湿颗粒堆力学特性的离散元法模拟研究

利用基于线性黏聚接触模型的离散元法对不同颗粒系统的堆积过程进行了数值模拟研究,分析了颗粒形状和湿颗粒间液桥力对颗粒堆积形态的影响机理,获得了球形和块状湿颗粒堆基底表面所受的法向力以及堆中颗粒间的法向力和切向力"中心凹陷"式的分布规律,讨论了颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面作用力和颗粒间作用力的影响.研究结果表明,颗粒形状和液桥力对颗粒堆的堆积形态具有显著的影响.堆积角随着黏聚能量密度的增加而增大,并且相同条件下的块状颗粒堆积角大于球形颗粒.颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面所受作用力和堆中颗粒间的作用力变化及最大幅值均有影响作用.当黏聚能量密度值逐渐增大时,颗粒堆的作用力最大幅值均逐渐增大,并且块状颗粒堆的作用力最大幅值大于球形颗粒堆.当黏聚能量密度值过大时,颗粒堆力学特性更加复杂,液桥力对颗粒堆积特性的影响作用大于颗粒形状的影响.     

湿颗粒聚团碰撞解聚过程的离散元法模拟

基于线性接触模型、库仑滑移接触模型以及平行黏结三种接触模型的组合, 利用离散元法对包衣结构的湿颗粒聚团与壁面碰撞解聚的物理过程进行了数值模拟, 研究了碰撞过程中湿颗粒聚团解聚模式、解聚过程中聚团内各颗粒的速度变化以及颗粒间液桥断裂的规律, 分析了聚团的碰撞速度、黏附小颗粒的重力以及中心大颗粒的旋转对聚团解聚的影响. 研究发现: 聚团的碰撞解聚呈现出碰撞式、重力-碰撞式和剪切-碰撞式三种解聚模式. 湿颗粒聚团与壁面的碰撞打破了聚团内颗粒速度的一致性, 颗粒间出现相对运动而使颗粒间的液桥发生拉伸断裂. 液桥的断裂由聚团的碰撞点向外、由底部向上、由内层向外扩展. 聚团内液桥的断裂经历了缓慢断裂、快速断裂和完全断裂三个阶段. 碰撞速度越大, 黏附的小颗粒质量越大、大颗粒的转速越高, 湿颗粒聚团的缓慢断裂阶段越短暂且解聚程度越高. 模拟结果和实验符合.     

不同振动模式下颗粒分离行为的数值模拟

利用三维离散元法对垂直方向上的直线、圆和椭圆振动模式颗粒分离过程进行了数值模拟研究,对直线振动时上层大颗粒的波动及圆和椭圆振动时出现的聚集、循环等现象的形成机理进行了分析,并讨论了振动强度对各振动模式下颗粒分离形态的影响规律. 研究表明,综合运用空隙填充、侧面驱动的颗粒运动和能量非均匀分布三种机理,并结合颗粒群的速度矢量分布情况能够较好地解释各振动模式下的颗粒分离行为. 振动强度对圆和椭圆振动模式的分离形态具有显著的影响,并在振动强度约为3时,各种振动模式均具有良好的颗粒分离效果和稳定的颗粒运动状态.     

不同振动模式下颗粒分离行为的数值模拟

利用三维离散元法对垂直方向上的直线、圆和椭圆振动模式颗粒分离过程进行了数值模拟研究,对直线振动时上层大颗粒的波动及圆和椭圆振动时出现的聚集、循环等现象的形成机理进行了分析,并讨论了振动强度对各振动模式下颗粒分离形态的影响规律. 研究表明,综合运用空隙填充、侧面驱动的颗粒运动和能量非均匀分布三种机理,并结合颗粒群的速度矢量分布情况能够较好地解释各振动模式下的颗粒分离行为. 振动强度对圆和椭圆振动模式的分离形态具有显著的影响,并在振动强度约为3时,各种振动模式均具有良好的颗粒分离效果和稳定的颗粒运动状态. 关键词： 振动模式 颗粒分离 离散元法 数值模拟     

