随机散粒岩土材料自然堆积2D数值仿真分析

采用散粒随机生成技术构建自然堆积仿真模型,分析散粒不同形态、粒径尺寸及表面粗糙程度对堆积休止角的影响,结果表明:在相同颗粒级配条件下,散粒形态越不规则,自然堆积休止角越大,且随散粒表面粗糙程度增加,休止角增大,孔隙率提高,散粒体流动性降低;通过分析不同特征下散粒的自然堆积休止角,得到散粒表面粗糙度对自然堆积休止角影响最大,形态次之,粒径最小;该方法可推广应用于松散岩土材料的流动、压实等动力学行为的模拟研究.     

外热式回转窑横截面内散体物料的传热特性

针对外热式回转窑横截面内散体物料传热问题,建立颗粒-筒壁导热、颗粒-颗粒导热的数学模型,使用离散元软件EDEM及二次开发工具C++对散体物料在滚落模式下的传热过程进行数值模拟,研究单个颗粒温度演化以及不同参数对物料传热特性的影响。研究结果表明:单个颗粒温度在平流层升温-活动层降温的循环中逐步升高,颗粒沿径向的"移位"现象对传热影响较大;加热过程中在散体物料内部存在"冷核"区域;转速不影响物料的平均温度,但影响物料温度分布的均匀性,转速越高,温度均匀性越好;填充率越小,物料平均温度越高,但物料温度的均匀性随着填充率变小呈现先减小后增大的趋势。     

风速条件下回转窑内物料传输的实验研究

回转窑内的物料平均停留时间(MRT)直接决定物料化学反应程度.文中采用回转窑实验台,在不同的固体废弃物料和窑内风速、回转窑转速、回转窑倾角及物性参数下进行实验,获得了物料MRT的变化规律:随着回转窑转速的提高、倾角的增大和窑内风速的增加,MRT减小;物料的物性参数中,休止角对MRT影响较大,休止角大的MRT小,而密度的影响相对较小;随风速增加,刚开始时MRT下降较快,而后风速的影响减弱,最后趋于稳定.文中还建立了风速条件下的物料传输模型,并在一定风速条件下对模型进行了验证,发现与实验数据相比其平均相对误差为7.69%.     

基于离散元及盒子旋转法的生物质颗粒休止角研究

休止角是反映颗粒物料内部摩擦、流动性的重要参数,由于生物质燃料压缩过程中物料的流动性与颗粒间的摩擦特性难以直接测量,因此对自然状态下颗粒休止角的研究具有重要意义。应用离散元软件EDEM创建了盒子旋转模型,对玉米秸秆与沙柳颗粒进行了不同形状、粒径、级配下休止角的研究分析;并进行了相关试验验证,得出了其变化规律与具体取值。与传统测量方式相比,该方法降低了系统误差,结果更加可靠,可为今后相关材料的参数标定、颗粒物料的堆放等工程应用提供方法借鉴和理论参考。     

基于PIV技术粗颗粒在管流断面浓度分布试验研究

在河道清淤、全尾砂充填以及深海采矿等很多工程应用中,需要利用管道输送粗颗粒物料,以往对粗颗粒在管流中的运动特性研究较少,工程设计缺少参考依据.本文基于PIV技术对管流中粗颗粒浓度分布进行试验研究.试验中,采用了0.5、1.5、2.5mm三种粒径的石英砂作为输送物料,利用PIV记录了1.5、2.5、3.5m/s三种不同管流速度下颗粒在断面上垂向浓度分布特征.结果表明:在一定流速条件下,颗粒粒径越大,浓度分布越不均匀,浓度最大点的高度越低,最大浓度值越大;一定粒径条件下,流体平均流速越大,浓度分布越均匀,浓度最大点位置越高,最大浓度越小.基于量纲分析法和试验结果拟合,得到了颗粒垂向最大浓度点出现的相对高度与水流平均流速、颗粒粒径、管径的关系.最大浓度点位置计算值与实测值最大误差为10%.     

物料与窑壁间歇接触对回转窑传热过程的强化效应

根据回转窑内物料颗粒的运动特点，推导了颗粒团在贴壁运动过程中的非稳态导热系数及界面处的接触传热系数，进而得出了物料与封盖窑壁间的换热系数；结合已有研究成果，建立了回转窑的传热数学模型。计算表明，未考虑物料与窑壁间歇接触对回转窑传热过程的强化效应时，物料温度偏低；温度越高，强化效应对物料温度的影响越大；考虑物料与窑壁间歇接触对回转窑传热过程的强化效应，有利于提高回转窑煅烧熟料的质量和热效率。     

