颗粒介质固-流态转变的理论分析及实验研究

颗粒介质由大量离散的颗粒聚集而成,因而与传统固体和流体不同,运动过程中的颗粒介质中可能同时存在多种流态及其相互间复杂的转换过程. 颗粒介质弹性失稳机理、不可恢复应变量化是研究颗粒介质固态和流态及固-流态转变的关键. 在前期建立的双颗粒温度热力学(two-granular-temperature, TGT) 理论基础上,确定了颗粒介质的弹性稳定性条件,建立了不可恢复应变流动法则,搭建了描述颗粒固态-液态及其相互转化的简单模型. 颗粒堆积体坍塌过程是典型的颗粒介质固态和流态及其转变过程,因此本文首先开展了25 167 个陶颗粒堆积体坍塌过程的实验研究,并使用基于TGT 理论的物质点方法和离散元方法对物理实验进行了模拟. 结果表明,模型数值结果与物理实验在颗粒堆坍塌过程中的形态、速度分布等细节上吻合很好,同时也发现了现阶段所使用的物质点方法和TGT 理论的不足. 初步说明TGT 理论可以实现颗粒介质固态和流态,以及状态转变的描述.      

颗粒摩擦对颗粒材料剪切行为影响的试验研究

通过对一种类似于土的颗粒材料--玻璃珠开展一系列室内直剪试验,研究颗粒间摩擦对颗粒材料剪切行为的影响. 试验一共考虑了4种不同的摩擦情况:干燥状态、用水浸润状态、完全淹没在水中和用油浸润状态. 分析试验结果发现,与干燥状态试样相比,用油浸润能明显降低试样的剪胀性和抗剪强度,而用水浸润和淹没在水中的方法没有产生显著的影响. 此外,通过在剪胀关系式中引入可变剪胀系数来考虑颗粒摩擦对颗粒材料剪胀性的影响,并从颗粒滑动与滚动的细观机理上初步解释了颗粒滑动摩擦角对临界状态摩擦角的影响规律.     

岩土类颗粒物质宏-细观力学研究进展

岩土类颗粒物质在自然界、工程建设以及日常生活中普遍存在,其运动特性的研究在力学界已经开展了几十年.在近20年开展的一系列小尺寸物理实验中,颗粒物质表现出许多新奇现象,人们从物理角度开展了系统研究,在统计力学中,颗粒固体的流体动力学等理论研究以及实验检测技术等方面都取得突破性进展,深刻地揭示了颗粒材料的物理机制,促使力学...     

颗粒材料破碎演化路径细观热力学机制

颗粒材料在高应力环境下会发生颗粒破碎现象,颗粒破碎不仅影响颗粒材料的力学特性,同时与大量工程问题密切相关.目前的相关研究主要集中在唯象地描述颗粒破碎的演化以及破碎对力学特性的影响层面,对颗粒破碎演化路径的物理机制研究较少.本文基于热力学框架,采用细观力学中细观-宏观的均匀化方法推导了颗粒体系弹性能和破碎能量耗散,并在最大能量耗散的假设下,在热力学框架内,建立了理想化的无摩擦球体颗粒等向压缩过程的弹性-破碎模型,阐述了颗粒材料破碎演化路径细观热力学机制.由于模型的推导不依赖任何唯象的经验公式,因此模型中包含的参数均有明确的物理意义.模型预测与前人试验结果对比表明,材料的初始级配对弹性压缩模量和破碎应力的影响并不相同:不同分形维数级配对应的弹性体变模量存在极大值,而破碎应力却随着分形维数的增大单调递增;颗粒破碎的演化符合最大能量耗散原理,且颗粒材料的压缩曲线可以分为弹性-破碎-拟弹性3个机制不同的阶段.      

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES OF STRESS DISTRIBUTION IN WEDGE-SHAPED GRANULAR HEAPS

The present work explains the statics of self-weight transmission restricted to a long prismatic heap inclined at an angle of repose and symmetrically formed on a rigid base. The closure of polarized principal axes with the mobilized state of stress along the slope surface is employed by imposing the orientation of principal stresses on the equilibrium equations. Comparisons were made with calculations based on the finite element method using an elastic model. Moreover, experiments on sand heaps deposited on a rectangular rigid base were conducted to validate the theoretical study. The measured pressure profile generally agreed well with theoretical results.     

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...     