离散颗粒层被横向推移过程中的力学行为研究

研究发现,颗粒物质层被匀速推移挤压过程中,所需推移力先以线性规律增加,在某一确定点后,则会以指数规律增加.而颗粒物质是由众多离散颗粒组成的软凝聚态物质,其宏观上反映的是离散颗粒的个体性质和凝聚态物质的集体效应.颗粒与颗粒之间以及颗粒与边界之间的细观尺度接触力链的构成以及演变规律将会直接影响各种宏观受力情况,其摩擦力与挤压力便是力链的主要构成形式.围绕着定量描述细观力链特征,从而揭示力的变化规律这一目标,采用计算机模拟的方法,依照球形颗粒Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论,对重力作用下不同数目的三维等径球体颗粒层的推移情况进行了离散元仿真模拟,量化分析了推移力变化规律、各摩擦力变化规律以及力链分布规律,发现摩擦力与挤压力在颗粒堆积的不同阶段对力链的构成起到了不同的主次作用,使得力链发生强弱演变,从而发现了推移颗粒物质层时推移力的变化规律及原因.这些结果有利于从力链角度揭示颗粒内部和颗粒与各边界之间的受力情况.     

颗粒离散元模拟中的阻尼系数标定

离散元模型中所采用的阻尼系数是不确定的,经常凭主观经验设定.为了使得物理模型与现实中的颗粒动力学属性符合更好,通过采用声频采样技术对物理模型中的阻尼系数进行标定,得出与实验符合的阻尼系数应为0.5左右.利用标定后的阻尼系数模拟了一元颗粒在圆柱形容器里的随机堆积过程,得到最终的堆积密度为0.625,与经典的实验结果一致.研究证明,在得到模型阻尼系数的同时,也确认了数值模型的正确性和用声频采样技术进行高精度碰撞时间检测的可行性. 关键词： 颗粒堆积 阻尼系数标定 声频采样 离散元法     

运用三维离散元技术模拟落锤撞击下奥克托今颗粒的点火燃烧过程

炸药颗粒的点火燃烧过程一直是人们关注的热点问题。近年来,三维离散元技术在中尺度观测颗粒材料的动力学过程中拥有显著优势。炸药燃烧属于颗粒材料的反应动力学,运用三维离散元技术(DM3)可以有效地观测炸药燃烧传播的过程。以奥克托今(HMX)颗粒为例,本文成功模拟并观测到了HMX颗粒的燃烧反应程度,确定了颗粒开始燃烧反应的时间,以及燃烧反应传播的时间。同时,结合落锤冲击颗粒的三维图像以及其表观压强和放热功率,得到了HMX颗粒燃烧反应、燃烧传播的整个反应动力学过程,包括颗粒在冲击加载下碎化塑性变形的过程,颗粒燃烧反应放热的过程,落锤回弹颗粒喷射的过程等。同时,进一步说明了尖顶颗粒更利于颗粒点火,平顶颗粒有抑制颗粒点火的能力。     

受碾区域内颗粒轴向流动特性的离散元模拟

为探讨受碾状态颗粒的稳定流动, 在碾辊轴与筛筒组成的受碾区域内, 建立了轴向运动的颗粒流离散元物理模型. 研究结果表明: 受碾区域内各颗粒沿轴向运动能力的差异造成了颗粒流密度不均匀; 颗粒与筛筒间的静摩擦系数影响颗粒轴向流动的形态、速率及集散程度, 受碾区域内单层颗粒的轴向均方偏差与流动时间的平方正相关, 属于“super”扩散; 整体分析受碾区域发现, 颗粒的轴向平均速度沿轴向坐标逐渐增大, 而颗粒的三轴合成平均速度沿轴向坐标逐渐降低; 受碾区域内各轴向位置处颗粒运动的剧烈程度不同, 沿轴向坐标颗粒的波动速度平方呈现先增大后降低而后又增大的趋势; 单颗粒的碰撞总能量损失能谱也表明了颗粒运动程度不同, 即轴向流动时在受碾区域的前半段碰撞剧烈, 能量损失多, 在后半段碰撞程度弱, 能量损失较少. 通过对受碾区域内颗粒流动的数值模拟分析, 明晰了颗粒在受碾条件下稳定流动特性, 有益于碾磨工业对产品品质控制及设备参数优化的研究.     

