三维射流中颗粒碰撞的直接数值模拟

采用硬球模型对三维气同两相射流中Stokes数为10的中等颗粒的碰撞行为进行了直接数值模拟,以初步考察两相流动中颗粒碰撞的特件.颗粒的跟踪采用单向耦合的Lagrangian方法,计算分析了颗粒碰撞随空间、时间的演化及其对颗粒分布不均匀性的影响.模拟结果表明颗粒碰撞主要分布在流场巾颗粒局部浓度较高的区域;由于射流初期大尺度涡结构的影响,颗粒的浓度分布最为不均,因此碰撞次数在这一时期随时间呈线性增加,达到最大值后逐渐回落趋于平缓.此外,对网格中颗粒个数分布的矩的统计发现,碰撞对颗粒分布不均匀性的影响随时间呈现不同的特性.     

风沙运动的DPM数值模拟

采用离散颗粒模型对风沙气固两相流动进行了数值计算．在该模型中,采用体平均的Navier-Stokes方程来描述气相的运动,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,求解颗粒运动方程．采用硬球模型描述颗粒问碰撞作用．计算结果表明,沙粒平均水平速度廓线在0．02 m以上高度可以表示为按对数函数或幂函数规律增加,在0．02 m以下则发生偏离;在大于0．02 m的高度,输沙通量随高度按指数规律衰减,而在地面附近由于颗粒蠕移的影响发生偏离,这与已有文献结果一致。本文的模拟有助于风沙运动规律的研究与掌握。     

风沙跃移中颗粒与多粒径床面碰撞的数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日数值模拟方法,对风沙跃移中颗粒冲击多粒径床面的碰撞过程进行了数值计算。在模型中,对气相采用欧拉方法建立控制方程,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,颗粒间碰撞作用采用软球模型描述。计算结果表明该模型可以模拟风沙运动中颗粒冲击多粒径床面的动态运动过程。而且在多粒径非均匀床面上的颗粒起跳具有较大的随机性。这有助于进一步揭示风沙运动中颗粒碰撞起跳机理。     

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.     

基于改进颗粒凝结方程模拟生长管内微细颗粒凝并与脱除

微细颗粒严重危害人类健康与环境,针对湿法烟气脱硫系统后烟气中微细颗粒浓度不降反升,湿式相变凝并技术是脱除烟气中微细颗粒物的新技术.本文首先考虑颗粒性质的不同以及颗粒与载流气体的速度差造成颗粒凝结长大速率不同,改进了颗粒凝结长大解析式并建立了颗粒凝并长大数学模型;其次,在普通生长管中加装两层旋流装置,以增加颗粒的离心力与...     

重力作用下颗粒介质应力链的离散元模拟

用离散元的方法模拟了仅有重力作用的二维颗粒系统内部力的分布情况,并根据力的大小得到颗粒之间的应力链.模拟结果与颗粒介质研究中的两个著名模型q模型和α模型作了对比,并与光弹实验的结果作了比较.对比结果表明,模拟结果与实验相似,而与两个概率模型有一定的差异.另外计算结果还表明,颗粒介质中力大小的概率分布极为不均匀,较大的力概率呈指数衰减,应力链的分布具有分形特征. 关键词： 颗粒介质 离散元 应力链 光弹实验     

颗粒-颗粒接触力的热力学模型

以颗粒二体接触力模型为基础和出发点的软球离散元模拟是当前颗粒物理和力学领域广泛应用的研究手段.但文献上经常使用的、包括著名的Hertz-Mindlin和Luding在内的力模型并没有完全明确弹性势能或耗散热的计算方法,故从热力学层面看它们还需要完善.考虑到机械能的耗散行为是这类材料的重要物理内容,本文借鉴近年来提出的颗粒固体流体动力学(GSH)思路,提出一种具有明确势能和热功率的接触力建模方法.该理论除明确给出了机械能和热能的计算公式外,还能具体描述能量守恒、热力学平衡态和熵增加等基本原理,解决了传统接触力模型在这些方面的欠缺问题.初步计算显示本文模型的恢复系数可以随碰撞速率的增加而减弱,这比现有的其他模型更符合实验观测.虽然为简单起见这些公式仅局限于二维和忽略颗粒转动运动情况,文中讨论了如何推广到三维含转动情形,以及所涉及的滚动和扭转接触力的热力学处理问题.鉴于是否在Onsager非平衡热力学基础上建模是本文给出的接触力公式有别于当前其他模型的关键所在,文中强调了这里的主要建模对象应该是热力学特征函数和Onsager迁移系数,而接触力是它们的推导结果.这是一个与目前直接针对接触力进行建模的不同思路.文中对颗粒物质特有的、反映样品几何变形与弹应变之间联络的一个非对角迁移系数做了详细介绍,并且认为它与打滑等复杂力学现象关系密切,无论宏观GSH尺度上,还是细观接触力尺度上都不可忽略.     

