凹形多面体离散单元的水平集函数接触算法

多面体模型理论上可构造任意颗粒形态,然而受单元接触算法的限制,仅用于凸形颗粒材料的离散元模拟。对于具有凹形特征的多面体单元,单个接触点的搜索算法难以精确计算单元间的作用力。考虑多面体单元间存在单个或多个接触点的计算特性,本文发展了适用于凸形和凹形多面体颗粒材料的水平集函数接触算法。该方法通过点-三角形单元距离计算方法和奇-偶数判定方法建立多面体单元的零水平集函数和空间水平集函数,并对水平集函数进行三线性插值,可得到多面体单元间的单个或多个接触点。为检验水平集函数接触算法的可靠性,对球形和凹形多面体颗粒材料的堆积和倒塌过程进行离散元模拟,并分析颗粒形状对堆积密度和休止角的影响规律。     

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.     

不同重力场下颗粒冲击过程的离散元分析

开展不同重力场下颗粒材料冲击动力学研究有助于加深对颗粒运动机制的理解和深空探测任务的实施。本文采用离散元模拟对颗粒介质受球形冲击物的冲击过程进行了数值模拟,并与地球重力下冲击的试验结果进行对比验证。在此基础上,进一步研究了重力加速度对冲击物动力学的影响规律。计算结果表明,在所有重力加速度下,冲击物的穿透深度d与冲击速度v₀的关系可以用Poncelet模型表达;d与冲击物下落的总高度H表现为d～Hⁿ的幂律关系,当H<10 m时,d与H的幂率标度为0.322,而H>10 m时,d与H的幂率标度下降到0.211。此外,穿透深度小于冲击物半径时,重力加速度对冲击物减速过程无影响。在所有的重力加速度下,当冲击速度大于5 m/s时,冲击物的持续碰撞时间t_c是恒定的,且与重力的-1/2次方呈正比。     

颗粒材料内部滑动变形局部化的离散元模拟

颗粒材料在加载过程中表现出非常复杂的变形性质.在微观尺度上,单个颗粒的运动、单个孔隙胞元内的变形都是非均匀的,但也不是完全随机、没有规律可循的,而是呈现一定结构性的分布,如微带、剪切带等.本文用基于孔隙胞元的离散元方法对颗粒体进行双轴加载数值试验,模拟了以滑动变形表征的变形局部化现象.数值结果发现,对应加载过程中的不同...     

针对有砟道床动力特性分析的嵌入式离散元-有限元耦合方法

在离散元-有限元耦合方法中,离散元和有限元交界面处的耦合方式对整体有砟道床的力学行为影响显著.采用基于球形单元的镶嵌单元或粘结单元模拟有砟道床时,由于球形单元和有限单元表面的自锁能力较差,使道砟层在列车载荷作用下容易产生侧向滑移,导致数值模型不稳定.此外,在实际铁路道床中,底部道砟均不同程度地嵌入路堤.为此,发展了一种...     

转动驱动圆角立方体颗粒有序堆积的离散元模拟

宏观颗粒体系的有序堆积研究可以为热系统中微观粒子的自组装提供研究模型,也有助于工业生产中提高颗粒材料的填充率.实验发现圆筒中的圆角立方体颗粒受容器往复旋转剪切作用会实现有序堆积.为探究旋转圆筒中立方体颗粒有序堆积过程的内部结构演化过程和动力学机理,采用超二次曲面方程构造了圆角立方体颗粒,基于离散元方法对旋转剪切作用下圆...     

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.      

