自由分子区内的非球形颗粒曳力计算

基于气体动理论方法, 推导得到非球形颗粒所受曳力的通用表达式, 并针对球形颗粒、圆柱体颗粒、椭球体颗粒和圆锥体颗粒等几种常见的非球形颗粒, 得到其所受曳力的具体解析计算式. 该模型适用于气体分子与颗粒表面仅发生一次碰撞的凸面体, 假设气体分子与颗粒间的相互作用符合Maxwell镜面反射-漫反射模型, 计算气体分子与颗粒碰撞过程中的微元动量传递, 进而在颗粒表面积分得到非球形颗粒所受曳力的通用表达式. 计算结果表明, 颗粒所受曳力与其自身的几何形状和在流场中的取向有关. 但是, 基于非球形颗粒得到的计算式较为复杂, 不便于实际应用. 考虑到在自由分子区内, 当外势场较弱时, 颗粒的高速布朗旋转运动会使其取向分布近似为均匀的随机分布, 文章推导得到了不同形状颗粒在均向分布下所受均向曳力的计算式, 结果表明非球形颗粒所受均向曳力正比于颗粒表面积, 且比例系数与颗粒形状无关. 此算法避免了求解具体非球形颗粒受力计算的繁琐计算过程, 更便于实际应用.     

旋流场中PP单球颗粒力学行为实验测试分析

研究PP(Polypropylene)球形颗粒在旋流场中的力学行为,需要一个比较理想的、稳定的旋流场,为此采用了特殊尺寸的实验转鼓。根据PP球形颗粒在这种强制旋流场中的实验现象、测试数据和颗粒受力平衡分析可知:PP颗粒在雷诺数为180～230范围内的强制旋流场中达到稳定运动状态时,几乎静止在中心水平线附近的某一点,只有颗粒的自转运动;且转鼓转速越高,颗粒的质心位置越靠近旋转中心。依据切向受力平衡条件,利用现有的曳力公式对实验数据进行处理,发现颗粒不能达到受力平衡,且最大误差超过22%。为此,利用实验数据拟合方法,得到了旋流场中颗粒曳力系数的新经验公式,其受力平衡误差均小于0.5%。依据径向受力平衡条件,以径向压力梯度力、附加质量力、浮力与重力之差在径向上的分力之和为基准,与低雷诺数下的Saffman升力和Magnus升力的理论计算结果之和相比较,发现二者也不能达到力平衡条件,最大误差超过了55%。本文根据球形颗粒在旋流场中的升力特征,通过直观的力学分析和量纲分析,定义了颗粒旋流场升力概念,导出了相应的升力系数公式;并利用实验数据拟合得到了升力系数与颗粒雷诺数的经验公式;利用经验公式处理...     

片状颗粒间液桥力变化规律的计算研究

研究颗粒间液桥力有助于揭示非饱和土持水特性的内在机理. 为探究片状颗粒间液桥力演化规律, 从细观尺度研究非饱和土的水力特性机理, 使用Surface Evolver软件在两平行的片状颗粒间构建出三维液桥模型, 分析了液桥拉伸过程中接触角、液桥体积、分离距离以及固液接触线钉扎效应等对液桥力变化规律的影响. 基于圆弧假定, 计算相应条件下液桥力以及接触半径的大小, 并与上述模拟结果进行对比分析. 结果表明: 片状颗粒间液桥力随液桥体积增大而递增, 随分离距离的增大而递减, 随固液接触角的增大先增后减或一直递减; 液桥体积一定时, 在钉扎状态下, 其液桥力随着分离距离的增大迅速递增达到峰值, 而后逐渐降低; Surface Evolver模拟与液桥界面环形近似的计算结果相对比, 当固液接触角较大时(θ = 60°和θ = 80°), 二者相对误差在6%以内, 而当固液接触角减小到30°及以下时, 相对误差随之增大, 且颗粒间分离距离越大, 相对误差越大.      

