基于离散单元法的溜砂坡堆积形态数值研究

采用离散单元法模拟了溜砂坡的堆积过程,研究粒间摩擦因数和颗粒形状对溜砂坡堆积形态的影响,建立粒间摩擦因数、颗粒形状与堆积形态的相关关系。研究结果表明:颗粒堆积体上、下部的粒径分布均具有分形特性,摩擦因数越大,堆积体上部分形维数和堆积角度越大。对比不同的颗粒形状,颗粒浑圆度越差,堆积体上部分形维数和堆积角度越大。随着粒间摩擦因数的增大,强力链数目减少,弱力链数目增多,力链结构的各向异性增强,颗粒间法向接触力的水平分量变小,接触法向的主方向向竖直方向偏转。圆形颗粒堆积体中力链分布呈树根状,考虑颗粒形状后的堆积体内强力链方向基本与斜坡平行。溜砂坡下部分形维数与其内部孔隙率呈较好的线性关系,下部分形维数越大,堆积体孔隙率越小。     

U形管地下换热系统的传热数值模拟

土壤源热泵是地源热泵中最常见的应用形式,是高效节能、绿色环保的供暖和制冷方式。其换热器大都采用竖直U形地埋管。据此,我建立了竖直U形地埋管与土壤的三维传热模型,模拟了U形管内流体的传热、U形管与土壤的传热和土壤的温度场。本文所建的模型考虑了U形管的实际形状,采用GAMBIT为建模软件,FLUENT为计算软件。管内流动状况与实际物理、几何条件完全符合,这与以前研究者将U形管两只管腿等效为柱热源的数学模型相比有质的改进。通过分析这些模拟数据可以得出对土壤源热泵工程设计有指导作用的结果。     

浮升力在竖直通道湍流中的作用

采用直接数值模拟方法研究了在不同湍流引发机制作用下竖直槽道湍流中统计量的变化以及湍流结构的变化,分别给出了强迫对流、混合对流和自然对流湍流时平均速度、平均温度、湍流脉动强度、雷诺切应力的统计结果以及湍流结构.结果表明:与强迫对流时相比,混合对流时浮升力作用使高温侧的平均速度升高,速度脉动强度降低,而低温侧的平均速度降低,速度脉动强度升高;浮升力使温度脉动强度在壁面附近区域显著增强,而在通道中心区域变弱.与强迫对流和混合对流的情况相比,自然对流的平均速度分布关于通道中心线反对称,通道中间区域的速度脉动强度最大,温度脉动强度则最小;雷诺应力最大值出现在通道中心区域,而负的雷诺应力产生在壁面附近.     

固体颗粒在竖直向上管内流场中的运动规律

对单个颗粒竖直向上管内层流,紊流中及在液体发生上变时的运动规律进行了较为系统全面的分析,建立了计算方程。研究结果表明,颗粒在随流体轴向运动的同时还存在向管中心方向的径向迁移,固体颗粒到达管中心后会随流体一直向上运动,在近壁面处存在一个流化死区,流化死区的大小与流体流态,固体颗粒的大小和密度有关,固体颗粒尺寸及密度愈大,流速愈小,则流化死区愈大,液体相变对颗粒的运动也产生重要的影响。当热流密度不是很     

北部湾潮汐数值计算参数的试验

选不同的海底摩擦系数以及水平湍流摩擦系数，对北部湾的ｋｉ分潮进行了数值模拟试验。结果表明，当底摩擦系数取０．００２～０．００３，而水平湍流摩擦系数取１×１０２～５×１０３ｍ２／ｓ时其模拟结果与实测潮波系统比较吻合。潮波动力学方程中的底摩擦项对数值结果影响较大，而水平湍摩擦项对数值结果的影响不甚明显。     

磁场对磁性湿颗粒运动机理的影响

为了了解磁流化床内磁性湿颗粒的运动特性,数值模拟了匀强磁场作用下磁性湿颗粒的运动。数学模型上,采用离散元法(DEM)模拟颗粒运动,同时考虑磁场和液桥的双作用力模型。仅针对二维溃坝问题进行数值模拟,分别研究磁场和液桥对颗粒行为的影响。数值模拟结果发现:无磁场作用时,液体体积分数增加,颗粒运动剧烈程度相对减弱,颗粒聚集行为增强;有磁场作用时,颗粒形成平行于磁感线方向的链,显著降低了颗粒的平均速度和平均位移。     

变径流化床反应器内的气固流动特性数值模拟

采用计算颗粒流体力学(CPFD)的数值模拟方法,对直径为160 mm、高度为273 3 mm的变径流化床反应器内的气固流动特性进行冷态模拟,研究不同气速及不同初始物料量对流化床反应器气固流动特性的影响,得到流化床内颗粒体积分数、颗粒速度以及颗粒停留时间的分布。结果表明,当气速不小于2.5 m/s时,流化床内颗粒体积分数轴向分布更为均匀,颗粒速度呈中间高、两边低的倒"U"形分布;壁面附近的颗粒停留时间长于中心处,使得壁面附近的颗粒趋于聚集;流化床的轴径向颗粒体积分数随着初始物料量的增加而增大。     

