湍流分离流动中的颗粒弥散机制

为了揭示颗粒在湍流分离流动中的弥散机制,采用大涡模拟方法和颗粒轨道模型,对二维后台阶分离流动中颗粒弥散进行了数值模拟研究。研究给出了不同St数的颗粒在流场中的分布以及瞬时大涡与颗粒相互作用规律,表明大尺度涡对颗粒弥散的影响依赖于颗粒的尺寸等参数。不同St数下颗粒瞬时弥散机制不同,共有3种模式:随着颗粒St数的增大顺序表现为大涡作用模式;大涡与离心力作用模式;惯性力作用模式。进一步分析得到了颗粒进入回流区是大涡与颗粒的相互作用以及壁面的存在共同导致的结果。     

非均匀颗粒流动垂向分选实验研究

利用两个半径不同的同心圆筒组成环形流道,在流道上表面安装摩擦板带动颗粒流动,进行非均匀颗粒流动垂向分选实验．该实验方法使颗粒可在环形流道中循环流动,流动速度可调,流动时间不受限制,克服了以往实验中由于流道较短颗粒垂向分选不充分的弊病．实验证实了Savage提出的“空隙填充机制”,小颗粒优先填充于颗粒流动过程中形成的空隙中,逐渐向下层迁移,形成垂向分选．实验结果还表明,快慢速流动两种不同条件下,颗粒垂向分选机制存在本质区别．在颗粒流动速度较小的情况下,颗粒间作用以摩擦为主,颗粒垂向分选的程度取决于颗粒流动过程中随机产生空隙的大小和数量,即主要受“空隙填充机制”控制;随着颗粒流速的加快,颗粒间的碰撞作用加强,碰撞应力逐渐起控制作用,小颗粒空隙填充几率相对减少,部分小颗粒甚至由于碰撞应力作用由下层重新回到上层,导致分选程度下降．     

分层结构颗粒堆积床内的流动阻力特性

为了研究反应堆严重事故后分层结构碎片床的流动阻力特性,使用4种尺寸球形颗粒构建了3种颗粒堆积床,分别是颗粒均匀堆积床、水平分层颗粒堆积床和竖直分层颗粒堆积床。基于3种颗粒堆积床,开展了单相/两相流动实验,对比分析了不同堆积结构颗粒床内的流动阻力特性。研究结果表明:对水平分层结构,当下层为小颗粒、上层为大颗粒时,分层结构对流动阻力压降的影响可以忽略,堆积床上下层内的流动阻力压降和相同尺寸的颗粒均匀堆积床内的流动阻力压降基本相同;当下层为大颗粒、上层为小颗粒时,分层结构显著提高了上层小颗粒堆积床内的流动阻力压降,在最大实验流速工况下,上层小颗粒堆积床的流动阻力压降约是相同尺寸颗粒均匀堆积床的1.25倍,而下层大颗粒床内的阻力压降基本不变。竖直分层颗粒堆积床内存在横向流动,导致小颗粒堆积层内流动阻力压降降低而大颗粒层的流动阻力压降升高。研究结果对完善多孔介质结构内的流动阻力分析具有重要意义。     

河道交汇区涡旋结构研究

利用粒子图像测速技术(PIV)实现了基于涡量的剪切层和分离区位置的精确确定,同时对汇流区水平面内的涡旋结构进行系统观测和分析。研究发现:剪切层和分离区近水面和近底面水深平面的涡旋密度大,水深中部的涡旋密度小;支流流量增大的情况下涡旋密度均增大。槽底壁面湍流是近底面涡旋密度大的主要原因。剪切层由水流剪切产生的剪切涡以小旋转强度涡旋为主,分离区由水流分离产生的分离涡以中等及小旋转强度涡旋为主。     

滚筒内颗粒混合过程的实验研究

通过自行设计搭建的滚筒实验平台,以玻璃珠为颗粒材料,探究了不同尺寸颗粒的混合/分离过程,并测量不同操作参数下的滚筒功率消耗.实验结果表明:高填充比时颗粒分离现象更明显,呈现典型的小颗粒被大颗粒包围的现象.在低填充比时,对于尺寸接近的颗粒不同转速下的颗粒分离现象不明显.颗粒粒径差距越大,颗粒分离现象越明显.随着滚筒转速和填充比的逐渐增大,功率消耗逐渐增大,而相比之下功率消耗对粒径比的敏感性比较低.     