二维喷动床CFD-DEM模拟中曳力模型的影响

CFD-DEM已经广泛应用到喷动床的研究中,其模拟的准确性与用于处理颗粒-流体相互作用的曳力模型密切相关。为了探究不同曳力模型对喷动床CFD-DEM模拟结果的影响,基于非结构化网格的喷动床仿真,使用7个曳力模型分别对锥底喷动床内气固两相运动进行了数值模拟。综合床层压降、喷动高度和颗粒速度特性三个方面,Wen-Yu模型和Gibilaro模型预测的气固两相运动最剧烈,其次是Di Felice模型、Syamlal-O’Brien模型、Gidaspow模型和Huilin-Gidaspow模型,BVK模型预测的气固两相运动最平缓。由于模拟的气固两相体系属于密相体系,Huilin-Gidaspow模型的光滑过渡函数没有产生效果,所以Gidaspow模型和Huilin-Gidaspow模型在各个方面的预测结果基本一致。     

三圆形颗粒在通道中沉降运动的数值研究

主要应用浸没边界的格子玻尔兹曼方法（immersed boundary-lattice Boltzmann method, IB–LBM） 对处于不同倾斜角度通道内的三个刚体圆形颗粒在重力作用下下落的动力学特性进行了计算研究. 首先分析通道倾斜角度的影响, 结果显示当通道倾斜角处于59°90°的范围时会发生后一个颗粒超越前一个颗粒的现象. 其次, 研究了Re对颗粒沉降特性的影响, 结果表明Re 越大, 颗粒间发生聚集的时间越早. 研究还发现当3 个颗粒的直径大小不均匀时, 颗粒由大到小纵向依次排列, 或者出现中间小球直径较相邻两个小球直径大的排列情况, 均能促使颗粒加快聚集. 本文的研究结果可为环境工程及地质学中的颗粒沉降问题提供有价值的参考.     

基于力平衡颗粒堆积法的多晶颗粒微结构建模

锂离子电池正极的活性材料通常由多晶结构的颗粒构成,且构成多晶颗粒的单晶晶粒的大小、形状和取向存在极大的随机性。简单高效地针对不同活性材料多晶颗粒的微结构进行客观科学的拓扑描述,是实现合理可靠锂电池力化学建模仿真,为多晶颗粒微结构设计提供优化策略的前提。传统的晶粒建模方法通常存在计算效率底或适配程度差等问题,本文基于一种等效桁架结构和力平衡原理的颗粒堆积方法,获得稳定的粒子堆积结构,并根据粒子镶嵌的拓扑结构对多晶颗粒进行网格剖分,获得多晶颗粒的微结构模型,在保证单晶颗粒粒径分布规律的同时提高了计算效率。基于力平衡原理的颗粒堆积法根据力学原理修正每个粒子向平衡态演化时的位移,从而以更自然且更快的方式收敛到稳定的粒子堆积结构。在此基础上,利用颗粒的镶嵌拓扑结构对每个球体完成网格划分,最终完成多晶颗粒微结构的建模。最后,考虑了圆形边界下二维和三维两种计算模型,分析了不同粒径分布的颗粒堆积与多边形晶格的物理结构之间的关系。     

基于斐波那契数积分计算非等径颗粒视角系数

热辐射是颗粒间热量传递的基本方式之一,视角系数计算的效率和精度是颗粒热辐射数值模拟中的主要难点。本文采用斐波那契数列对非等径颗粒表面进行离散,在此基础上计算视角系数,并且对z方向的积分使用非均匀变换以提高计算精度。结果表明,在具有不同球体数的粉末床中,用该方法计算的视角系数的相对误差为5%,与传统的蒙特卡洛方法相比,计算效率提升约30%。     

