描述砂性土宏细观力学关系的数学模型

土体等颗粒材料在外力作用下的细观颗粒层面的力学行为决定着其宏观力学性质.然而,目前已经提出的宏细观本构关系多基于对某一种试验数据的唯象总结,缺乏普适性.根据已有的理论研究成果,基于Hertz接触理论,采用颗粒流离散元程序(particle flow code,PFC3D)模拟了粒状砂性土的单轴压缩试验,推导了一种更具普...     

粉末注射成形喂料的流体动力学

本文通过合并近年来报道的高聚物和颗粒物质的流体力学理论,提出了一个描述其混合物—粉末注射成形喂料宏观力学行为的新理论.与传统的喂料非牛顿流体力学相比,该理论多出了颗粒温度和两个弹性应变张量（分别表征高聚物和颗粒物组元）等状态变量,能全面描述喂料中出现的颗粒骨架和高聚物的弹性效应.对平面定常剪切流动情形,它简化为表观剪切黏度性质与喂料一致的非牛顿流体力学方程,表明新理论包含了传统喂料理论,因此可用于研究其适用前提,和包括法向应力差系数在内的流变学参数.本工作除有助于研究复杂多相系统连续力学方程的建立方法外,还将对粉末注射成形领域关注的喂料动力学分析提供一条新途径.     

Characteristics of temporal-spatial parameters in quasi-solid-fluid phase transition of granular materials

Granular materials are ubiquitous in agricultural and pharmaceutical processes, debris and snow avalanches, ice and sediment transport in rivers. A granular material can behave like a fluid when it flows or like a solid when it stops. It can transit betwe…     

Effect of curing time on the mesoscopic parameters of cemented paste backfill simulated using the particle flow code technique

Several special mechanical properties, such as dilatancy and compressibility, of cemented paste backfill(CPB) are controlled by its internal microstructure and evolution.The mesoscopic structure changes of CPB during the development process were investigated.On the basis of the scanning electron microscopy(SEM) and mechanical test results of CPB, the particle size information of CPB was extracted, and a two-dimensional particle flow code(PFC) model of CPB was established to analyze the evolution rule of mesoscopic parameters during CPB development.The embedded FISH language in PFC was used to develop a program for establishing a PFC model on the basis of the SEM results.The mesoscopic parameters of CPB samples at different curing times, such as coordination number(C_n), contact force chain, and rose diagram, were obtained by recording and loading and used to analyze the intrinsic relationship between mesoscopic parameter variations and macroscopic mechanical response during CPB development.It is of considerable significance to establish the physical model of CPB using the PFC to reveal the mesoscopic structure of CPB.     

立式螺旋沉降离心机固粒的力学研究

全面考虑颗粒与输料螺旋叶片的相对滑动、哥氏力、惯性力及液体二次流对颗粒的影响,推导了立式螺旋卸料沉降离心机中二维流动下固相颗粒的受力方程及运动方程,以此描述实际工作状况.     

Scale invariance and universality of force networks in static granular matter

Force networks form the skeleton of static granular matter. They are the key factor that determines mechanical properties such as stability, elasticity and sound transmission, which are important for civil engineering and industrial processing. Previous studies have focused on investigations of the global structure of external forces (the boundary condition) and on the probability distribution of individual contact forces. So far, however, precise knowledge of the disordered spatial structure of the force network has remained elusive. Here we report that molecular dynamics simulations of realistic granular packings reveal scale invariance of clusters of particles interacting by means of relatively strong forces. Despite visual variation, force networks for various values of the confining pressure and other parameters have identical scaling exponents and scaling function, thereby determining a universality class. Unexpectedly, the flat ensemble of force configurations (a simple generalization of equilibrium statistical mechanics) belongs to this universality class, whereas some widely studied simplified models do not. This implies that the elasticity of the grains and their geometrical disorder do not affect the universal mechanical properties.     

耗散粒子动力学中实现滑移边界条件的数值方法

流体在固体表面的速度滑移对宏观流动的影响通常可以忽略,但在研究微尺度流动时,滑移速度可能对流动产生较大的影响.因此在研究微尺度流动时,需要考虑流动在边界上的滑移.耗散粒子动力学方法是模拟介观尺度下流体的动力学行为的计算方法,目前该方法一般使用无滑移的边界条件.提出一种在耗散粒子动力学中实现滑移边界条件的数值方法,得到了和Navier滑移边界条件的Poiseuille流精确解吻合的速度剖面.     