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.     

颗粒体侵彻数值计算方法研究

分别采用连续体有限元方法、离散元方法、离散颗粒有限元方法和有限元-离散元混合方法,对钢球以100 m/s和200 m/s的速度侵彻细沙石回收靶过程进行了数值计算,通过对4种方法的计算精度和计算效率的比较分析,表明有限元-离散元方法更适合于颗粒材料侵彻问题的数值计算。     

颗粒分层过程三维离散元法模拟研究

采用软球干接触模型对球形及非球形颗粒的分层过程进行了三维离散元法模拟研究,从颗粒间作用力、转动力矩和能量变化的角度分析了颗粒分层机理,讨论了颗粒的粒度比对分层速度的影响规律.结果表明,分层过程中,大颗粒比小颗粒活跃,非球颗粒由于具有较高的动能而比球颗粒活跃,在一定程度上弥补了颗粒形状对分层过程的影响.大颗粒间的平均法向、切向作用力、平均力矩及平均动能均大于小颗粒.颗粒分层速度随着粒度比的增加而显著增大,当粒度比大于临界粒度比3时,分层速度的增幅减缓.     

颗粒碰撞的直接模拟算法

为研究细微颗粒间平均碰撞率,构建了直接模拟三维空间内颗粒碰撞的数值方法.对剪切流内夹带的无惯性颗粒和自由运动颗粒的碰撞过程分别进行了数值模拟,得到的颗粒平均碰撞率的模拟值与理论值的相对误差小于1%.在碰撞颗粒对的搜索过程中,引入网络排除法等优化措施,使计算量降低两个量级以上,而不增大相对误差.采用不同的Δt模拟同一颗粒群的运动,发现较小的时间步长可以避免因为截断误差增大的相对误差.在不遗失颗粒碰撞的条件下,较密的计算网格可明显减少计算量.     

爆炸焊接斜碰撞过程的数值模拟

 借助动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA 11.0,建立了考虑材料强度的流体弹塑性力学模型,运用光滑粒子流体动力学（SPH）方法,对爆炸焊接斜碰撞过程进行了数值模拟。界面波和射流的模拟结果与爆炸焊接生产实际中的现象较为吻合,说明采用SPH方法对爆炸焊接斜碰撞过程进行模拟研究是有科学价值的。     

Self-Assembling Process of Colloidal Particles into Two-Dimensional Arrays Induced by Capillary Immersion Force: A Simulation Study With Discrete Element Method

This paper presents a simulation study for self-assembling process of colloidal particles into two-dimensional arrays due to capillary immersion force. Discrete element method is used to simulate the dynamics of colloidal particles trapped in a thin liquid film. The previous model is improved in the following two points: a modification of the screening effect of capillary immersion force and introduction of periodic boundary condition. Snapshots provided by the simulations agree well with experimental images taken by atomic force microscopy. The self-assembling process is quantified with pair correlation function and coordination number. At lower coverage, colloidal particles rapidly form small clusters that consist of several particles in the early stage. Subsequently, chain-like structures with some branches are mainly generated. On the other hand, at higher coverage, large domains of hexagonal close-packed (HCP) structures are gradually generated. The rate of the growth of HCP domains is much slower than that of the generation of the small clusters and the chain-like structures.     

用同位旋分离的RVUU模拟重离子碰撞

推广了原来的RVUU模型,进一步分离了粒子的同位旋自由度. 并用它模拟了每核子1GeV入射能量的Au+Au碰撞,得到了与实验符合很好的p.π⁺和K⁺动量谱,K⁺与π⁺多重数及其比值K⁺/π⁺随参加粒子数目的变化规律,同时从理论上分析了K⁺/π⁺产额比曲线的物理意义.     

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     

Simulation of random mixed packing of different density particles

This paper presents the effects of density difference on the three-dimensional (3D) distribution of random mixed packing. The random mixed packing dynamics of particles of two different densities are simulated. The initial state is homogeneous, but the final packing state is inhomogeneous. The segregation phenomenon (inhomogeneous distribution) is also observed. In the final state, the top layers are composed of mostly light particles. The several layers beneath the top contain more heavy particles than light particles. At the bottom, they also contain more heavy particles than light particles. Furthermore, at both the top and the bottom, particle clustering is observed. The current study also analyses the cause of this inhomogeneity in detail. The main cause of this phenomenon is the velocity difference after collision of these two types of particles induced by the density difference. The present study reveals that even if particles were perfectly mixed, the packing process would lead to the final inhomogeneous mixture. It suggests that special treatment may be required to get the true homogeneous packing.