喷砂冲蚀实验中颗粒轨迹的数值预测

针对冲击磨损实验研究中磨粒群体的运动轨迹难以准确表征的问题,在负压喷射砂粒群冲击Q235钢板的实验中宏观测量了砂粒撞击的速度与位置分布,并使用数值方法模拟了实验砂粒与空气在喷嘴内外的双向耦合过程,以实现负压喷射砂粒群的轨迹预测。计算中提出了非球形粒子在相对马赫数接近1时的曳力模型,以反映空气可压缩引起砂粒表面流动分离的现象,并合理选择Magnus升力模型及壁面反射模型,最终数值预测的砂粒碰撞速度以及撞击位置与实验情况吻合良好。     

颗粒流润滑系统力传输行为的试验研究

为了研究颗粒流润滑状态下的力传输行为,设计了一个剪切平行板间颗粒流润滑的试验装置.利用该试验装置,研究了颗粒材料、颗粒尺寸、剪切速度和颗粒湿度对颗粒流润滑状态下力传输行为的影响.此外,试验结果主要考虑了测量得到的法向力和切向力,这些力是从下摩擦副通过颗粒润滑介质传递到上摩擦副的.研究结果表明,测量得到的法向力和切向力随着剪切速度和颗粒湿度的增大而减小,随着颗粒尺寸的增大而增大.颗粒流润滑比干摩擦具有较好的润滑效果,比油润滑具有更好的承载性能.颗粒流润滑状态下的力传输路径主要决定于颗粒润滑介质之间的力链.试验结果揭示了颗粒流润滑时的力传递机制并可以为颗粒流润滑的工业应用提供指导.     

基于DIC的颗粒间接触力计算及力链分析

首次利用数字图像相关方法(Digital Image Correlation method,DIC),依据牛顿力学理论和颗粒线性动量平衡,分析了集中力作用下的二维钢珠颗粒体系,定量地获得了颗粒间接触力。采用CCD相机进行观测并采集了集中力作用下钢珠颗粒体系的变形图像;利用数字图像相关方法对采集的序列图像进行处理,获得了全场位移及应变,并根据胡克定律求得全场应力。对每个颗粒面积区域内各点应力值求和并取平均,获得各个颗粒的平均应力。对采集的数字图像进行图像分析,得到各个颗粒及接触点的排列结构。以颗粒平均应力和颗粒的排列结构作为初始条件,根据牛顿力学理论和颗粒线性动量平衡,最终获取了颗粒间接触力的大小和方向,实现了真实颗粒体系接触力的定量计算。另外从受力方面对集中力作用下颗粒体系内部力链的发展与演变进行了分析。研究结果表明:力链起源于加载位置,随着外荷载的部分耗散,颗粒间接触力逐渐发生变化,力链向四周扩展而形成力链网络。通过对不同压入深度颗粒间接触力变化和分布的分析,定量地描述了加载过程中颗粒间的滚动或滑动引起的力链断裂和重构的现象。     

基于CFD方法的高墩大跨箱梁桥静风力系数参数影响研究

基于计算流体力学(CFD)对某连续刚构桥主梁不同截面、不同工况下的风场特征进行了数值仿真分析,研究了梁高、风攻角、桥梁横坡等参数对桥梁主梁截面静力三分力系数(阻力系数、升力系数、扭矩系数)的影响,并结合气动流场特征分析了不同截面及攻角下的压强和速度分布.研究结果表明:梁截面高度、风攻角、截面横坡均对桥梁静力三分力系数有较大影响,但三者对三分力系数影响的侧重点不同:梁截面高度对阻力系数影响最大,变化幅度达0.494;攻角对升力系数影响最大,变化幅度达0.382;截面横坡主要体现对阻力系数的影响,变化幅度为0.17.静力三分力系数对梁体截面的形状及尺寸变化较敏感,梁体截面左右侧迎风时,阻力系数相差0.04～0.21,升力系数相差0.009～0.2,扭矩系数相差0～0.07;梁高越大,截面钝体特征越明显,周围的流场分布越复杂.     

