颗粒毛细效应影响因素的离散元分析

颗粒毛细效应是指将一根细管插入填充有颗粒物质的容器中并对管施加竖直振动时颗粒在管内上升并最终达到一个稳定的高度的现象,该现象为颗粒物料的逆重力输运提供了一种潜在的技术途径.为探究颗粒毛细效应的影响因素,采用离散元方法,模拟再现了颗粒毛细效应过程,展示了不同管径下颗粒竖直方向速度演变特性,考察了不同容器宽度和振动条件下颗粒最终毛细上升高度随管径的演变规律.结果表明,在容器宽度与粒径比为40、管振幅与粒径比为14.33、管振动频率为12 Hz情况下,管径与粒径比D/d=3.33时,管内颗粒堵塞严重,使得颗粒上升缓慢,并造成颗粒柱中断; D/d=8.33时,起初毛细上升高度增加迅速,随后毛细上升高度的增大逐渐减缓,管内颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度; D/d=15时,随着颗粒毛细上升高度的增大,管内颗粒柱分离为速度截然不同的两层,上层颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度,而下层颗粒存在明显的速度梯度.研究还发现,在毛细效应能够发生的管径范围内,存在一个对应于颗粒最终毛细上升高度最大值的临界管径,当管径小于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而增大,当管径大于临界管径时,颗粒最终毛细上升...     

颗粒毛细效应影响因素的离散元分析

颗粒毛细效应是指将一根细管插入填充有颗粒物质的容器中并对管施加竖直振动时颗粒在管内上升并最终达到一个稳定的高度的现象,该现象为颗粒物料的逆重力输运提供了一种潜在的技术途径.为探究颗粒毛细效应的影响因素,采用离散元方法,模拟再现了颗粒毛细效应过程,展示了不同管径下颗粒竖直方向速度演变特性,考察了不同容器宽度和振动条件下颗粒最终毛细上升高度随管径的演变规律.结果表明,在容器宽度与粒径比为40、管振幅与粒径比为14.33、管振动频率为12 Hz情况下,管径与粒径比D/d=3.33时,管内颗粒堵塞严重,使得颗粒上升缓慢,并造成颗粒柱中断; D/d=8.33时,起初毛细上升高度增加迅速,随后毛细上升高度的增大逐渐减缓,管内颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度; D/d=15时,随着颗粒毛细上升高度的增大,管内颗粒柱分离为速度截然不同的两层,上层颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度,而下层颗粒存在明显的速度梯度.研究还发现,在毛细效应能够发生的管径范围内,存在一个对应于颗粒最终毛细上升高度最大值的临界管径,当管径小于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而增大,当管径大于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而趋于减小;增大容器宽度,临界管径有所增大;增大振幅、适当提高频率能够有效促进临界管径的增大.     

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.     

圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布相关性研究

压力旋流喷嘴被广泛应用于航空发动机、船用发动机、车用汽油缸内直喷发动机、燃气轮机等动力机械的燃油喷射系统中.以压力旋流喷嘴射流为研究对象,开展了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布相关性问题研究.对于液体射流,以往的研究往往对破碎液滴粒径数量密度分布或速度数量密度分布进行单独研究,对于这两种数量密度分布之间关系的研究较少;从相关性的角度对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布之间的关系进行研究.采用最大熵原理方法建立了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数.对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数进行了讨论,对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径数量密度分布与速度数量密度分布的相关性问题进行了研究.研究结果表明,为了给出正确的圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数,射流守恒约束条件中必须同时包括质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律;破碎液滴粒径的数量密度分布与速度数量密度分布密切相关;射流旋转强度对破碎液滴粒径数量密度与速度数量密度分布结构影响不大,对破碎液滴粒径数量密度和速度数量密度的分布区域影响较大.      

ON INITIATION OF GULLY DEBRIS FLOW BY LIMIT EQUILIBRIUM ANALYSIS1)

沟道泥石流启动的力学本质为沟道中的堆积体所受剪切力克服摩擦力的过程。本文通过堆积体临界状态的受力平衡分析确立颗粒堆积体的临界平衡条件,发现堆积结构稳定性受坡度、颗粒内摩擦系数、堆积高度和水流速度共同作用。在此基础上通过文献中的系列实验数据分析拟合得到了一个泥石流启动的临界流速条件,相关结果和文献中的两个系列实验结果吻合良好,有望为沟道泥石流启动提供一定的支撑。     

基于极限平衡条件的沟道泥石流启动条件研究

沟道泥石流启动的力学本质为沟道中的堆积体所受剪切力克服摩擦力的过程。本文通过堆积体临界状态的受力平衡分析确立颗粒堆积体的临界平衡条件,发现堆积结构稳定性受坡度、颗粒内摩擦系数、堆积高度和水流速度共同作用。在此基础上通过文献中的系列实验数据分析拟合得到了一个泥石流启动的临界流速条件,相关结果和文献中的两个系列实验结果吻合良好,有望为沟道泥石流启动提供一定的支撑。     