固体颗粒在竖直向上管内流场中的运动规律

对单个颗粒在竖直向上管内层流、紊流中及在液体发生相变时的运动规律进行了较为系统全面的分析,建立了计算方程。研究结果表明,颗粒在随流体轴向运动的同时还存在向管中心方向的径向迁移。固体颗粒到达管中心后会随流体一直向上运动。在近壁面处存在一个流化死区,流化死区的大小与流体流态、固体颗粒的大小和密度有关。固体颗粒尺寸及密度愈大,流速愈小,则流化死区愈大。液体相变对颗粒的运动也产生重要的影响。当热流密度不是很大,液体流量较小且在起始截面处的液相为单相饱和液体时,管内相变会对固体颗粒的运动规律产生明显的影响;而当液体流量较大且为紊流流动时,这一影响较弱     

水平来流对Rayleigh—Benard对流斑图的影响

通过流体力学基本方程的数值模拟,研究了二维矩形腔体中水平来流对Rayleigh-Benard对流斑图的影响.在水平流动的参数U=0时获得了两种波数的定常对流斑图;当来流参数U=2.982时获得了行进波对流斑图;在来流参数U=17时,发现了一种局部行进波斑图.文中还讨论了这些对流斑图的动力学特性.     

北部湾潮汐数值计算参数的试验

选不同的海底摩擦系数以及水平湍流摩擦系数,对北部湾的ki分潮进行了数值模拟试验。结果表明,当底摩擦系数取0.002~0.003,而水平湍流摩擦系数取1×10²~5×10³ m²/s时其模拟结果与实测潮波系统比较吻合。潮波动力学方程中的底摩擦项对数值结果影响较大,而水平湍摩擦项对数值结果的影响不甚明显。     

边界摩擦对二维堆积颗粒体系几何结构的影响

颗粒体系在受挤压时的受力情况和滑移通道是一个极其复杂的问题。用实验的方法研究了二维晶格堆积的颗粒体系受挤压推进过程中的力学响应和结构变化情况,观察到颗粒体系在受挤压时将出现结构的坍塌和重组行为。依据实验结果,分析了边界上压力的分布、滑移通道和重组结构与边界摩擦因素和堆积角之间的关系;用静力学理论分别讨论了处于边界和中部颗粒不同的受力机制。研究表明光滑器壁较粗糙器壁容易成为颗粒滑移的通道,这种情况下颗粒体系形成的力链不稳定,容易导致结构坍塌;边壁的摩擦不会对器壁不同高度处应力的分布产生显著影响,力链的重组才是导致不同高度处应力重新分布的主要因素。     

固液流化床中不同粒径粒子群的滑流速度

在稳定的流动状态下,实验考察了铅直管内粒径不同的两组分粒子群的滑流速度,并与每一组分单独存在时的值进行了对比.相对于单组分时的滑流速度,两组分场合的每一组分的滑流速度都会发生偏离并相互接近,偏离的程度受两个粒子群的粒径比、浓度比以及总粒子浓度的影响.通过对两个粒子群之间的相互影响因素的定量分析,以单成分的空隙方程式为基础,建立了在多种操作条件下直接计算滑流速度的模型.     

Discrete element simulations of two wetting effects on granular materials

To explore the microscopic responses of granular materials to wetting,the inter-particle lubrication effect and particle breakage in an odometer were simulated using a two-dimensional discrete element method.The lubrication effect was modeled by reduction of the inter-particle friction coefficient and particle breakage was initiated by decreasing the particle strength.Once the strength of the particles decreased to a threshold value,the particles began to break so that new contacts could be established to transfer the external loads.Numerical simulations successfully reproduced the additional compaction of the material and the intensification of the horizontal stress in addition to the microscopic responses of the granular assemblies.The microscopic interpretation of the earth pressure coefficient at rest and the evolution of the grain number distribution during particle breaking were also investigated.     