低浓度固液两相流颗粒相本构关系的动理学分析

固液两相流的动理学理论认为固体颗粒相可用Boltzmann方程描述。从流场中的颗粒受力分析出发 ,应用动理学的 Chapman- Enskog法 ,探讨了低浓度固液两相流下的 Boltzmann方程的二阶近似解和颗粒相本构关系。结果表明 ,尽管颗粒所受相间力与两相脉动速度有关 ,但在两相脉动速度近乎无关的极限条件下 ,颗粒速度分布函数和颗粒相本构关系与快速颗粒流的相同。这样的极限条件在含粗重颗粒的两相流中可以近似实现     

碎石桩内部的拱效应分析

基于颗粒介质堆中应力传递的试验研究，模拟碎石材料桩的压缩变形过程，分析了在轴向静力荷载作用下，碎石桩内部材料中的应力分布、位移形式、颗料介质微观变化对宏观力学响应的影响、桩周土对桩体材料的作用及桩体材料拱效应的影响范围，进而研究抑制拱效应、提高桩体承载力的问题．研究结果表明，利用微结构可以解释散体介质的许多特性，解释散体材料桩破坏的内在机理．     

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。     

粒度分布具有分形特征的非均匀颗粒流的有效热导率理论研究

根据稠密气体运动学理论，在近平衡条件下，得到粒度分布具有分形特征的非均匀颗粒流系统的速度几率分布函数．研究了低浓度的非均匀颗粒流中颗粒与流体之间因颗粒的随机运动而产生的有效热传导；理论推导了其有效热导率；讨论了系统各参数对有效热导率的影响；并将研究结果与单一颗粒流和两组分的混合颗粒流的有效热导率理论结果进行了比较，结果表明，本文的理论结果更具有一般性、包含了已有的理论结果．     

光阱pN量级阱力的流体力学法测量系统

根据流体力学的分析 ,研究并计算了适合光镊操作生物粒子的无限大平板流场特性和流场分布 ,设计并研制了一套符合光镊pN(皮牛 )量级力测量的液体微循环系统和样品池 ,其液体微流量分流器和缓冲器解决了蠕动泵脉冲缺点 .实际测量和光阱力测试结果显示该系统满足光阱pN量级力的测量要求 .     

离散态物质内部的非稳行为及其规律

用实验方法研究了在离散态颗粒物质中以不同速度向上提拉探测杆时,杆受到的滑动摩擦力.实验结果表明,滑动摩擦力F随测量时间t成非线性上升然后下降.对F进行功率谱分析的结果表明:功率S(f)与频率f存在幂函数的关系,即S(f)∝fβ,-2.0≤β≤-1.0.这现象利用自组织临界模型得到了很好解释.     

悬浮颗粒在孔喉中的微观运移模拟研究

悬浮颗粒多孔介质微观运移模拟正逐渐成为颗粒堵塞机理研究和地层伤害评价的一种快速而有效的研究方法,基于颗粒离散元方法建立了一种悬浮颗粒在多孔介质中运移的微观孔隙模拟方法。通过拟合宏观力学参数生成了Antler天然砂岩骨架颗粒模型,建立了骨架颗粒流体耦合孔隙网络模拟方法,通过达西线性流验证了骨架颗粒流体耦合模型的正确性。之后在分析悬浮颗粒受力基础上,建立了耦合的悬浮颗粒侵入模型,模型考虑了侵入颗粒与流体、侵入颗粒与骨架颗粒的相互作用。模拟结果表明,在发生贯穿性堵塞时粒径小的悬浮颗粒造成更大地层伤害,初始孔隙度大的岩芯的渗透率降低幅度较大,因此在防止地层伤害注水方案设计时要针对具体地层的孔隙度和渗透率情况严格控制悬浮颗粒的粒径和浓度。     

泥石流冲击特性模型试验

针对沟谷泥石流,建立了泥石流冲击试验模型,选定0.3～0.8cm、0.8～15cm和1.5～3.0cm等3种固相粒径组和0.02、0.08、0.16、0.20、0.25等5种固相比,拟定了15种水石流试验工况;实施了40余组模型试验,采用Fastcam-ultima1024型高速摄像机、HS200型动态应力传感器和多通道动态应变仪等测试仪器获得了85000多个测试数据。试验结果表明,低固相比时,泥石流脉动特征显著,泥石流阵流特性随着固相比增大逐渐显现,且随着泥石流中固相颗粒粒径增大,出现初始阵流的时间提前;随着固相比及固相颗粒粒径的增大,泥石流冲击力具有非线性增加趋势;泥石流沟口的平均流速随着固相比增大具有降低趋势。成果可为系统实施不同浆体粘度及不同固相比泥石流冲击特性试验及理论研究提供科学借鉴。     