回转窑内物料传输模型的研究

回转窑内物料平均停留时间（MRT）直接决定物料化学反应程度,它是回转窑设计的重要依据之一。在回转窑实验台上对5种不同的固体废弃物料和窑内风速、回转窑转速和回转窑倾角及物性参数改变的情况下进行了实验,获得了不同工况下物料MRT的变化规律：随着回转窑转速的提高、倾角增大和窑内风速增加,MRT减小;物料的物性参数中,休止角对MRT影响较大,休止角大的MRT小,而密度的变化影响相对较小。MRT对于以上各影响因素的敏感性差别也较大：回转窑转速对MRT影响是比较敏感的,特别是转速较小时;转窑倾角对MRT的敏感性则比较均匀;窑内风速在小回转窑转速、低窑内风速时对MRT的影响较为敏感。针对回转窑内物料传输影响因数众多、非线性机理强烈的特性,建立风速条件下物料传输模型（MMCAV）,并在回转窑转速倾角和一定风速条件下对模型进行了验证。在次高倾角（α=4.56°）时,MRT随窑内风速变化的情况,其中最大相对误差为7.1％。在低窑转速和高风速情况,总的平均相对误差为2.81％。用稻壳作为输运物料,把实验数据与Perry等模型对比发现：Perry模型在c=0m/s时,Saeman模型在c=0.41m/s附近时与实验值差异较小。风速的影响范围与回转窑倾角有较大关系,倾角α=3.04°时,风速c>0.41m/s必须考虑风速对物料输运的影响;而倾角α=4.56°时,c>0.25m/s就应考虑风速的影响。     

无黏性泥沙休止角与表层沙摩擦角试验

鉴于对泥沙颗粒水上和水下休止角孰大孰小的认识还不统一、分选系数η对非均匀沙休止角影响的认识还存在分歧以及对泥沙休止角与表层沙摩擦角差异性的研究还不够全面,进行了无黏性重质均匀和非均匀沙的休止角和表层沙摩擦角试验.休止角试验采用依水槽内一侧的自然堆积法,表层沙摩擦角试验采用槽道底板粘沙、表面铺沙的倾斜法.结果表明,泥沙颗粒水上休止角大于水下休止角;中值粒径D50相等条件下,非均匀沙休止角并不严格随分选系数η的增大而增大,而是随偏度系数S的减小而增大;表层沙摩擦角与休止角所反映的物理图景不同,二者在数值上存在较大的区别,建议河流动力学和风沙物理学等教科书编纂时需慎重对待二者的差异性.     

基于不均匀粒径分布的颗粒穿流特性

针对目前颗粒穿流研究中多基于均匀分布粒径矿岩颗粒的问题,采用物理试验和数值模拟相结合的方法,基于不均匀分布粒径颗粒,开展三维放矿模型试验和三维数值剪切试验,通过分析放矿前后相关粒径颗粒质量分数的变化和剪切过程中细颗粒的平均位移,研究不均匀粒径级配下颗粒的穿流特性。研究结果表明:在颗粒粒径分布不均匀的情况下,放矿高度对放出颗粒粒径组成无显著影响,且顶部标志小颗粒也未先于顶部标志颗粒放出,说明在垂直方向上颗粒的穿流效果不显著;放矿前颗粒的粒径分布对放出颗粒的粒径组成有显著影响,随着放矿前散体颗粒平均粒径增大,小颗粒的穿流量也快速增大,同时可穿流颗粒粒径也不断增大;随着不均匀散体平均粒径增大,细颗粒的穿流率也明显增大,说明散体颗粒的不均匀性对细颗粒穿流率的影响显著。     

基于EDEM-FLUENT耦合的滚筒冷渣机颗粒轴向扩散运动

基于欧拉-拉格朗日、离散单元法理论,利用EDEM-FLUENT耦合方法,考虑了气相对颗粒的相互作用,以及颗粒与颗粒之间的碰撞,对滚筒冷渣机六棱形冷渣管料床中灰渣颗粒轴向扩散进行了数值模拟分析,得出了灰渣颗粒在填充度25%,颗粒滚落状态下的动态休止角θd=29°,安装倾斜角3°工况下,轴向扩散运动随滚筒转速n(5 r/min ~ 10 r/min)、颗粒粒径d(1.5 mm ~ 3.5 mm)的变化规律。实验结果表明：当粒径一定时,轴向扩散系数随着转速n的增大而增大,相比5 r/min转速,10 r/min转速下颗粒轴向扩散系数增大了23.6%;当滚筒转速一定时,轴向扩散系数随着粒径的增大而增大。粒径d从1.5 mm增加到3 mm及3.5 mm时,轴向扩散系数分别增大了3倍和7.06倍。轴向扩散系数越大,颗粒轴向运动就越剧烈,滚筒出力越强,炉渣处理效率越高。     