基于Darcy-Stokes耦合模型的多孔介质颗粒悬浮液等效黏性系数计算

颗粒悬浮液广泛存在于自然界和工程应用领域, 其黏性特征对其流动行为有着重要的影响. 本文基于Darcy-Stokes耦合模型, 给出了低浓度多孔介质颗粒悬浮液的等效黏性系数的计算公式. 首先求解了一个辅助问题, 即低雷诺数条件下线性分布的流场中多孔介质球引起的扰动问题. 自由流区域采用Stokes方程, 多孔介质球内部区域采用Darcy方程, 界面上则采用质量守恒条件、法向力平衡条件以及Beavers-Joseph条件或Beavers-Joseph-Saffman条件, 使用待定系数法推导了自由流和多孔介质区域的流场的解析表达式. 其次, 依据流场解析解计算了外边界上由多孔介质球引起的附加热耗散率, 确定了低浓度条件下特性黏度与达西数$Da$和Beavers-Joseph系数${alpha _{rm{BJ}}}$的定量关系, 结果发现: 特性黏度随着${alpha _{rm{BJ}}}$增加而增加, 且${alpha _{rm{BJ}}}$越大, 特性黏度增加的幅度也越小; 当${10^{ - 6}} leqslant Da leqslant {10^{ - 4}}$时, 特性黏度接近于2.5, 与经典的爱因斯坦黏性公式相符. 当${10^{ - 4}} leqslant Da leqslant {10^{ - 1}}$时, 特性黏度快速下降, 因而等效黏性系数更加接近于流体本身的黏性. 最后将本模型计算结果, 与Darcy-Brinkman模型结合界面剪切应力跳跃条件计算得到的结果进行对比, 结果发现当Beavers-Joseph系数和界面应力跳跃系数之和为1时, 两类模型在低达西数条件下的结果是几乎是一致的.

     

基于扩展有限元法的颗粒增强复合材料静态及动态断裂行为研究

运用不含裂尖增强函数的扩展有限元法,分别研究了静态及动态载荷作用下颗粒增强复合材料的断裂行为.假定基体和颗粒都为线弹性材料并且绑定完好,研究了不同颗粒位置、数量对基体裂纹尖端断裂参数的影响.数值模拟结果清晰地显示了含刚性颗粒和柔性颗粒时不同的失效机制.结果同时证明论文采用的数值方法能够准确预报颗粒增强复合材料的断裂行为,也更易于被工程界所接受.     

螺栓扭矩系数影响因素的试验研究

在螺栓连接结构中,为保证连接的可靠性,必须为螺栓提供合适的预紧力。工程中通常采用扭矩法装配螺栓连接结构,因此需要确定预紧力与扭矩之间的关系(即扭矩系数),以施加合适的装配扭矩。本文对输电塔中常用的M16镀锌螺栓进行预紧力试验研究,测试分析了螺栓强度等级、有无垫圈和有无润滑对螺栓连接副扭矩系数的影响。研究结果表明,高强度螺栓比普通螺栓的扭矩系数小,数据离散性也小;无垫圈的螺栓比有垫圈的螺栓扭矩系数小,但数据离散性大;有润滑的螺栓比无润滑的螺栓扭矩系数小,数据离散性也小。本文同时探讨了如何控制、调整扭矩系数,以及螺栓连接中要注意的问题,为设计和施工单位提供参考。     

两异径湿球颗粒间静态液桥力的近似解析公式及数值评测

针对异径球形湿颗粒间液桥力,以Young-Laplace公式为基础,结合环形近似法并引入等效半径,在宽松设定的条件下推导出了简化的近似解析公式。此公式形式简洁,且当两球半径相等时,可回归到Pitois等提出的径球液桥力公式。本文对此近似解析公式进行参数敏感度分析,发现随着颗粒间距的增大,液桥力对颗粒半径的敏感度降低。此外,本文近似解析公式与其他实验和理论结果进行对比发现,该近似解析公式与上述实验和数值结果相当吻合,表明该近似解析公式可以较准确地计算接触角较小时的异径球颗粒间的液桥力,因而适于湿颗粒系统的数值模拟。     

