竖直激励下颗粒流层隆起机制的研究

概述了颗粒物质在受到竖直激励时出现颗粒对流层表面隆起的现象,介绍了两个典型的模型并探讨其形成机制,分析其理论的成功和不足,并给出一些建议.     

撞击物在二维颗粒床中穿行的运动过程

用高速摄像和加速度传感器观测方法研究物体在重力加速度作用下撞击二维颗粒床并在其中穿行的运动过程。由高速摄像可以清楚地观察到床颗粒受撞击后的位移分布情形,揭示了颗粒床被流化的区域及程度和可能产生喷流的物理机制。流化区域仅限于撞击物路径附近,反应了颗粒介质的强耗散特性。通过加速度传感器直接测量撞击物在运动过程中所受阻力,与在液体中穿行阻力进行了比较。相关的实验数据反映了在这样的二维体系中,撞击物受到不可忽略的与速度相关的阻力作用。     

竖直管中颗粒流的密度波

介绍了竖直管中颗粒流密度波方面的研究,对几个实验结果作了分析和讨论,并给出一些建议。     

颗粒物质在竖直振动U形管中迁移的离散元方法模拟

采用离散元方法对颗粒物质在竖直振动U形管中的迁移进行三维数值模拟。将数值模拟结果和实验进行对比,两者吻合良好。在此基础上,考察了摩擦对颗粒动力学行为的影响。结果表明,存在摩擦时,颗粒将发生迁移运动,使得U形管两分支内颗粒柱产生高度差,该过程伴随着颗粒对流现象;当颗粒与管壁间摩擦系数为0时,颗粒柱高度差在0附近波动,两分支内存在相似的颗粒对流;当颗粒与颗粒间摩擦系数为0时,颗粒柱高度差几乎保持为0,颗粒对流消失。研究还发现,存在摩擦时,U形管两分支内颗粒的竖直方向平均速度差异很大;当颗粒与管壁间或颗粒与颗粒间摩擦系数为0时,U形管两分支内颗粒的竖直方向平均速度存在一定的一致性。     

平动旋转圆盘内颗粒物质分离现象

采用实验和数值模拟方法研究了单层二元混合颗粒在水平振动条件下的颗粒分离现象.结果表明填充密度对二元颗粒分离有着重要影响.随着填充密度的增加,颗粒团会逐步出现反转和颗粒分离现象.这一研究为揭示颗粒物分离的巴两果效应提供了简单的典型模式.     

探测杆在颗粒物质中的穿行阻力

针对颗粒物质的结构特点，在满足可重复性的前提下，提出了一种新的制备方案；探测杆的具体横截面形状对下行阻力的具体形式没有太大的影响，但对阻力的大小有影响，存在形状因子；在其它条件相同的情况下，探测杆的下行阻力与颗粒直径的平方成反比。     

颗粒尺寸对通道内颗粒静止角的影响

通过实验研究颗粒在通道中的崩塌现象，考察固定通道宽度条件下，颗粒直径大小对通道内所堆积颗粒的静止角θr的影响．研究发现静止角θr随颗粒直径d的倒数λ=1／d的增大呈指数衰减趋势．本实验对5种不同直径的颗粒其抬高斜面倾角θ的过程中静止角θr的涨落进行研究，发现静止角θr的涨落随颗粒直径的增大而增大．     

二维静态颗粒体系中转向系数与体积分数的实验研究

通过实验研究了二维静态颗粒体系中转向系数与体积分数的关系。实验结果表明,当对颗粒施加持续稳定的荷载时,颗粒体积分数增加,转向系数K呈现出先减小后趋向饱和的特性,同时随着颗粒堆积角度的增大,转向系数K呈现出先增大后趋向饱和的特性。最后从理论上讨论了转向系数与堆积角度的关系,给出了符合实验结果的参数关系式。     

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。     

颗粒在粗糙平面上运动的研究

为了了解颗粒物质的力学机制,人们建立了许多模型。作者采用一维的stochastic模型来分析一个颗粒在一个粗糙倾斜平面上的运动,改进前人所做的工作,考虑了摩擦存在时的情况,并给出一些讨论。     

Microscopic study on stress-strain relation of granular materials

A biaxial shearing test on granular materials is numerically simulated by distinct element method （DEM）. The evolution of the microstructures of granular materials during isotropic compression and shearing is investigated, on which a yield function is derived. The new yield function has a similar form as the one used in the modified Cam-clay model and explains the yield characteristics of granular materials under the isotropic compression and shear process through the change of the contact distribution N（θ） defining the contacts at particle contact angle θ.     