粒径对石油焦粉及煤粉的堆积与流动特性的影响

以窄粒径分布的2种工业原料粉体——石油焦粉与煤粉为实验物料,通过测试粉体的压缩性、休止角、剪切特性及流动能,研究了粒径对其堆积及流动性的影响,并对比分析了两者的差异性。研究结果表明:随着粒径的增加,粉体压缩性减小、堆积密度增大,基本流动能随之增大;休止角、内聚力和单位流动能随着粒径的增大而减小,粉体流动性变好;随着固结等级的提高,2种粉体的内聚力均增大,流动性变差;在相同固结状态下,2种粉体的剪切性能无明显差别。与大颗粒相比,粒径小于70μm细颗粒的堆积特性及流动性对固结应力的变化更为敏感。不同粉体的对比表明,石油焦粉的堆积密度大于同等粒径的煤粉。在粒径大于70μm的范围内,石油焦粉与煤粉流动性相当;而在粒径小于70μm的范围内,石油焦粉的流动性略差于煤。     

循环前后不同颗粒粒径下sandwich形加筋土筋土界面单调直剪特性

采用3种不同颗粒粒径石英砂作为sandwich加筋土中薄砂层,使用大型直剪仪分别对不同薄砂层厚度的sandwich形加筋土进行了单调直剪、循环剪切及循环后直剪试验.试验结果表明:在单调直剪和循环后直剪过程中,不同颗粒粒径下都存在一个最优厚度,使筋土界面内剪应力最大,且颗粒粒径越大,最优薄砂层厚度越大;在循环剪切过程中,随着颗粒粒径增大,界面强度呈先增大后减小的趋势;相比单调直剪结果而言,在循环后的直剪过程中筋土界面的峰值剪应力更大,体积变更小.     

受限颗粒体对运动副摩擦力-速度关系的影响研究

在运动过程中受粉尘、碎屑等颗粒的影响，运动副动力学特性会产生复杂变化。针对此类问题，文章开展了弹簧-滑块-传送带摩擦实验，通过将二氧化硅、金刚石、氧化铁等受限颗粒体引入铝质滑块-橡胶传送带，探究摩擦力-速度关系、摩擦非线性-速度关系的变化。研究发现：不同载荷、颗粒材料、颗粒粒径对速度摩擦力-速度等关系会产生不同影响；随着载荷增加，滑块的摩擦力均值和标准差随之增大；加入二氧化硅颗粒后，摩擦力均值呈现减小趋势，摩擦力标准差呈现先减小后增大的趋势；加入金刚石、氧化铁颗粒后，摩擦力均值呈现增大趋势，摩擦力标准差呈现减小的趋势；随着粒径的增大，滑块受到的平均摩擦力及标准差呈现增大的趋势。该研究对含受限颗粒体的运动副的动力学特性有一定的指导意义。     

超声波对固体颗粒表面性质的影响

研究了在不同频率、功率、时间、温度条件下超声波对固体颗粒大小的影响;探讨了超声波对十六烷基三甲基溴化铵(HDTMA)阳离子表面活性剂在固体颗粒表面解吸性能的影响.结果表明:功率越大、时间越长,超声波作用后固体颗粒粒径均值越小.温度升高,固体颗粒的运动性能增强,超声波作用后粒径均值在55℃时最小,且在频率为40 kHz、功率为50 W、作用时间为50 min及55℃时,颗粒长轴均值从12.575μm减小到7.799μm,短轴均值从6.998μm减小到5.453μm.同时超声波发生器的功率越大、时间越长、温度越高,黏土颗粒表面吸附HDTMA的解吸率增大,且当频率为80 kHz、功率为50 W、时间为50 min、温度为65℃时,其解吸率可达64.69%.     

散体颗粒在滚筒内运动特性的实验研究与数值模拟

通过实验方法研究了不同转速下丝状散体颗粒在滚筒内的运动状态,并采用烟丝作为实验材料,测量其在滚筒内的停留时间.实验结果表明:滚筒烘丝机转速越大,颗粒在抄板的提升作用下运动越剧烈,做圆周运动的时间越少,从而导致颗粒在滚筒内的总停留时间越短.在该实验基础上利用"虚拟颗粒团"方法对滚筒内散体颗粒的运动过程进行数值建模,得到的模拟结果与实验数据吻合较好.因此,采用此数学模型模拟不同滚筒倾角条件下丝状颗粒在滚筒内的运动过程,模拟结果显示:滚筒倾角越大,丝状散体颗粒在抄板和滚筒壁面的综合作用下,纵向运动时间越少,颗粒在滚筒内停留时间越短.     