高压对砂性颗粒材料破碎力学性能影响分析

砂土小应变条件下动力特性的细观分析是解决工程微振动实践问题的重要依据。越来越多的大型基础设施的建设导致高压条件下,砂土的动力特性会因为颗粒材料状态的变化而发生改变。本文通过Ottawa砂,福建砂,粉煤灰三种不同颗粒材料在高压条件下应力应变、剪切波速、压缩波速以及K0等土力学参数的演化过程对砂性颗粒的动力特性进行研究。研究结果表明,三种砂性颗粒在7MPa左右压力下会产生破碎;颗粒的剪切波速和压缩波速会随着压力的增加而增加。K0在加载过程中增量较小,但是在卸载时会随着压力的减小而大幅增加;同时验证了弯曲压缩元可以在高压条件下可以正常工作。     

定常与脉冲涡旋射流下矩形扩压器流动分离控制研究

为了研究涡旋射流控制流动分离的物理机理,基于大涡模拟方法对涡旋射流控制下的矩形扩压器流场和射流流向涡结构的生成、发展等动力学演化过程进行了数值研究.结果表明:射流产生的流向涡将主流高动量气流带入分离区,增加了边界层内气流流动方向的动量,使流动分离得到了抑制.射流流场的涡结构主要由射流剪切层涡、马蹄涡、尾涡组成,由于速度梯度大小的变化,使得射流剪切层涡系的结构随着时间推移从涡卷演化为涡环.对于脉冲射流,在低频脉冲下,射流产生的流向涡呈涡卷结构,流动控制效果明显.在高频脉冲下,射流剪切层涡演变成间歇涡环结构,流动控制效果减弱.通过对比脉冲频率和占空比对流动控制的影响发现,占空比为0.5、频率为20Hz的脉冲射流具有较好的流动控制效果.     

稠密气固分选流化床介质颗粒团聚特性研究

为掌握介质颗粒的团聚特性,给形成均匀稳定的流化床层提供指导,分析了不同水分含量下0～300μm介质颗粒流化后的表观黏度,并研究了煤炭外水含量、介质粒度对颗粒团聚特性的影响。结果表明,水分含量越高、颗粒粒度越细,颗粒表观黏度越大;随着剪切速率的增加,颗粒表观黏度逐渐下降。随着水分含量升高,各粒级颗粒团聚过程相似,粒级0～74μm、74～150μm、150～300μm颗粒形成稳定聚团所需水分含量分别为0.75%、1.0%、1.25%,即粒度越细所需水分含量越低。水分含量越高,聚团尺寸越大;粒度越小,聚团的尺寸分布跨度越宽。随着水分含量升高,煤粉混合后的二元加重质颗粒聚团尺寸在水分含量1.75%时明显增大,聚团尺寸分布跨度窄,表明二元加重质颗粒聚团对水分变化敏感度较低。     

金属陶瓷中颗粒的溶解──析出生长机制动力学

推导出金属陶瓷中颗粒的溶解－析出生长机制动力学公式．由小颗粒的溶解动力学及大颗粒的生长动力学两个函数式描述金属陶瓷烧结过程中与动力学过程有关的诸因素，包括：元素的扩散系数、颗粒间的浓度梯度、有效扩散面积、颗粒的平均尺寸及颗粒数．动力学公式表明：小颗粒的溶解及大颗粒的长大数率同扩散系数、浓度梯度及有效扩散面积成正比；同颗粒的平均尺寸及颗粒数成反比     

粒径呈幂律分布的颗粒气体中的颗粒分离行为特性

采用分子动力学方法模拟了受到边界振动的粒径呈幂律分布的颗粒气体中的颗粒分离行为特性.研究发现当系统受到振动时,模拟区域出现温度梯度,系统出现颗粒分离现象,所有的颗粒都会朝着温度低的区域移动,且大颗粒比小颗粒更趋向于聚集在低温区域;系统大颗粒和小颗粒间的粒径差越大,系统的颗粒分离行为越显著.同时,系统的子区域中的局域粒径分布函数仍然为幂律分布.     