竖直振动管中颗粒毛细效应的离散元模拟

将一根细管插入填充有颗粒的静止容器中并对管施加竖直振动,颗粒将在管内发生上升运动,并最终稳定在一定高度,这一现象与液体毛细效应类似,被称为颗粒毛细效应.为探究颗粒毛细效应过程中伴随的颗粒尺度动力学行为及机理,基于离散元方法建立颗粒运动模型,对颗粒毛细效应动力学过程和特性开展数值模拟研究.模拟再现了文献中实验得到的颗粒毛细效应全过程,给出了管内颗粒柱高度随时间的演变规律,结果表明,受到颗粒系统参数的影响,本模拟条件下颗粒毛细效应过程呈现单周期上升、倍周期上升和倍周期稳定三个阶段,在倍周期上升阶段颗粒柱上升速度逐渐减小,平缓过渡到稳定阶段.在此基础上,分析了管内颗粒速度场和填充率分布随时间的演变特性,揭示了颗粒毛细效应过程中由容器传输到管内的颗粒的占比分布.研究发现,管内不同高度位置颗粒的运动并不同步,随着管的振动,管内出现速度波,速度波的传播引起管内颗粒出现膨胀和压缩交替的情况,从而管内颗粒填充率随时间发生周期性波动;在上升阶段,越接近管壁由容器传输到管内的颗粒占比越大,在稳定阶段,管内上层颗粒的对流引起容器传输到管内的颗粒占比发生反转.      

漂珠颗粒材料静动态力学性能与破碎机理研究

为考察脆性空心颗粒材料冲击载荷下的力学特性,以具有不同粒径分布的粉煤灰漂珠为研究对象,对其静动态力学性能进行实验研究。通过限制颗粒材料压缩应变为50%,分析颗粒破碎率和破碎机理与材料宏观应变率效应的关系。结果表明:（1）不同粒径的漂珠颗粒材料在动态压缩下较准静态压缩下颗粒材料的强度均有明显的增强,在0.001和150 s?1大小颗粒的强度分别提高200%和195%,在150和300 s?1大小颗粒的强度分别提高39%和51.5%,在300和800 s?1大小颗粒的强度并未发生明显的变化;（2）在相同加载速度下粒径较小的颗粒比大粒径颗粒的强度和吸能效果分别提高35%～40%和35%～48%;（3）对破碎后颗粒粒径分布曲线分析可知,随着加载速度的增加,大小颗粒的破碎率和破碎程度都会增大,且在相同加载速度下大颗粒的破碎率较小颗粒的破碎率高;（4）Hardin破碎势分析表明,单位输入能量下颗粒的相对破碎势随冲击速度增大而减小,动态冲击下用于颗粒破碎的能量利用率降低,从而导致材料在相同压缩量下产生更高的能量耗散和应力水平,即表现为宏观的应变率效应。     

竖直振动管中颗粒毛细效应的离散元模拟

将一根细管插入填充有颗粒的静止容器中并对管施加竖直振动,颗粒将在管内发生上升运动,并最终稳定在一定高度,这一现象与液体毛细效应类似,被称为颗粒毛细效应.为探究颗粒毛细效应过程中伴随的颗粒尺度动力学行为及机理,基于离散元方法建立颗粒运动模型,对颗粒毛细效应动力学过程和特性开展数值模拟研究.模拟再现了文献中实验得到的颗粒毛细效应全过程,给出了管内颗粒柱高度随时间的演变规律,结果表明,受到颗粒系统参数的影响,本模拟条件下颗粒毛细效应过程呈现单周期上升、倍周期上升和倍周期稳定三个阶段,在倍周期上升阶段颗粒柱上升速度逐渐减小,平缓过渡到稳定阶段.在此基础上,分析了管内颗粒速度场和填充率分布随时间的演变特性,揭示了颗粒毛细效应过程中由容器传输到管内的颗粒的占比分布.研究发现,管内不同高度位置颗粒的运动并不同步,随着管的振动,管内出现速度波,速度波的传播引起管内颗粒出现膨胀和压缩交替的情况,从而管内颗粒填充率随时间发生周期性波动;在上升阶段,越接近管壁由容器传输到管内的颗粒占比越大,在稳定阶段,管内上层颗粒的对流引起容器传输到管内的颗粒占比发生反转.     