基于球形颗粒几何排列的离散元试样高效生成方法

在球体离散元数值模拟中,颗粒的初始排列状态是影响计算效率和计算结果的重要环节。本文采用前进面几何构造算法,提出了一种基于网格搜索的球形颗粒随机排列高效算法。通过求解空间三边方程,满足了粒径设置的任意大小的颗粒依次置入前进面的外侧,并与构成前进面的三个颗粒相互接触。为获得高体积分数的颗粒簇,该算法允许颗粒改变其粒径大小。采用颗粒网格化方法可以简化前进面的搜索,并由此提高排列效率。通过计算平均配位数、体积分数和二阶结构张量的特征值,对不同粒径比下得到的立方体试样进行了分析,得到试样配位数及体积分数均随着粒径比的增大而增大,且得到的试样为各向同性。此外,空间网格的大小和初始颗粒的生成点对随机排列的效率均会产生显著的影响。最后,对非规则铁路道砟进行了精细构造及压碎模拟,发现DEM模拟得到的应力-应变曲线与试验结果基本吻合,验证了该算法得到的颗粒试样在模拟道砟裂纹起裂、扩展等过程的有效性。     

大规模颗粒系统的精确缩尺和粗粒化离散元方法

计算效率是制约工程尺度大规模颗粒系统离散元计算发展的重要因素,现有的粗粒化处理方法局限于特定应用并且缺少一般的理论依据。本文采用量纲分析方法,描述了在精确缩尺系统中各物理量应当满足的缩放定律;通过在粗粒化系统和原始系统的代表性体积单元之间建立质量、动量和能量的近似守恒关系,采用多尺度的描述方法得到了粗粒化系统与原始系统之间宏观和细观两种不同尺度的缩放关系,即双尺度粗粒化模型;精确缩尺系统中得到的缩放定律及离散元接触模型处理方法,完全适用于粗粒化系统中细观颗粒层面相关物理量的缩放,通过筒仓侧壁压力和休止角两个算例对精确缩尺模型在粗粒化系统中的有效性进行了验证。     

利用连接尺度方法的颗粒材料破碎数值分析

基于已有的颗粒材料连接尺度方法(BSM)[1-2],发展了在细尺度上采用离散颗粒集合体模型与离散单元法(DEM)并引入了颗粒破碎模型,而在粗尺度上采用Cosserat连续体模型与有限单元法(FEM)的BSM。仅在有限局部区域内采用DEM从细观层次关注颗粒材料破碎现象,而在全域采用储存空间和花费时间较少的FEM,同时在粗细两个尺度采用不同的时间步长。讨论了颗粒材料发生破碎时,颗粒材料结构的承载能力与微结构的演变。数值算例结果说明了所提出可模拟破碎的BSM的可用性和优越性,以及颗粒破碎对颗粒材料微观力学行为的影响。     

Superquadric DEM-SPH coupling method for interaction between non-spherical granular materials and fluids

The research on the coupling method of non-spherical granular materials and fluids aims to predict the particle–fluid interaction in this study. A coupling method based on superquadric elements is developed to describe the interaction between non-spherical solid particles and fluids. The discrete element method (DEM) and the smoothed particle hydrodynamics (SPH) are adopted to simulate granular materials and fluids. The repulsive force model is adopted to calculate the coupling force and then a contact detection method is established for the interaction between the superquadric element and the fluid particle. The contact detection method captures the shape of superquadric element and calculates the distance from the fluid particle to the surface of superquadric element. Simulation cases focusing on the coupling force model, energy transfer, and large-scale calculations have been implemented to verify the validity of the proposed coupling method. The coupling force model accurately represents the water entry process of a spherical solid particle, and reasonably reflects the difference of solid particles with different shapes. In the water entry process of multiple solid particles, the total energy of the water entry process of multiple solid particles tends to be stable. The collapse process of the partially submerged granular column is simulated and analyzed under different parameters. Therefore, this coupling method is suitable to simulate fluid–particle systems containing solid particles with multiple shapes.     