颗粒物质与固体交界面静摩擦系数的测量与分析

颗粒物质与固体界面的摩擦力是当前颗粒物理研究中经常遇到的边界条件,但文献上对其取值有较大分歧。本文实验测量了颗粒物质与不同固体界面的最大静摩擦力,发现界面摩擦均满足达芬奇摩擦定律,且测得的静摩擦系数约在0.17～0.20之间。而材料手册中同样材料的固-固接触摩擦系数高达0.94,这表明一般不能直接用材料手册的摩擦系数值分析讨论与它有关的颗粒问题。     

移动床气固流与水平埋管的传热特性研究

对正压差条件下顺重力移动床气体－颗粒流与水平埋管的传热特性进行了实验及理论研究，揭示了埋管表面附近气体颗粒局部流动及换热的特点，建立并简化求解了描述移动床气固流与埋管间传热的物理数学模型，结果表明，细颗粒气固移动床的床层颗粒质量流率是影响传热效果的主要因素，压力作用则是通过改变床层颗粒质量流率及气体渗流率和热容来影响传热的。     

回转窑内二元颗粒物料的径向混合

研究了颗粒尺寸差异和密度差异对二元物料在回转窑内混合的影响. 采用离散单元法建立颗粒物料的运动模型,模拟滚落运动模式下二元物料在回转窑内的径向混合过程;通过颗粒接触数定义混合程度评价指数,结合Hong的渗流与凝聚竞争理论分析颗粒体积比σ和密度比η对二元物料混合程度的影响. 结果表明:增大体积比σ会增强渗流作用,增大密度比η会增强凝聚作用,无论渗流或凝聚占据主导作用,均会导致物料在混合过程中产生径向分离,使混合程度降低;对σ与η进行配置后,可以使渗流与凝聚两种机理彼此平衡,达到物料混合均匀的目的;物料的渗流-凝聚平衡曲线中,σ与η呈幂函数关系.     

崩落法采矿中放出体流动特性的影响因素

基于颗粒元理论和PFC3D程序,构建具有矿石散体细观力学性质的放矿模型,开展崩落法采矿中放出体流动特性影响因素研究。运用统计学知识确定对放出体流动特性有显著影响的主要因素及其敏感性,得出其与放出体流动特性的关系,并通过已有研究结论与模拟结果的对比分析,验证了基于PFC3D程序的放矿模型在放出体流动特性影响因素研究中的适宜性与可靠性。研究表明：放出体颗粒形状、摩擦系数及放矿口尺寸三种因素是显著影响崩落矿岩流动特性的重要参数。在放矿初始阶段,放矿口尺寸对放出体形态影响最大,其次为摩擦系数,颗粒形状对其影响最小;在之后的放矿过程中,颗粒形状对放出体形态影响最大,其次为放矿口尺寸和摩擦系数。散体颗粒形状越不规则、散体内摩擦角越大以及放矿口尺寸越小则放矿越困难。     

Some open problems in granular matter mechanics

Granular matter is a large assemblage of solid particles, which is fundamentally different from any other type of matters, such as solid and liquid. Most models presented for granular matter are phenomenological and are only suitable for solving engineering problems. Many fundamental mechanical problems remain open. By analyzing characteristics of internal state structure, we propose that granular matter is intrinsically multiscale, i.e. microscale of particle size, mesoscale of force chain, and macroscale of the bulk of granular matter. The correlations among difference scales would be crucial. The mesoscale force chain network is determined by both particle properties and macroscopic boundary conditions. The evolution of the force the chain network contributes to macroscopic mechanical properties of granular matter. In addition, we discuss the drawbacks in simplifying contact forces in the current models, and the difficulties in analyzing the interaction of interstitial fluid in wet granular matter. As an appropriate application of granular matter, debris flow can be studied with granular matter mechanics; meanwhile, debris flow brings more challenges which certainly motivate future studies on granular matter.     

水基纳米流体在竖直毛细管中的气液两相上升流流型特性

研究了在内径为1.6 mm的竖直玻璃毛细管圆管内的氮气-CuO水基纳米流体的上升两相流流型分布图.首先对毛细管内氮气-去离子水的两相流流型进行实验研究,并与常规管的半理论半经验公式进行了比较.然后在水中添加不同比容积的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和CuO纳米颗粒制备成纳米流体,对氮气-纳米流体在垂直毛细管内的流型图进行了测量.研究发现,和常规管相比,毛细管内气-水两相流各种流型的转化在较低的流速下就已产生.使用纳米流体后,毛细管内的气液流型转化在更低的流速下产生.纳米流体对两相流流型的影响主要是由于添加表面扩散剂SDBS和纳米颗粒后降低了溶液表面张力而产生的.纳米流体中的纳米颗粒和表面扩散剂浓度对流型图几乎无影响.     

刀-屑局部摩擦因数建模及实验研究

基于黏着摩擦理论建立局部摩擦因数与接触面正应力和相对滑移速率之间的经验模型.采用试验方法来分析直角切削过程刀-屑接触面间的局部摩擦现象.设计的实验能够提供与实际切削相同的相对滑移速率和正应力条件.基于实验数据拟合并建立了基于正压力、相对滑移速率的摩擦因数经验模型.实验表明,在一定范围正应力和滑移速率下,摩擦因数随着接触面间的正应力、相对滑移速率的增加而降低.