人手指腹与光滑物体间的静摩擦力与湿度和抓持力的关系

为了研究人手指抓持表面光滑物体时静摩擦力与湿度和抓持力的关系,在本研究中设计并制作了一种可在被抓持物体的重量连续变化的条件下测量指腹变形、抓持力及摩擦力的装置. 在不同湿度和被抓持物体重量的条件下测量并分析了指腹变形及其与表面光滑物体之间的最大静摩擦系数,通过指腹变形量度量指腹与被抓持物体之间的黏着力,以此分析湿度对最大静摩擦系数的影响机理. 结果表明:最大静摩擦系数依存于抓持力,随抓持力的增加先呈负幂函数变化,然后稳定为一定值;湿度会影响指腹与被抓持物体之间的黏着力,从而影响抓持的最大静摩擦力;潮湿时黏着力最大,抓取表面光滑物体最省力且不易打滑;湿度对最大静摩擦系数的影响是非线性的,最大静摩擦系数随湿度的增加而增加,到达峰值后逐渐减小.      

基于隐式扩散的直接力格式浸没边界格子Boltzmann方法

采用浸没边界格子Boltzmann (immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)模型执行动边界绕流数值模拟时,信息交互界面和边界力计算格式直接影响流动求解器的数值精度和计算效率.基于隐式扩散界面,一种改进的直接力格式IB-LB模型被提出.边界力表达式基于欧拉/拉格朗日变量同一性准则推导,转换矩阵描述的信息交互界面耦合了拉格朗日节点间的非同步运动.采用Richardson迭代数值求解关联边界力与无滑移速度约束的线性方程组,不仅克服了传统速度修正格式中矩阵求逆引起的计算效率问题,而且摆脱了算法稳定性对拉格朗日点分布的依赖.根据解析解已知的Taylor-Green涡流评估本文模型的数值模拟精度,结果表明改进的IB模型能够完整保留背景LB模型的二阶数值精度.静止圆柱和振荡圆柱绕流数值实验结果表明,当前模型在涉及复杂外形和运动界面的流动模拟中能够提供可靠的数值预测,满足力同一性的IB-LB模型能够有效抑制非定常流体力的伪物理震荡.波动翼型绕流模拟验证了当前模型的实用性,可在大变形柔性体流固耦合动力学问题中进一步推广.     

基于弯矩图计算超静定轴力的新方法

某些超静定结构,当弯矩图确立后,应用静力平衡条件无法绘出轴力图.分析该类结构的基本特征和受力特点,利用某些刚架在结点集中力作用下无弯矩、只有轴力的特点和力法的思想,提出解算已知弯矩图轴力超静定结构的计算方法.算例表明该方法简化了力法的计算过程,将其应用于教学,有利于学生对力法的深入理解.     

基于ABAQUS的小尺度桩柱波浪力计算方法

基于达索公司开发的ABAQUS有限元分析软件,利用ABAQUS提供的用户子程序编制程序,计算分析风电机组在海洋环境中受到的波浪力.在计算中,使用了三维梁单元和壳单元建模,应用线性波模拟海洋环境中的波浪.基于莫里森方程和数值积分的方法,分析桩柱形支撑结构上的波浪载荷,计算支撑结构的位移,应力变化等,得到了较好的结果.     

单颗金刚石磨削花岗石中力的离散单元分析及试验验证

对花岗石进行了单颗粒金刚石磨削试验.通过测量磨削力对单颗金刚石磨粒所承受的平均法向力和切向力进行了研究,讨论了主轴转速和单颗磨粒最大切削厚度与磨削力的关系.利用离散单元方法(DEM)构造了2种不同的花岗石数字模型,在此基础上对单颗磨粒磨削进行了模拟分析,分析结果与试验结果基本吻合.