An unstructured finite element model for incompressible two-phase flow based on a monolithic conservative level set method

We present a robust numerical method for solving incompressible, immiscible two-phase flows. The method extends both a monolithic phase conservative level set method with embedded redistancing and a semi-implicit high-order projection scheme for variable-density flows. The level set method can be initialized conveniently via a simple phase indicator field instead of a signed distance function (SDF). To process the indicator field into a SDF, we propose a new partial differential equation-based redistancing method. We also improve the monolithic level set scheme to provide more accuracy and robustness in full two-phase flow simulations. Specifically, we perform an extra step to ensure convergence to the signed distance level set function and simplify other aspects of the original scheme. Lastly, we introduce consistent artificial viscosity to stabilize the momentum equations in the context of the projection scheme. This stabilization is algebraic, has no tunable parameters and is suitable for unstructured meshes and arbitrary refinement levels. The overall methodology includes few numerical tuning parameters; however, for the wide range of problems that we solve, we identify only one parameter that strongly affects performance of the computational model and provide a value that provides accurate results across all the benchmarks presented. This methodology results in a robust, accurate, and efficient two-phase flow model, which is mass- and volume-conserving on unstructured meshes and has low user input requirements, making it attractive for real-world applications.     

Explicit characteristic‐based finite volume element method for level set equation

Accurate modeling of interfacial flows requires a realistic representation of interface topology. To reduce the computational effort from the complexity of the interface topological changes, the level set method is widely used for solving two‐phase flow problems. This paper presents an explicit characteristic‐based finite volume element method for solving the two‐dimensional level set equation. The method is applicable for the case of non‐divergence‐free velocity field. Accuracy and performance of the proposed method are evaluated via test cases with prescribed velocity fields on structured grids. By given a velocity field, the motion of interface in the normal direction and the mean curvature, examples are presented to demonstrate the performance of the proposed method for calculating interface evolutions in time. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于细观方向平均模型的颗粒材料宏观Cosserat连续体本构关系

提出了基于细观微-方向模型（Micro—Directional Model）的宏观Cosserat连续体本构关系。在细观尺度上考虑颗粒旋转自由度及接触力矩,微结构的影响通过接触分布函数体现。给出均质各向同性Cosserat连续体模型弹性常数的细观参数表达式,并建议了二维情况下内尺度参数的细观力学表达式。对颗粒材料宏观行...     

含液颗粒材料液固耦合分析的离散颗粒模型及特征线SPH法

对含液颗粒材料流固耦合分析建议了一个基于离散颗粒模型与特征线SPH法的显式拉格朗日-欧拉无网格方案。在已有的用以模拟固体颗粒集合体的离散颗粒模型[1]基础上,将颗粒间间隙内的流体模型化为连续介质,对其提出并推导了基于特征线的SPH法。数值例题显示了所建议方案在模拟颗粒材料与间隙流相互作用的能力和性能以及间隙流体对颗粒结构承载能力及变形的影响。     

An explicit finite volume element method for solving characteristic level set equation on triangular grids

Level set methods are widely used for predicting evolutions of complex free surface topologies,such as the crystal and crack growth,bubbles and droplets deformation,spilling and breaking waves,and two-phase flow phenomena.This paper presents a characteristic level set equation which is derived from the two-dimensional level set equation by using the characteristic-based scheme.An explicit finite volume element method is developed to discretize the equation on triangular grids.Several examples are presented to demonstrate the performance of the proposed method for calculating interface evolutions in time.The proposed level set method is also coupled with the Navier-Stokes equations for two-phase immiscible incompressible flow analysis with surface tension.The Rayleigh-Taylor instability problem is used to test and evaluate the effectiveness of the proposed scheme.     

基于mbS模式的有限单元法

mbS模式及其有限元法是在固体和结构分析模型中引入薄膜、弯曲和剪切理论,且采用纯拉压、纯弯和纯剪单元进行分析的数值方法。在时空系中剖分物质单元和时间单元上构造以指数函数和贝塞尔函数为插入函数且按Lagrange插值条件的薄膜、弯曲和剪切等基本位移函数,由此得到更加完备和耦合的固体和结构实体单元的变形模式,根据能量泛函变分原理得到静动力有限元基本方程的一致格式。研究表明,mbS模式及其有限元法可用于梁柱和板壳等结构的静动力分析及屈曲分析。