湿颗粒材料筒仓卸料过程的离散元模拟

为研究含液量较少情况下湿颗粒材料的筒仓卸料过程,采用接触点绑定和自定义本构两种途径模拟液桥力,数值算例分析了含水量对颗粒流动性的影响,并通过提取仓壁底端压力峰值和统计颗粒阻塞概率,对干颗粒和湿颗粒在筒仓卸料过程中宏观特性的不同作了分析。得出仓壁底端压力峰值发生在卸料过程中,干颗粒压力峰值高于湿颗粒;筒仓卸料过程中,粒径均匀分布的颗粒其阻塞概率要大于单一粒径的颗粒,湿颗粒阻塞概率大于干颗粒,液桥力整体上对颗粒流动有阻碍作用。数值算例表明了两种途径在模拟湿颗粒材料流动行为时的有效性和可行性。     

混合颗粒体光弹力链定量提取方法

岩土工程和采矿工程涉及大量的颗粒物质科学和技术难题,定量识别和提取光弹试验颗粒体系的力链网络结构和分布特征,对于认识和掌握其内部细观力学机理和研究宏观力学行为至关重要.采用彩色梯度均方值(G2)算法,建立了不同粒径的圆形颗粒和方形颗粒的接触力(F)和G2的关系;基于数字图像处理技术,提出了识别和区分图像中不同粒径圆形颗粒和方形颗粒的方法,获得了光弹图片中力链网络结构和力链分布方位.以煤矿综放开采为实例,对所提出的力链定量提取方法进行了验证分析,清晰揭示了综放采面矿压形成机理和本质特征.研究表明:单颗粒的F值与G2呈单调递增关系,且粒径越大,F随G2值的增长速度越快;颗粒体系接触力集中分布在0.5F~F(F为平均接触力),方颗粒、φ12 mm圆形颗粒平均接触力较大,多为强力链;φ10 mm、φ8 mm圆形颗粒的平均接触力较小,多为弱力链.综放开采顶煤和覆岩中力链主要为树状力链,以竖向发育为主的强力链传递上部主要荷载,横向发育的弱力链对强力链起到侧向支撑的作用.顶煤放出口附近,由于颗粒侧向移动弱力链丧失,导致强力链减弱甚至消失.     

垃圾炉渣力学性质的颗粒流模拟

基于离散单元法理论和PFC3D软件,采用平行胶结模型来模拟炉渣中的胶结作用,建立了城市垃圾炉渣的细观颗粒模型。将模型细观参数和材料宏观力学性质联系起来,标定了模型的细观力学参数,将数值模拟结果和室内试验数据进行了对比。结果表明:离散元方法可以较好的模拟炉渣的应力-应变变形关系;细部结构调整的变化速率是影响模型受力变形机制的主要因素;改变边界刚度,分析了边界刚度对剪切强度参数和压缩模量的影响。从细观角度揭示影响炉渣强度的因素,对离散单元法的应用有一定的价值。     

喷动流化床气固流动特性的三维数值模拟

采用离散元方法（DEM）,在用欧拉方法处理气相场的同时用拉格朗日方法处理离散颗粒场,对喷动流化床煤部分气化炉内的气固流动进行了三维数值模拟．直接跟踪床内每一个离散颗粒,考虑了碰撞力、携带力、重力、剪切提升力和Magnus升力,颗粒碰撞采用软球模型．获得了喷动流化床典型操作参数下的流动结构、颗粒的受力、颗粒的速度分布、气体和颗粒的湍流强度等结果．结果表明,颗粒之间碰撞率随着喷动气速的增大而增大,随粒径的增大而减小,然而颗粒与壁面的碰撞率受喷动气速和粒径的影响不明显．颗粒的运动受重力、携带力和碰撞力主导,除喷动区与环形区交界外,Magnus力和Saffman力可以忽略．气体湍流强度是颗粒湍流强度的2～3倍,近壁面区的气体和颗粒的湍流强度均较小．