金属陶瓷中的颗粒的溶解—析出生长机制动力学

推导出金属陶瓷中颗粒的溶解－析出生长机制动力学公式，由小颗粒的溶解动力学及大颗粒的生长动力两个函式描述金属陶瓷烧结过程中与动力学过程有关的诸因素，包括，元素的扩散系数，颗粒间的浓度梯度，有效扩散面积，颗粒的平均尺寸及颗粒数，动力学公式表明，小颗粒的溶解及大颗粒的长大数率同扩散系数，浓度梯度及有效扩面积成正比，同颗粒的平均尺寸及颗粒数成反比。     

岩石结构对碎屑岩储层弹性参数影响的数值研究

结合岩石颗粒粒径分布,通过过程模拟法构建3维数字岩心,利用有限元方法研究了岩石颗粒尺寸比、颗粒大小以及颗粒分选性对岩石弹性特性的影响.结果表明岩石颗粒的大小、分选性均会对岩石的物性以及孔隙结构产生影响,引起岩石弹性模量和纵横波速度的变化.颗粒尺寸比对岩石弹性的影响是非线性的,随着大颗粒含量的增大,岩石体积模量先增大至最大值,然后再减小至趋于不变,随着颗粒尺寸比的变大,大颗粒含量对岩石弹性模量的影响增强.粒径对饱和水岩石弹性的影响弱于对干岩石的,并且粒径越小,岩石体积模量对孔隙流体的变化越敏感.随颗粒分选性变差,岩石体积模量和剪切模量及纵横波速度变大.     

料仓中湿颗粒流动规律的数值仿真与试验研究

通过引入液桥力模型,结合离散颗粒法(DEM),数值模拟了料仓中湿颗粒的流动,研究了液桥力对料仓内颗粒质量流率的影响.结果表明:对于干颗粒,满足不结拱的料仓开口度尺寸至少为颗粒直径的3倍,而湿颗粒则要求料仓开口度至少为颗粒直径的4倍;干颗粒由漏斗流向整体流转换的角度在45°左右,而湿颗粒的转换角度为40°左右.研究还发现液桥力对于小粒径颗粒的影响明显大于大粒径颗粒.在相同含水量的情况下,小颗粒更容易出现团聚,而不易分离.     

增强体颗粒尺寸对SiC_p/2124Al复合材料变形行为的影响

利用常规静态单向拉伸技术,研究了SiC颗粒尺寸对用粉末冶金工艺制得的SiC颗粒增强2124Al合金(SiCp/2124Al)变形行为和力学性能的影响.在体积比为20%的条件下,SiC颗粒尺寸在0.2～48μm的范围内变化,无论室温还是300℃,材料的变形行为和拉伸力学性能明显取决于SiC颗粒尺寸.研究表明,材料中的空隙密度、SiC颗粒的间距、分布状态以及SiC颗粒的断裂、SiC颗粒/Al界面的脱粘和基体材料的开裂等几种因素共同影响着复合材料的变形行为和力学性能.     

增强体颗粒尺寸对SiCp/2124Al复合材料变形行为的影响

利用常规静态单向拉伸技术,研究了ＳｉＣ颗粒尺寸对用粉末冶金工艺制得的ＳｉＣ颗粒增强２１２４Ａｌ合金（ＳｉＣｐ／２１２４Ａｌ）变形行为和力学性能的影响。在体积比为２０％的条件下,ＳｉＣ颗粒尺寸在０．２～４８μｍ的范围内变化,无论室温还是３００℃,材料的变形行为和拉伸力学性能明显取决于ＳｉＣ颗粒尺寸。研究表明,材料中的空隙密度、ＳｉＣ颗粒的间距、分布状态以及ＳｉＣ颗粒的断裂、ＳｉＣ颗粒／Ａｌ界面的脱粘     