液滴与球形颗粒相互碰撞的数值模拟

为了研究液滴与球形颗粒的碰撞规律,建立了正确反映液滴与颗粒间相互碰撞的物理模型.利用所建模型模拟了液滴与颗粒的动态碰撞过程,进而对液滴半径铺展系数及液膜中心高度系数进行分析,研究了液滴与颗粒间的撞击速度、湿润角、粒径比等参数对碰撞结果的影响.结果表明:在一定条件下,撞击速度的提高会增大液滴的最大铺展半径系数,当撞击速度为0.4 m·s-1时,液滴完全反弹,当撞击速度提高到1.4 m·s-1时,液滴发生破碎;当速度和粒径比不变时,湿润角与最大液膜中心高度系数成正比;在湿润角不大于90°时,粒径比越大,液滴包覆的概率就越大.     

B类石英砂在充气料仓中的落料特性

在自行设计的有机玻璃充气料仓系统上对B类石英砂颗粒(密度2610kg/m3、平均粒径229μm)进行实验,研究了在不同半锥角料仓中单层和组合充气对落料特性的影响。结果表明：单层充气时,充气位置不宜过高或者过低,一般在锥段高度1/8附近为最佳。当气量较大时会出现喷射流、气压平衡拱等不同的落料现象。组合充气从落料速率和稳定性上都优于单层充气,通过优化组合充气可实现相同充气量下落料速率最大且稳定的落料过程。落料速率随半锥角增大而减小,但随着流化气量增大变化趋势减缓。充气位置越高气量越大,料位高度对落料速率的影响作用越明显。     

煤矿井底煤仓内散体颗粒三维结构分析

煤矿中井底煤仓装卸煤过程实际上为仓内散体物料对仓壁力学作用过程,其侧压力出现原因一直是研究的难点,确定合理的仓壁径向压力是研究的关键。以直立筒状井底煤仓为例,通过简化井底煤仓建立了仓内贮料卸载过程中散体颗粒形成的三维立体承载结构力学模型,从散体力学角度进行了理论分析,并结合PFC~(3D)数值模拟实验及三维物理相似模拟实验模拟了井底煤仓卸料过程。结果表明:仓壁承受的侧压力主要是仓内煤矸散体颗粒在流动过程中相互挤压形成类似"三维锥壳"承载结构引起的。随着井底煤仓卸煤,仓内散体贮料不断放出,该结构不断形成和失稳,导致"三维锥壳"结构的支承点作用于仓壁形成动载,并随时间推移呈现卸载超压现象。散体颗粒对仓壁作用力与内部所形成的承载结构及上部荷载有关,结构稳定性受仓内散体贮料颗粒的粒径影响最大,内摩擦角及黏聚力次之,与现场工程实际及三维物理模拟实验具有较好的一致性。     

非线性振动下卸载系统动力学及运动学特性分析

针对散体物料与振动卸载面间的摩擦、碰撞等相互作用导致的散体复杂运动行为或磨损等问题,基于库仑摩擦力模型及碰撞理论,建立具有非线性振动的卸载系统动力学模型.采用增量谐波平衡法和数值积分法,分别研究激励幅值和刚度比对系统动态特性、振动传递和散体物料流动规律的影响.结果表明,随着激励幅值和刚度比的增大,卸载系统的硬式非线性增强、多解区域变宽、力传递率减小并出现明显的延迟现象;由于轮胎及悬架非线性因素的影响,在相同工况下散体物料呈现出不同的流动状态,并且在跳跃、冲击后出现相对静止和相对前滑等现象.     

转筒颗粒流崩塌前后的颗粒温度和体积分数测量

转筒中的颗粒流在工业生产中广泛应用,准确描述颗粒流规律对于调控生产中的换热效率和混合效率极为重要,颗粒温度和颗粒体积分数是影响颗粒流的主要参数.本文搭建了基于面阵CCD相机的图像测量装置,以及基于线阵CCD相机的同轴双散斑能见度光谱法(Speckle Visibility Spectroscopy, SVS)测量装置,选取均值粒径为0.5 mm的球形颗粒和等效粒径为0.5 mm的不规则颗粒.通过测量转筒中颗粒体系的侧表面轮廓,计算得到颗粒体系崩塌前后的体积分数.发现在崩塌过程中,球形颗粒体系和不规则颗粒体系都发生膨胀;在崩塌前,不规则颗粒体系发生压缩,而规则颗粒体系不发生压缩.进一步,测量了颗粒体系自由表面上不同位置的颗粒温度δv2.发现球形颗粒与不规则颗粒的崩塌发生在同一个位置;不规则颗粒体系的压缩首先发生在体系上半部分,并且在一个崩塌周期时间内,压缩现象仅发生一次.最后,根据颗粒体系的侧表面轮廓和颗粒温度大小,确定了休止角和特征时间参数,发现球形颗粒体系休止角与崩塌时间的关系与Davidson提出的模型一致,并发现崩塌前不规则颗粒体系的压缩会缩短颗粒的崩塌时间.实验结果揭示的转筒内颗粒流规律,为完善工业生产中颗粒材料流动与传热的控制技术提供参考数据.