椭球颗粒搅拌运动及混合特性的数值模拟研究

为探讨在强制搅拌下同属性颗粒由分层到分布均匀状态的运动特征及规律, 本研究利用三维离散单元法模拟不同转速下U形罐体内等粒径椭球颗粒的混合过程. 从单颗粒随机运动轨迹、宏观颗粒流运动矢量图的角度分析颗粒混合过程的宏观混合规律及局部混合特征, 定量描述混合度与搅拌叶片旋转圈数的数学关系. 结果表明, 强制搅拌下同属性分层颗粒的混合是在对流混合及四个局部混合共同作用下实现的; 分层颗粒的混合度与搅拌轴的转速无关, 而与搅拌轴旋转圈数直接相关; 混合度与圈数的关系符合指数增长模型. 研究结果可为散体物料增混行业的设备改进及操作控制提供依据和参考.     

单个球形生物质颗粒热解过程的数值模拟

本文对单个球形生物质颗粒的热解过程进行数值模拟．利用双倒易边界元法和四阶龙格-库塔方法分别对非线性的导热方程和化学反应动力学方程组进行求解．讨论了生物质颗粒的大小与环境温度对热解时间和热解产物中相关组分质量分数的影响．     

基于超二次曲面的颗粒材料缓冲性能离散元分析

自然界或工业中普遍是由非球形颗粒组成的复杂体系,与球形颗粒相比,非球形颗粒间的高离散和咬合互锁可使冲击载荷引起的能量有效衰减实现缓冲作用.基于连续函数包络的超二次曲面单元能准确地描述非球形颗粒的几何形态,并可精确地计算单元间的接触碰撞作用.本文采用离散元方法对冲击载荷作用下非球形颗粒物质的缓冲性能进行数值分析,并与圆柱体冲击的理论结果和球体冲击的实验结果进行对比验证.在此基础之上,进一步研究了筒底作用力在不同颗粒层厚度和形状等因素影响下的变化规律.计算结果表明:不同颗粒形状都存在一个临界厚度H_c.当HH_c时,缓冲率随H的增加而增加;当HH_c时,缓冲率的变化不再显著并趋于稳定值.此外,减小颗粒表面尖锐度和增加或减小圆柱形和长方形颗粒的长宽比都会提高颗粒材料的缓冲效果.     

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     

A general finite element model for numerical simulation of structure dynamics

A finite element model used to simulate the dynamics with continuum and discontinuum is presented. This new approach is conducted by constructing the general contact model. The conventional discrete element is treated as a standard finite element with one node in this new method. The one-node element has the same features as other finite elements, such as element stress and strain. Thus, a general finite element model that is consistent with the existed finite element model is set up. This new model is simple in mathematical concept and is straightforward to be combined into the existing standard finite element code. Numerical example demonstrates that this new approach is more effective to perform the dynamic process analysis in which the interactions among a large number of discrete bodies and continuum objects are included.     

巴西果效应分离过程的计算颗粒力学模拟研究

采用离散单元模型对巴西果问题进行了模拟研究,采用本数学模型可以准确地预测出垂直机械振动导致的不同大小颗粒的分离现象.分析了影响振动床内颗粒分层的因素,讨论了振动频率、振动幅度等参数对分层的影响,发现振动频率和振动幅度会对分离效果造成较大的影响.当振动频率或振动幅度较小时,颗粒整体分离效果都较差,但分离的稳定性较好,当振动频率或振动幅度较大时,整体分离效果仍然较差,同时分离的稳定性也较差,振动分离过程中存在一个频率和振幅适中的最优操作点. 关键词： 分层 振动 模式形成 离散单元方法