飞机环控系统气固两相流动力特性研究

飞机环控系统目前面临的主要问题之一是大气中颗粒物的危害,一方面影响环控系统的供气品质;另一方面会堵塞、磨损环控系统中的元器件。本文基于气固两相流动数值模拟方法,对飞机环控系统中颗粒物的动力特性进行了研究。通过与飞机环控系统中几条主管路颗粒沉降率的已有实测数据进行对比,验证了离散相模型对颗粒沉降模拟的有效性。在此基础上,对颗粒沉降特性影响因素进行了研究,发现:不同粒径的颗粒物沿管高度方向的速度分布基本一致,但浓度分布却差异显著;颗粒浓度对沉降率基本无影响;不同气流速度下,所获得的固相速度分布型式基本一致,属于极值分布的类型;管长影响出口颗粒浓度分布,管道越长,出口截面上颗粒分布越集中于管底;方管与圆管相比,管线上沉降了更多的颗粒。     

汶川震区文家沟泥石流成灾机理与特征

文家沟位于绵竹市清平乡,属于 5 ·12 汶川Ms8.0级地震极重灾区。地震发生后的3个汛期内,文家沟曾先后发生5次典型泥石流灾害,其中以2010年8月13日泥石流灾害最为严重,规模与灾情巨大,社会影响深远。在对文家沟泥石流跟踪调查的基础上,探讨了泥石流的成灾机理和特征。研究表明:(1)文家沟泥石流是地震和强降雨共同作用的结果,其成因可归纳为震因与物源以及雨因与水源两个方面,在整个泥石流形成和发生的过程中,呈现出洪流-侵蚀下切-崩滑-席卷-进一步侵蚀下切-进一步崩滑-增大泥石流规模—……的"滚雪球式"循环过程; (2)泥石流发生所需的雨量、雨强条件和水动力条件都显著降低,泥石流规模和雨量之间呈现出明显幂函数关系; (3)发生过程呈现出持续时间长、运动距离远的特征; (4)成灾过程呈现出明显的链式效应,危害形式多样; (5)泥石流频率呈现出高发性,规模呈现出放大性。最后提出了文家沟泥石流研究与防治的建议。     

泥石流研究述评

泥石流这一特殊的二相流体是山区常见的一种自然灾害,一般可分为稀性泥石流(颗粒碰撞及离散力起主导作用)和粘性泥石流(粘性力起主导作用)两大类。本文概略地评述了泥石流的几个问题,即泥石流形成学、分类学、动力学等,指出急需解决的问题有泥石流汇流理论、泥石流阻力规律等。文中还根据近年来的动态和趋向,推断更加深入的理论研究和以数学模型为核心的泥石流流域管理模式将会成为泥石流学科发展的主要方向。      

Research on abrasion of debris flow to high-speed drainage structure

As one weak topic in research of debris flow, abrasion of debris flow shortens obviously application life of control structure composed of concrete. High-speed drainage structure, one of the most effective techniques to control giant debris flow disaster, has shortened one-third application life due to abrasion by debris flow. Based on velocity calculation method founded by two-phase theory, research of abrasion mechanism of debris flow to high-speed drainage structure was mode. The mechanism includes both abrasion mechanism of homogeneous sizing and shearing mechanism of particle of debris flow to high- speed drainage trough structure. Further abrasion equations of both sizing and particle were established by Newton movement theory of debris flow. And abrasion amount formula of the high-speed drainage trough structure is set up by dimensional analysis. Amount to calculating in the formula is consistent with testing data in-situ, which is valuable in design of high-speed drainage structure.     

汶川地震后四川省绵竹市清平乡文家沟泥石流灾害调查研究

在2008年5月12日汶川地震后的地震灾区暴发了许多泥石流灾害,其中以四川省绵竹市清平乡文家沟泥石流最为显著。文家沟原来不是泥石流沟,在汶川地震时由于滑坡形成的巨大的滑坡-碎屑流堆积体改变了文家沟的泥石流形成条件,在此后的3个雨季内,文家沟先后暴发了5次大规模和特大规模的泥石流灾害,其中以8 ·13文家沟泥石流规模和危害最大。8 ·13文家沟泥石流暴发时的总降雨量为227mm,泥石流持续时间约2.5h,泥石流总量约310×10⁴m³; 泥石流造成7人死亡, 5人失踪, 39人受伤, 479户农房被掩埋,直接经济损失4.3亿元。5次大规模和特大规模的泥石流以及洪水仅带走了16%的可以很容易形成泥石流的滑坡-碎屑流堆积物,文家沟如再遭遇较大降雨还会暴发泥石流。即使在今后的雨季中暴发几次规模如8 ·13泥石流一样大的特大规模泥石流,文家沟在较大降雨下仍然可能暴发泥石流灾害,因此对文家沟泥石流的防治工作将是一个长期的工作。     

