基于计算流体力学-离散单元法的U形管冲蚀磨损数值模拟研究

采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)和切向撞击能模型(SIEM)来研究气固两相流中高速煤粉颗粒冲击导致的U形弯管冲蚀磨损问题。分析了颗粒粒径、气体流速、固体颗粒形状对其冲蚀磨损特性的影响,并验证粗粒化模型应用于此磨损过程的准确性。结果表明,U形弯头的冲蚀磨损位置主要有3处;磨损率随粒径的增大呈现整体减小的趋势;U形管拱背磨损率随气速的增加而增大,且前2处磨损率峰值位置随气速的增加向入口方向偏移;长椭球对U形管造成的磨损最严重,扁椭球次之,球形最轻;粗粒化CFD-DEM能够基本准确预测U形管冲蚀磨损,且显著降低计算时间。

应用离散单元法对二维流化床内流态进行数值模拟研究

采用基于颗粒轨道模型的欧拉 拉格朗日数值模拟方法 ,将广泛应用于岩土力学中的离散单元法DEM(DistinctElementMethod)引入流体力学中以计算颗粒与颗粒之间的作用力 ,同时考虑颗粒与流体间的相互作用(双向耦合 ) ,对二维流化床进行数值模拟 ,结果与实验观察到的现象基本一致 。

基于连续－离散单元法的汶川地震动力学二维自发破裂全周期模拟研究

首先利用地震地质调查、地震剖面探测结果对汶川地震的发震断层几何形态及周边块体介质参数进行约束,建立了3个包含有不同主断层的龙门山断裂带二维黏弹性有限元模型;然后基于连续-离散单元法对汶川地震的孕育与发生进行了全周期模拟,包括震间应力积累阶段、同震应力释放阶段及震后恢复调整阶段。模型对比研究结果表明,龙门山断裂带中由于断层几何结构及断层面剪切应力与正应力的综合作用,使得最先达到断层破裂准则阈值的灌县-江油断层率先破裂,初始破裂在深度15~20km处,破裂进一步传导至映秀-北川断层;同时由于灌县-江油断层与映秀-北川断层的破裂导致系统内应力大幅度降低,使得灌县-江油断层不具备产生同震破裂的应力条件。然而,尽管汶川-茂汶断层上的应力水平与汶川地震前相比有所减弱,但仍积累了较高的震间应力,可能预示其在汶川地震后具有较高的地震危险性。模拟结果还表明,铲型逆冲断层系统的深部断层破裂能够推动浅部高倾角区域发生被动破裂,因而其发震断层的倾角上限很可能比传统认识的大。

基于SPH-DEM流-固耦合算法的滑坡涌浪模拟

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法和离散单元法(DEM),并基于达西渗透试验原理,提出一种SPH-DEM耦合算法用于处理宏观尺度下离散体与流体之间的相互作用问题,并基于该流-固耦合方法采用FORTRAN语言建立滑坡涌浪数学模型。模拟了块体滑坡问题,并与试验数据进行对比以验证该耦合方法的有效性。模拟分析了离散体滑坡产生涌浪以及涌浪传播的过程,分析比较了数值模拟得到的最大涌浪高度与经验公式结果间的关系。研究表明:采用该耦合方法模拟水下块体滑坡问题得到的结果与试验数据吻合良好;模拟离散体滑坡涌浪问题时,较清晰地反映了滑坡体对水的排挤到涌浪的产生过程、水在滑坡体中的渗透过程和滑坡体与水耦合作用发生变形的过程;不同公式分析方法得到的最大涌浪高度之间均有一定差别,算例中滑坡体受重力作用沿倾斜坡面滑动入水过程更接近于潘家铮法的垂直运动模式,因此,模拟结果与之最为接近。