颗粒材料修正的微形态连续体模型研究

基于细观力学给出了1个颗粒材料的修正的微形态连续体模型。在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且对颗粒间的相对运动进行分解,认为颗粒的细观真实运动(包括平动和转动)是由细观平均运动与1个表征相对于平均运动的波动组成。对微曲率进行对称修正,推导得到了与对称应变张量共轭的对称柯西应力张量,与对称微曲率张量共轭的对称偶应力张量,以及与非对称相对应变张量(微曲率张量)共轭的非对称相对应力张量(偶应力张量)。基于运动分解与对称修正,最终得到了1个颗粒材料的1阶微形态宏观本构关系。宏观本构关系包括应力-应变关系,偶应力-微曲率关系,以及相对应力(偶应力)-相对应变(微曲率)关系。宏观本构模量通过表征细观信息的接触刚度、内部长度参数等识别。     

基于粒集的概念粒系统

在作者提出的粒计算新模型──粒集理论的基础上,提出了粒系统、概念粒系统和粒概念等概念,并对它们分别进行了描述,其中粒系统的描述是五元组形式,即(U,D,L,H,J).当约束J的形式为一种特殊形式,即为概念中内涵与外延间反变关系的数学描述时,(U,D,L,H,J)就是概念粒系统.由此给出了概念粒系统的一些基本数学性质,证明了全体粒概念构成一个完备格──粒概念格,同时初步探讨了形式背景与概念粒系统之间的关系,从而进一步扩充了粒集理论的内容,完善了粒集理论.     

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。     

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.     

粒状物料栓状脉冲气力输送性能的优化

利用栓状脉冲气力输送试验台(管径38mm,全长60m,高度10m),应用正交试验法对粒状物料进行输送试验(涤纶粒子:平均粒径2.9mm,密度为1200kg/m~3,松装密度为885kg/m~3)。试验条件:气刀压力P_n为160—200kPa,气刀压力与发送罐压力差△P为10—30kPa,脉冲周期τ为1—3秒,料时与气时比t_s/t_g为0.5—1.5。对输送能力Q,负荷比m,功耗指数K进行直观分析和方差分析,发现影响Q的主要因素是τ,其次是t_s/t_g;影响m的主要因素是t_s/t_g,其次是△P;各个因素对K都有较大影响,其显著程度的顺序依次是t_s/t_g、P_n、△P、τ。由此可以得到较为理想的可供实用的两套操作参数。     

浅圆仓散料侧压力计算方法研究

大直径浅圆仓贮料顶面一般为锥面,这种情况下的侧压力计算和上部贮料产生的超压问题非常重要．针对这一问题提出2种计算方法．其中一种是将极限平衡思想直接应用于浅圆仓,得到适合于浅圆仓本身的散料侧压力计算方法;另一种是考虑直线挡墙和浅圆仓情况下,两种散料滑动楔体的形状差别,用二者的体积比来修正Coulomb公式,从而得到适合于浅圆仓散料侧压力的近似计算方法．依据仓内散料顶面的堆放方式及其破裂面可能方位等因素,考虑两种工况．每种工况选择适合于自身的一种较简单的计算方法．经实仓试验验证了方法的实用性．     

单层水平振动颗粒系统中颗粒分离的研究

为了研究单层水平振动颗粒系统中的颗粒分离现象,将一种基于平均场理论的统计力学方法运用到格点化的单层水平振动颗粒体系中.考虑由2种不同大小颗粒组成的体系,给出了体系的哈密顿量和配分函数.计算出了颗粒的分布趋势,计算结果在一定程度上解释了单层水平振动颗粒体系中不同大小颗粒的分离现象.     

粒集理论:粒计算的新模型

在已有的有关粒计算研究成果的基础上,表述了信息的粒化、层次化和动态性原理,并综合了粒的表示形 式后,提出了粒集的概念,确认了粒的二元组的表示形式#同时借用统一集的形式对粒集进行了描述,分析了统一 集与粒集的异同,给出了与粒集相关的一些概念,讨论了用粒集形式来表达其他各种各样的集合,诸如经典集合、 模糊集合、可拓集合、Vague集合、粗糙集合等后,又讨论并表示了粒运算和粒集运算,最后给出了粒集理论的初步 应用框架。粒集理论为粒计算提供很好的理论基础，从而使粒计算确立自己独立的研究领域。     

非规则颗粒与滚筒球磨机相互作用的离散元–有限元耦合分析

非规则颗粒形态显著影响球磨机中颗粒材料的运动行为，同时对球磨机结构产生不同的力学响应。采用超二次曲面方程描述非规则颗粒材料，并发展了离散元（discrete element method,DEM）–有限元（finite element method, FEM）耦合算法以分析非规则颗粒材料与滚筒球磨机间的相互作用。在该算法中，滚筒球磨机被划分为一系列四边形单元，并且超二次曲面颗粒与球磨机间的接触判断可转化为超二次曲面颗粒与四边形单元间的接触判断。将计算得到的碰撞力向节点插值，该节点力作为载荷条件在有限元中进行隐式动力学求解，并通过求解颗粒运动方程和有限元动力方程实现颗粒运动更新和结构力学响应分析。进一步分析了滚筒球磨机中球体、圆柱体和立方体颗粒材料的运动行为以及滚筒球磨机的变形及应力分布规律。研究结果表明：颗粒形状显著影响球磨机研磨效果和球磨机结构位移；立方体颗粒具有最好的研磨效果，而圆柱体颗粒比球体颗粒具有更好的研磨效果；在结构位移上，立方体颗粒有最大的峰值位移，其次是圆柱体和球体颗粒；相比于规则的球体颗粒，超二次曲面颗粒有不规则的表面形状，这会导致更好的研磨效果和更大的结构位移。