得滚筒内湿颗粒的混合程度高于相同条件下的干颗粒体系,且接触力的分布较干颗粒体系更加均匀. 通过对混合过程的模拟,直观地反映了混合过程中颗粒的微观运动特性和内部的力学结构,为研究湿颗粒体系混合过程机理提供了依据和参考. 关键词： 湿颗粒体系 混合 分离 离散单元法     

阻尼对水平滚筒内二元颗粒体系径向分离模式形成的影响

采用离散单元数学模型对一充装量为50%的水平薄滚筒内S形二元颗粒体系的分离模式进行了数值模拟试验,研究了不同碰撞阻尼参数下的分离过程,分析了阻尼对分离过程及分离模式的影响.模拟结果表明阻尼对滚筒内颗粒的分离过程及分离模式影响很大,在S形二元颗粒体系水平薄滚筒内,阻尼可控制渗透和离析的协同作用以及自由表面层的流动形式,最终影响分离模式的形成;当阻尼太大时分离模式只能形成月亮模式,阻尼太小时可形成不明显的花瓣模式,只有当阻尼在适当的范围内,自由表面流动层形成雪崩流型式时,分离模式才会呈现规则的花瓣模式,试验结 关键词： 滚筒 模式形成 径向分离 离散单元法     

水平滚筒内二元颗粒体系径向分离模式的数值模拟研究

发展了考虑法向接触力、切向接触力和力矩、以及滚动摩擦力矩的三维三方程线性弹性-阻尼离散单元模型及计算程序，对薄滚筒内二元S型颗粒体系进行了数值模拟，发现采用本文的数学模型可以准确地预测出滚筒内二元S型颗粒流的分层现象.分析了影响滚筒内颗粒分层的因素，讨论了滚筒转速、颗粒装载率等参数对分层的影响，当转速较高时，滚筒内形成大颗粒在外、小颗粒在内、具有圆形界面的月亮模式，当转速较低时形成具有波浪形界面的花瓣模式，并且随着滚筒转速的逐渐降低，花瓣的数量逐渐增加，数值模拟结果与实验完全符合.模拟还得到了花瓣模式的形     

水平滚筒内二元颗粒体系径向分离模式的数值模拟研究

发展了考虑法向接触力、切向接触力和力矩、以及滚动摩擦力矩的三维三方程线性弹性-阻尼离散单元模型及计算程序,对薄滚筒内二元S型颗粒体系进行了数值模拟,发现采用本文的数学模型可以准确地预测出滚筒内二元S型颗粒流的分层现象.分析了影响滚筒内颗粒分层的因素,讨论了滚筒转速、颗粒装载率等参数对分层的影响,当转速较高时,滚筒内形成大颗粒在外、小颗粒在内、具有圆形界面的月亮模式,当转速较低时形成具有波浪形界面的花瓣模式,并且随着滚筒转速的逐渐降低,花瓣的数量逐渐增加,数值模拟结果与实验完全符合.模拟还得到了花瓣模式的形 关键词： 分层 滚筒 模式形成 离散单元方法     

颗粒堆内微观力学结构的离散元模拟研究

将离散单元法应用到三维堆积过程的模拟计算,探讨了滑动摩擦及滚动摩擦对堆积形成的影响,得到了颗粒堆内部的应力分布规律,发现颗粒堆的形态是由滑动摩擦和滚动摩擦共同决定的,在堆内颗粒间的作用力基本呈树状结构.在模拟得到的颗粒堆中出现了应力分布奇异现象,在堆积角较大的情况下,颗粒堆与地面间作用力的最大值常发生在距堆底中心不远的环状区域,而并非发生在堆底的中心;在堆积角相对较小时颗粒堆与地面间作用力的最大值较容易发生在堆底的中心.对于一个颗粒堆,具体会发生哪种受力情况具有一定的偶然性. 关键词： 堆积 离散单元法 计算颗粒力学     

典型流化床内非球形颗粒流动行为模拟研究

气固流化床在能源、化工、制药、冶金等众多工业领域有着广泛的应用。本文通过耦合计算流体力学和离散单元模型的模拟来评估典型流化床中非球形颗粒的流动行为。结果表明,典型流化床内球形颗粒的旋转颗粒温度分布接近各向同性,非球形颗粒的旋转颗粒温度分布呈现明显的各向异性。随着颗粒长径比的增加,颗粒的平动颗粒温度和旋转颗粒温度增大,意味着颗粒平动和旋转速度的脉动加剧。     

颗粒密度对旋转筒内二元颗粒体系分离的影响

用分子动力学的方法研究了颗粒密度对旋转筒内二元颗粒体系混合与分离的影响. 当增大粒度较小的颗粒密度时, 颗粒体系表现为巴西果效应, 而增加粒度较大的颗粒密度时, 分离状态则会发生反转, 表现为反巴西果效应. 进一步的研究发现二元颗粒体系的分离指数与颗粒的密度比之间存在定量的关系, 并利用Hong的渗流与凝聚竞争机理理论对密度分离状态的反转现象给予了理论解释.     

脉动流化床内球柱形颗粒流动行为研究

本文结合离散单元模型和计算流体力学方法对脉动流化床内气固流动特性进行数值模拟.结果表明,脉动气流的波形和振幅对球柱形颗粒的流动行为有明显的影响.方波脉动气流作用下的时均颗粒总平动和旋转动能最大,其次是正弦波脉动和三角波脉动,恒定气流下的最小.功率谱分析结果可以发现方波气流下主频幅度最大,其次是正弦波、三角波和恒定气流....     