基于移动单元法的高速铁路轨道不平顺特性研究

轨道不平顺不仅是引起列车和轨道振动的主要激扰,也是影响列车安全平稳运行的重要因素。为分析中国高速铁路轨道不平顺谱的特性及其对列车运行的影响,采用移动单元法建立考虑离散支撑的无砟轨道-车辆耦合模型,将逆傅里叶变换得到的中国轨道不平顺谱时域样本作为轮轨激励输入,通过编程数值计算分别研究列车速度、不平顺幅值和波长对轨道-列车系统动力响应的影响。研究表明:基于移动单元法建立的无砟轨道-车辆耦合模型的计算结果与有限元模拟结果吻合良好,移动单元模型准确可靠;轨道高低不平顺的幅值和波长特性均对系统的竖向动力响应有着显著影响,随着幅值增大和较短波长成分增加,轨道位移和轮轨接触力明显增大,其中2 m左右的不平顺波会对轮轨动力特性产生显著影响;此外,较高的车速会加剧系统的竖向动力响应。

基于LBM-FE-SEA方法汽车风窗噪声数值模拟研究

为研究某车型风窗噪声,根据格子波尔兹曼(Lattice Boltzmann,LBM)方法获得高速行驶工况下车身表面各监测点处的1/3倍频程声压级及平均输入激励。采用混合有限元-统计能量分析(Finite Element-Statistical Energy Analysis,FE-SEA)方法对该车型车内噪声进行输入激励下的数值模拟,得到驾驶员耳旁声压级结果,并与实车道路试验比较,验证了该方法的可靠性。仿真结果表明,在20 Hz~125 Hz范围内,混合FE-SEA方法精度高于统计能量分析(Statistical Energy Analysis,SEA)方法;在125 Hz~400 Hz中频范围内,根据混合FE-SEA方法所得结果与道路试验结果更为吻合,与试验结果的误差最大值不超过3 dB;在400 Hz~1000 Hz范围内,SEA方法的精度逐渐提升,其计算结果与试验值吻合度升高。据此进行的车身部件贡献量分析表明左前侧窗在整个频段内都对驾驶员耳旁噪声有影响,左后侧窗对其贡献量最小。

压-剪复合应力下非球形颗粒材料空心圆柱剪切试验的离散元模拟

采用离散元模拟平台PFC3D构建空心圆柱型数值试样,分析了压-剪复合应力条件下非球形颗粒材料数值试样的宏细观力学响应,重点探讨了颗粒形状和围压对数值试样初始变形模量、抗剪强度、剪切带倾角和组构各向异性演化的影响。结果表明:在保持大主应力方向角α=30°不变的单调剪切条件下,数值试样的初始变形模量能够反映实际砂土的压硬性规律,也即初始变形模量随着围压的增大而增大。数值试样的峰值内摩擦角随着颗粒长短轴比Se的增大而增大,且随着围压的增大而减小。数值试样的剪切带倾角在16°~25°范围内,且随着Se的增大,剪切带倾角越大。无论接触法向初始各向异性分布如何,随着剪切荷载的施加,接触法向各向异性的主方向均逐渐接近大主应力方向,也即试样发现明显的应力诱发各向异性,且在低围压下这一规律更为显著。

基于DEM-MFBD-CFD方法的冰雪飞溅击打应答器力学研究

严寒地区冰雪飞溅问题对高速铁路运营安全性有直接影响,现场调研发现多处冰块脱落击打应答器的现象,而国内外对此研究尚未见文献报道。采用基于离散元-多柔性体动力学-计算流体力学(discrete element method-multi flexible body dynamics-computational fluid dynamics, DEM-MFBD-CFD)耦合分析法,建立车厢底板结冰脱落击打应答器模型,并借助风洞和现场试验结果,验证了模型的可靠性;基于建立的分析模型研究不同列车速度、风压变化、冰块质量等因素对应答器击打的受力影响。结果表明:应答器受到的最大应力随列车运行速度呈现幂函数增长关系,当行车速度增大到350 km/h时,最大应力达15.591 MPa,约为150 km/h时的3.5倍;且随冰块质量增加应答器最大应力呈现先迅速增加后缓慢增长趋势;当横风风速为5~20 m/s作用时,应答器表面所受到的最大应力相差不大,表明横风对冰雪击打应答器作用可忽略不计;为减小冰雪飞溅击打应答器危害,可采取除融雪手段、列车降速等措施。