DISCRETE AND CONTINUUM MODELLING OF GRANULAR FLOW

This paper analyses three popular methods simulating granular flow at different time and length scales： discrete element method （DEM）, averaging method and viscous, elastic-plastic continuum model. The theoretical models of these methods and their applications to hopper flows are discussed. It is shown that DEM is an effective method to study the fundamentals of granular flow at a particle or microscopic scale. By use of the continuum approach, granular flow can also be described at a continuum or macroscopic scale. Macroscopic quantities such as velocity and stress can be obtained by use of such computational method as FEM. However, this approach depends on the constitutive relationship of materials and ignores the effect of microscopic structure of granular flow. The combined approach of DEM and averaging method can overcome this problem. The approach takes into account the discrete nature of granular materials and does not require any global assumption and thus allows a better understanding of the fundamental mechanisms of granular flow. However, it is difficult to adapt this approach to process modelling because of the limited number of particles which can be handled with the present computational capacity, and the difficulty in handling non-spherical particles. Further work is needed to develoo an aoorooriate aooroach to overcome these problems.     

非均匀颗粒材料的类固-液相变行为及本构方程

以非均匀颗粒介质为研究对象,采用三维离散元方法对其在不同密集度和剪切速率下的动 力过程进行了数值模拟,分析了其在由瞬时接触的快速流动向持续接触的准静态流动的转变 过程及其行为特点. 通过对不同材料性质下相变过渡区内颗粒材料的宏观应力、接触时间数、 配位数、团聚颗粒数量、有效摩擦系数等参量的计算,更加全面地描述了非均匀颗粒材料在 类固-液相变过程中的基本特征. 基于以上数值计算结果,建立了一个适用于颗粒材料 类固态、类液态以及其相变过程的本构方程,并通过剪切室实验结果验证了它的合理性.     

脆性颗粒材料的应变率效应机理研究

利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）,对干燥石英砂进行了被动围压下的动态压缩实验,发现石英砂表现出了明显应变率效应。通过激光粒度分析测量了动静态压缩后的试件的级配曲线,发现同一应力水平下准静态压缩比动态压缩后的试件的颗粒破碎量更大。而通过拟合相对破碎率与外力功之间的关系,发现准静态压缩在颗粒破碎方面能量利用率更高也即破碎效率更高,而这正是脆性颗粒材料应变率效应的本质原因。     

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.      

散粒体卸载特性的三轴伸长试验研究

根据岩土体的加卸载变形过程和应力状态,卸载曲线分为弹性卸载段和卸载伸长段.采用三种不同粒径的玻璃珠和标准丰浦砂散粒材料进行了三轴伸长卸载试验,对比分析了不同材料、初始偏应力和不同围压下散粒体的卸载特性.研究表明散粒体的单向伸长卸载强度主要取决于与卸载方向垂直的围压和颗粒的内摩擦,且与围压成线性关系,初始偏应力状态及各向异性对于散粒体的伸长强度无影响,但影响其破坏发展形态.此外,材料特性包括表面粗糙度和级配、孔隙率等对内摩擦及伸长卸载特性均有影响.     

MOVING-FINITE-ELEMENT SOLUTION OF TIME-DEPENDENT PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS IN TWO SPACE DIMENSIONS

The aim of this paper is to show the capability of the 2D moving-finite-element method (MFE) to solve different kinds of time-dependent partial differential equations having solutions with steep moving fronts, rotating pulses, or other features involving fine scale structures. Some difficulties are discussed that can arise, e.g., the treatment of second-order differential operators in combination with MFE. The numerical performance of MFE applied to three model examples, each from a different subclass of PDEs, is studied. Some of the examined aspects are: the efficiency of the temporal integration process, the effect of the regularization parameters (penalties), and the effect of the (PDE-)diffusion coefficient. Further, a more sophisticated application of MFE to a 2D brine transport problem in a porous medium is discussed.