泥石流风险及沟谷泥石流风险度评价

风险一词虽然已经广泛被科学家和经济学家所使用 ,但涉及到自然灾害的风险研究则还是 2 0世纪 80年代中后期的事。国内有关泥石流风险的探讨 ,更是 2 0世纪 90年代才初见端倪。国际上 ,泥石流风险评价至今仍然是前沿探索性领域和新兴的研究课题。基于联合国对自然灾害风险的定义及其定量表达 ,本文给出了泥石流“风险度 =危险度×易损度”这一数学命题的近似解。讨论了风险分级和不同风险等级的分布概率以及风险指南。以云南东川因民矿区黑山沟泥石流为例 ,对单沟泥石流风险度评价模型进行了示范应用     

汶川震区北川9.24暴雨泥石流特征研究

2008年9月24日汶川震区的北川县暴雨导致区域性泥石流发生,这次9.24暴雨泥石流灾害导致了42人死亡,对公路和其他基础设施造成严重损毁。本研究采用地面调查和遥感解译方法分析地震与暴雨共同作用下的泥石流特征,获取的气象数据用于分析泥石流起动的临界雨量条件。本文探讨了研究区泥石流起动和输移过程,并根据野外调查,分析了泥石流形成的降雨、岩石和断层作用,特别是强降雨过程与物源区对泥石流发生的作用。根据应急调查发现北川县境内暴雨诱发的泥石流72处,其分布受岩石类型、发震断层和河流等因素控制。根据对研究区震前和震后泥石流发生的临界雨量和雨强的初步分析,汶川地震后,该区域泥石流起动的前期累积雨量降低了14.8%～22.1%,小时雨强降低25.4 %～31.6%。震区泥石流起动方式主要有二种,一是由于暴雨过程形成的斜坡表层径流导致悬挂于斜坡上的滑坡体表面和前缘松散物质向下输移,进入沟道后转为泥石流过程;二是"消防水管效应"使沟道水流快速集中,并强烈冲刷沟床中松散固体物质,导致沟床物质起动并形成泥石流过程。调查和分析发现沟内堆积的滑坡坝对泥石流的阻塞明显,溃决后可导致瞬时洪峰流量特别大。研究结果表明了汶川震区已进入一个新的活跃期。因此,应该开展对汶川地震区的泥石流风险评估和监测、早期预警,采取有效的工程措施控制泥石流的发生和危害。     

泥石流预测、预报技术方法的研究现状浅析

泥石流灾害的预测、预报是减灾防灾重要环节和基础。在充分研究泥石流形成条件基础上 ,正确预测、预报泥石流 ,是目前最大限度减少泥石流灾害损失所采取的主要方法。本文综合了当前泥石流预测预报的方法 ,分析了泥石流长期、中期、短期预报及泥石流预报的原理 ,不同时期泥石流预报的特征及存在的问题。我国是受泥石流危害最为严重的国家之一。每年由泥石流造成的直接经济损失约达几十亿元之多 ,减少泥石流灾害造成的损失主要取决于预测预报工作等。     

RESEARCH ON METHOD TO CALCULATE VELOCITIES OF SOLID PHASE AND LIQUID PHASE IN DEBRIS FLOW

Velocities of solid phase and liquid phase in debris flow are one key problem to research on impact and abrasion mechanism of banks and control structures under action of debris flow. Debris flow was simplified as two-phase liquid composed of solid phase with the same diameter particles and liquid phase with the same mechanical features. Assume debris flow was one-dimension two-phase liquid moving to one direction, then general equations of velocities of solid phase and liquid phase were founded in two-phase theory. Methods to calculate average pressures, volume forces and surface forces of debris flow control volume were established. Specially, surface forces were ascertained using Bingham's rheology equation of liquid phase and Bagnold's testing results about interaction between particles of solid phase. Proportional coefficient of velocities between liquid phase and solid phase was put forward, meanwhile, divergent coefficient between theoretical velocity and real velocity of solid phase was provided too. To state succinctly before, method to calculate velocities of solid phase and liquid phase was obtained through solution to general equations. The method is suitable for both viscous debris flow and thin debris flow. Additionally, velocities every phase can be identified through analyzing deposits in-situ after occurring of debris flow. It is obvious from engineering case the result in the method is consistent to that in real-time field observation.     

磨西河流域泥石流流域形态的非线性特征

泥石流是磨西河流域地质环境演化的一个重要地表过程,研究该流域内泥石流的地貌发育及演化特征可为磨西河流域第四纪以来地质环境的演变提供重要信息。通过对流域51条泥石流沟地貌形态的统计分析发现,磨西河流域内泥石流的分布在空间上表现出明显的不均性,流域内泥石流沟的数量与对应的主沟长度、主沟纵比降及流域面积之间存在着明显的分形现象,具有较高的自相似性。结果表明,泥石流沟谷形态的非线性演化特征及现象是对磨西河流域冰川环境和地质构造环境响应的直接结果,主要体现在现代冰川对流域的强烈侵蚀和贡嘎山隆升而导致流域的强烈下切。研究结果可为流域内泥石流灾害的形成机理、防灾减灾及流域环境演化提供理论依据。