直剪条件下钙质砂强度及颗粒破碎

钙质砂的主要成分是碳酸钙,由于其特殊成因,钙质砂具有孔隙特征。为了深入研究粒径、含水率及剪切速率对钙质砂强度及颗粒破碎特性的影响,在不同粒径、含水率和剪切速率等因素下对钙质砂进行直剪试验。试验结果表明：(1)钙质砂的抗剪强度和内摩擦角与粒径之间存在正相关的关系,小粒径(<1.0 mm)情况下,粒径和竖向压力不再是影响颗粒破碎的主要因素,大粒径(>1.0 mm)情况下,颗粒破碎程度出现剧增现象,粒间咬合和约束的存在是此现象的主要原因。(2)粒间水膜和颗粒损伤的存在,导致钙质砂的内摩擦角随着含水率的升高逐渐减小,含水率和内摩擦角之间呈指数函数关系。相对破碎随着含水率的升高先减小后增大。(3)颗粒在剪切过程中存在翻滚现象,但过大的剪切速率会使得颗粒直接从中间位置剪切,钙质砂的内摩擦角随着剪切速率的增大呈现先减小再增大的现象,相对破碎则是随着剪切速率的增大呈现先减小后增大的趋势。     

金纳米颗粒烧结的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了不同尺寸Au纳米颗粒在烧结过程中晶型转变及烧结颈长大机制.研究发现纳米颗粒的烧结颈生长主要分为两个阶段:初始烧结颈的快速形成阶段和烧结颈的稳定长大阶段.不同尺寸纳米颗粒烧结过程中烧结颈长大的主要机制不同:当颗粒尺寸为4 nm时,原子迁移主要受晶界(或位错)滑移、表面扩散和黏性流动控制;当尺寸在6nm左右时,原子迁移主要受晶界扩散、表面扩散和黏性流动控制;当颗粒尺寸为9 nm时,原子迁移主要受晶界扩散和表面扩散控制.烧结过程中Au颗粒的fcc结构会向无定形结构转变.此外,小尺寸的纳米颗粒在烧结过程中由于位错或晶界滑移、原子的黏性流动等因素会形成hcp结构.     

微波照射下岩石损伤细观模拟分析

为了研究微波照射下岩石内部的损伤过程,以岩石颗粒为研究对象,岩石颗粒由吸波的黄铁矿和透波的方解石所组成,大小为1 mm×1 mm,采用有限差分法对微波照射下岩石颗粒的屈服分布及演化进行计算分析,计算考虑了微波照射时间和黄铁矿晶体大小的影响。研究结果表明:在微波照射下,岩石颗粒既有拉伸屈服也有剪切屈服,在照射过程中,岩石颗粒的屈服面积不超过总面积的5%,但随着照射时间的增长,可在岩石颗粒内部形成贯通的发散状屈服带,这将大幅的降低岩石颗粒的强度;在相同条件下,黄铁矿晶体的大小决定了岩石颗粒的屈服类型,晶体小以剪切屈服为主,晶体大的以拉伸屈服为主,晶体大的颗粒更易形成贯通的沿晶屈服带。     

中央扩散式喷嘴颗粒分布特性的冷模实验

针对闪速冶炼过程出现的反应慢和大滞后等问题,建立中央扩散式精矿喷嘴冷模实验装置,研究喷嘴出口附近区域颗粒分布均匀性随工艺风和分散风流量的变化规律.结果表明:反应塔内颗粒分布均匀性可调,分散风使颗粒沿水平方向分散,工艺风使颗粒聚集于反应塔喷嘴正下方区域;分散风和工艺风动量比决定塔内颗粒分布均匀性,动量比越小颗粒越聚集于反应塔喷嘴正下方区域;动量比可将实验范围内各工况颗粒分布均匀性特征指标——颗粒质量偏析函数拟合为指数函数;在颗粒适度分散前提下,喷嘴分散风流量增加倍数和投料速度增加倍数、工艺风流量增加倍数相同.     

冲击波诱导形成颗粒射流的实验研究

颗粒材料在冲击波的作用下会形成射流状的结构.基于准二维的实验平台,观察了颗粒环在中心径向冲击载荷的作用下,内部射流的形成过程.发现射流是由颗粒环内表面产生然后发展到颗粒环外表面形成外部射流.当加载压力变化时,射流的形态、尺寸和分布也会发生变化,而早期内部射流的数量基本不变,随着加载压力增大,后期的内部射流数量逐渐降低.其原因是加载压力越大,射流分布越不均匀,在颗粒环运动的过程中,尺寸较大的射流会与周围的小射流合并,从而使射流数目大大减少.