1991 Mathematics subject classification: Primary: 65M60. Secondary: 65M20, 65M50.     

共线式热电发电机在侧面散热情况下的性能

热电材料是一种环境友好型功能材料,其可以实现热能与电能的相互转化,在热电发电、热电制冷中具有许多应用.传统的热电发电机为$\pi$型结构,要求热电腿的长度相等,在某些情况该结构不利于热电发电机的优化设计.热电发电机在高温工况下会引起强烈的热应力甚至应力集中,从而缩短了其工作寿命.另外,热电发电机的工作温度于环境温度,这样必然会有一部分热量散失到环境中,从而影响热电发电机的性能.针对该现象,本文建立了考虑散热的新型共线式热电发电机模型,该模型的热电腿可以独立进行优化,基于有限元方法,对考虑侧面散热的共线式热电发电机进行了仿真模拟,分析了其在狄利克雷边界条件下的热电性能和力学性能,得到了热电发电机的温度场、电势场、应力场,探究了不同强度的对流散热系数对热电发电机热电性能和力学性能的影响.结果表明,对流散热会降低热电发电机的能量转化效率,当对流换热系数达到~100W/(m$^{2}\cdot$\textcelsius) 时,效率为~0.0479,该值比绝热状态的转化效率0.066 7 低28%.对流散热使热电发电机侧面热损失增加,降低了热应力.在实际应用中,应合理优化设计隔热系统,提高能量的转化效率.      

HOPKINSON冲击拉杆的改进及应用

本文给出用Hopkinson空心杆代替实心杆进行材料动态拉伸性能测试实验研究。实践证明,Hopkinson空心杆比实心杆有明显优点,我们利用了空心杆测试材料动态拉伸性能,使测试结果较实心杆有明显改进。 为了证明空心杆的动态可靠性,本文用二维动力有限元法分析了空心杆的一维性。     

一种全四边形网格生成方法——改进模板法

首先对全四边形单元网格自动剖分算法中的模板法进行了探讨，并提出了相应的改进方法。在此基础上提出了一种新的全四边形单元网格自动生成方法。该方法允许在两个方向上存在网格疏密过渡，并可以提高单元的密度要求自动计算亲单元每条边上的结点数，有效地对局部实施加密处理。     

粒料固有各向异性的离散元模拟与细观分析

料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为$0^\circ$时, 峰值应力比和最大体积压缩应变分别提高了12.6\%和18.8\%, 其原因在于加载过程中颗粒旋转和滑动百分比更小, 内部调整时间更短、更易被剪密; 固有各向异性对颗粒法向接触力分布的影响不大, 但显著影响接触法向分布特征; 剪切过程中, $\theta$为$90^\circ$时的接触法向各向异性系数先快速减小后逐渐增大, 而$\theta$为$0^\circ$到$60^\circ$时则呈现出增大后稍有回落或趋于稳定的趋势, 且$\theta$ 愈小的试件各向异性系数增大愈快.     

基于转换模板的三维实体全六面体网格生成方法

以四面体一六面体基本转换模板为基础,提出一系列具有伸缩性的扩展转换模板．可根据需要选择不同模板及其组合,将四面体分解为不同数量、不同密度过渡形式的六面体单元。这样,初始四面体网格不需要划分得很细,生成的六面体单元数量也可以通过采用不同规格的扩展转换模板而得到控制。提出了基于CAD几何造型的边界节点坐标修正方法．从而使边界网格更好地拟合几何模型边界。     

复合材料薄壁结构连接件细节内力分析的有限元方法

为得到复合材料薄壁结构机械连接件中各承力元件的内力和变形情况,确定各承载紧固孔的旁路载荷（ＰＰＬ）和钉传载荷（Ｐｄｃ）,以便合理地进行连接件的细节设计和强度分析,本文基于迭层板“等效弹性模量”概念,提出了一套工程实用的复合材料结构连接件细节内力分析的有限元方法。所编制的计算程序适用于对实际结构中各种机械连接型式和各种平面受载情况的内力计算和分析。     

高速弹丸撞击地质材料的有限元计算

给出高速弹丸撞击地质材料的有限元分析。利用ＦＥＣＰ２动力有限元程序计算了模拟回收弹体撞击水泥及花岗岩两种地质材料的动力响应，同时给出了弹、靶初始变形过程的图形。     

Impact of tetrahedralization on parallel conforming octree mesh generation

This work discusses the performance impact from the tetrahedralization of non‐conforming meshes generated by a parallel octree method capable of handling arbitrary immersed geometries. First, we review conforming techniques for meshes created from octrees. Then we implement a tetrahedralization scheme based on templates in a parallel meshing algorithm that uses a linear octree with 2:1 balancing constraint. Besides, we also propose a change on the partitioning strategy for the same meshing algorithm to improve the octree refinement load balancing. Scalability analyses show that the chosen tetrahedralization technique preserves algorithm performance. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.