多孔介质内颗粒流动特性及其对传热影响的模拟研究

研究采用CFD-DEM方法结合DEM耦合对流与导热的传热模型,对三维不规则孔隙结构多孔介质内细颗粒与孔隙流体的流动及传热特性进行数值模拟。结果显示,颗粒在流体的裹挟下由静止逐渐加速,多孔介质内部温度场、瞬时流体速度大小及方向随着细颗粒与流体的充分混合及颗粒间的弹性碰撞而发生变化。低孔隙率下颗粒易发生沉积,运动轨迹缩短。小孔隙率加速了由热颗粒引起的热传递过程,孔隙内温度上升较快。随着孔隙率增大,颗粒瞬时轴向和径向速度增大,且流动主要沿轴向进行,大孔隙率下颗粒间法向和切向接触力及颗粒拟温度较低,且对单颗粒运动轨迹有显著影响。     

玻璃-橡胶混合颗粒体系的弹性行为研究

废旧橡胶制品颗粒与砂土颗粒混合物作为建筑填充材料具有环保、轻质、减震效果好等特点.软硬组分的混合比例可以调制体系力学性能从而实现兼顾材料柔韧性与强度的需求,但细观层面上材料性能改变的原因尚不明确.本文主要研究玻璃-橡胶混合颗粒体系的弹性行为及其微观机制.利用飞行时间法测量混合材料等效动弹性模量,发现随着橡胶颗粒增加,体系逐渐从类玻璃刚性行为转变为类橡胶柔性行为.离散元模拟结果与实验结果类似.此外,模拟显示低橡胶颗粒占比样品内主要由玻璃颗粒构成主力链结构,而橡胶颗粒基本不参与强力链的构成.当橡胶颗粒占比较大时,玻璃颗粒和橡胶颗粒共同构成主力链网络结构,但颗粒间法向接触力分布相对更为均匀,可视为玻璃颗粒悬浮于橡胶颗粒中.基于上述结果,提出了改进的等效介质理论,用于描述混合颗粒体系的弹性行为.研究认为:橡胶颗粒占比较小时内部颗粒的变形相对均匀,材料近似满足等应变假设,视为并联弹簧模型;橡胶颗粒占比较大时混合材料近似满足等应力假设,视为串联弹簧模型.两种模型得到的结果与模拟结果一致.上述结果有利于从微观角度揭示混合颗粒材料弹性行为的变化机制.     

Time of avalanche mixing of granular materials in a half filled drum

The avalanche mixing of granular solids in a slowly rotated 2D upright drum is studied. We demonstrate that the account of the difference δ between the angle of marginal stability and the angle of repose of the granular material leads to a restricted value of the mixing time τ for a half filled drum. The process of mixing is described by a linear discrete difference equation. We show that the mixing looks like linear diffusion of fractions with the diffusion coefficient vanishing when δ is an integer part of π. Introduction of fluctuations of δ suppresses the singularities of τ(δ) and smoothes the dependence τ(δ). Received 27 October 2000 and Received in final form 13 March 2001     

Discrete particle simulation of radial segregation in horizontally rotating drum: Effects of drum-length and non-rotating end-plates

The radial segregation phenomena of a mixture of two different size grains in a horizontal rotating drum are studied by DEM simulations. The grano-dynamics of radial segregation phenomena is examined as a function of the axial length and the friction between grains and not-rotating end-plates of the drum. The results indicate that, in the longer drums, the radial segregation ratio is higher and the friction on the end-plates shows little effect. Whereas in the shorter drums, the radial segregation is very slow or negligible; however, decreasing the friction on non-rotating end-plates increases the segregation ratio. If we increase the friction further (greater than the frictions between the grain-grain and the grains and the inner wall), the segregation ratio drops in the longer drums while in the shorter drums mixing is seen instead. The cause of these phenomena lies in the mechanism of diffusion in granular flows due to shearing strain by the end-plates. For more roughened end-plates, this shearing activity increases the granular temperature of the system and only the mixing can be observed instead of the segregation.     

Scaling laws in granular continuous avalanches in a rotating drum

We study the front shape of avalanches produced in a rotating two-dimensional drum partially filled with small glass beads. We focus our work on the study of the length and shape of granular fronts, in particular how they do scale in terms of the physical parameters involved. A single scaling law for the length is found. This scaling law is also relevant for the behavior of the full shape of the fronts. More than 300 different fronts shape, for different values of the parameters collapse into an universal curve.     

Analysis of radial segregation of granular mixtures in a rotating drum

This paper considers the segregation of a granular mixture in a rotating drum. Extending a recent kinematic model for grain transport on sandpile surfaces to the case of rotating drums, an analysis is presented for radial segregation in the rolling regime, where a thin layer is avalanching down while the rest of the material follows rigid body rotation. We argue that segregation is driven not just by differences in the angle of repose of the species, as has been assumed in earlier investigations, but also by differences in the size and surface properties of the grains. The cases of grains differing only in size (slightly or widely) and only in surface properties are considered, and the predictions are in qualitative agreement with observations. The model yields results inconsistent with the assumptions for more general cases, and we speculate on how this may be corrected. Received 4 June 1999 and Received in final form 28 September 1999     

运动物体在颗粒物质中的动力学过程及最大穿透深度仿真研究

利用离散元法仿真了运动物体在颗粒物质中的三维动力学过程, 仿真采用周期边界条件, 并考虑了重力、接触力、阻尼力、摩擦力的影响. 将仿真结果和相关的三维实验结果进行了对比, 两者符合较好. 仿真结果表明穿透深度与运动物体的冲击速度、运动物体质量、颗粒介质床的密度均有关系. 运动物体质量越大, 速度越快, 则穿透越深, 而且穿透深度和质量呈线性关系. 仿真过程较为真实地再现了小颗粒的飞溅现象. 关键词： 颗粒物质 动力学过程 仿真 离散元法