考虑砾石颗粒形状及含量影响的砂-砾石混合物离散元模拟直剪试验

砂-砾石混合物是一种典型具有复杂结构的二元混合材料,砾石的性质对混合填料的力学性能具有显著的影响。通过开展一系列砂-砾石混合物的离散元数值模拟研究,探讨了砾石颗粒形状以及砾石的含量对砂-砾石混合物宏细观力学特性的影响,以及砾石颗粒形状和砾石含量对砂-砾石混合物力学特性产生影响的微观机理。宏观模拟结果表明,砾石含量与砾石颗粒形状都对砂-砾石混合物的宏观力学性质有显著影响,具体而言当砾石含量低于40%时,砾石含量对混合材料强度影响较小,而当砾石含量大于等于40%时,混合材料强度的强度随砾石含量的增加而显著提高。同时,研究发现当砾石含量较高时,砾石颗粒长宽比对混合材料的强度影响更加显著。混合物的体变则随着砾石含量以及砾石颗粒长宽比的增加而增加。细观分析从力链结构、配位数、各向异性以及颗粒转动的角度分析了砾石颗粒形状与砾石含量的微观影响机理。研究表明,当砾石含量较低时,混合体内的力链主要以砂颗粒组成,而当砾石含量超过40%以后,剪切过程中力主要在砾石颗粒之间传递,并且高砾石含量试样中砾石颗粒长宽比较大时,砾石颗粒间的咬合力更大,使得颗粒的错动、翻转更加困难,从而使得混合物试样强度和体应变显著提高。

基于CFD-DEM的流态化速冻影响因素研究

利用Fluent多孔介质理论建立了速冻流化床等效流域模型;以表观气速、入口温度、脉动频率为试验因素,根据CFD-DEM数值模拟方法对典型颗粒形状物料的流态化和冻结进行单因素试验分析,探究了各试验因素对物料冻结的影响规律;基于单因素试验结果,以平均降温速率为评价指标,进行三因素、四水平的正交试验,试验结果表明,在进风量一定的情况下,影响程度由强到弱依次为入口温度、脉动频率、表观气速。以期分析结果对脉冲气流式速冻工程实践具有一定的参考作用。

气固两相流介尺度LBM-DEM模型

LBM-DEM耦合方法通常是指一种颗粒流体系统直接数值模拟算法,即是一种不引入经验曳力模型的计算方法,颗粒尺寸通常比计算网格的长度大一个量级,颗粒的受力通过表面的粘性力与压力积分获得,其优点是能描述每个颗粒周围的详细流场,产生详细的颗粒-流体相互作用的动力学信息,可以探索颗粒流体界面的流动、传递和反应的详细信息及两相相互作用的本构关系,但其缺点是计算量巨大,无法应用于真实流化床过程模拟。本文针对气固流化床中的流体以及固体颗粒间的多相流体力学行为,建立了一种稠密气固两相流的介尺度LBMDEM模型,即LBM-DEM耦合的离散颗粒模型,实现在颗粒尺度上流化床的快速离散模拟。该耦合模型采用格子玻尔兹曼方法(LBM)描述气相的流动和传递行为,离散单元法(DEM)用于描述颗粒相的运动,并利用能量最小多尺度(EMMS)曳力解决气固耦合不成熟问题,以提高其模拟精度。通过经典快速流态化的模拟,验证了介尺度LBM-DEM耦合模型的有效性。模拟结果表明介尺度LBM-DEM模型是一种探索实验室规模气固系统的有力手段。

丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型

针对丘陵-平原-湿地复合地区降雨径流数值模型较少、而已构建的模型对水文要素空间分布和湿地区水流运动又反映不足,采用格子玻尔兹曼法和有限元法构建丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型。在模型构建过程中将复合区分为地势起伏较大的上游丘陵区和下游地势变化较小的平原湿地区。上游丘陵区降雨采用距离平方倒数法计算降雨空间分布、采用格子玻尔兹曼法建立非饱和区土壤水运动模型、利用达西公式建立饱和区水流运动模型、利用格子玻尔兹曼法构建汇流数值模型,进而构建了上游区的降雨径流数值模型。平原湿地区采用基于有限元四边形单元构建了水流运动数值模型。平原湿地区入口边界采用上游区降雨径流数值输出的流量过程,平原湿地区出口边界采用基于格子玻尔兹曼法的汇流模型计算的水位过程。四边形单元有限元求解水流运动方程实现了上、下游区的无缝连接,模型使用比较方便。以挠力河流域为研究对象进行了降雨径流和平坦区水流运动模拟研究,模拟结果良好,说明模型较为可靠。

沥青混合料单轴压缩试验的离散元仿真

为突破常规数值方法基于连续性的理想假设,进行了沥青混合料单轴压缩试验的离散元模拟,给出了与实际试验相符的本构行为,并针对模型细观参数对沥青混合料本构行为的影响进行了研究.结果表明:在其它参数不变的情况下,随接触刚度的增加,试件的峰值强度增加,出现峰值强度时对应的应变降低;随摩擦系数的增加,试件的峰值强度增加;随接触粘结强度的增加,试件峰值强度增加,峰值强度对应的轴应变也增加;随平行粘结半径的增加,试件峰值强度增加,且峰值后应力-应变曲线的软化现象更趋于明显.

高速铁路碎石道砟振动的离散元模拟

道砟振动对其磨损、破碎和道床累积变形有显著影响,为揭示高速车辆移动荷载作用下道砟动态响应特性,建立有砟道床离散元模型,开展车辆-轨道耦合动力学计算得到离散元模型输入荷载,模拟分析高速车辆以不同速度通过时有砟道床的振动响应,并与车辆-轨道耦合动力学计算结果进行对比分析。结果表明,轨枕、道砟和道床块振动位移波形相似,位移幅值沿道床深度方向减小,道床块振动位移与轨枕底面以下0.3m处道砟的振动位移相当;轨枕、道床块振动速度与加速度随行车速度提高而增大;受道砟颗粒间复杂相互作用的影响,道砟振动加速度会出现突变。道床离散元模型能合理反映道砟颗粒的振动响应特性,道床块模型体现了道床层在有砟轨道结构中的动力传递与减振特性,两种道床模型的计算结果具有一定的相似性。

冻结砂土力学性质的离散元模拟

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用接触黏结模型中来考虑冻土中冰的胶结作用,建立了冻结砂土的颗粒流模型。通过改变计算模型中颗粒单元的参数,模拟了在不同冻结温度以及不同围压下冻结砂土的宏观力学性质,并与冻结砂土的室内试验结果进行了比较,结果表明:颗粒流方法可以较好地模拟冻结砂土的应力-应变关系以及剪切带的发展变化过程,颗粒流细观参数对温度具有显著的依赖性。研究结果对离散单元法在特殊土中的应用具有一定的理论和应用价值。

LBM-DEM四向耦合喷动床内介尺度模拟与分析

研究喷动床内颗粒的流动特性对于喷动床的设计和优化具有重要意义。基于气固两相流流动的LBMDEM四向耦合模型,对单孔射流喷动床中颗粒的流动进行数值模拟。其中,气相采用修正的格子玻尔兹曼方法,颗粒相采用离散单元法,流固之间受力的双向耦合基于牛顿第三定律,颗粒与颗粒及颗粒与壁面的受力双向耦合采用软球模型。模拟得到了流化过程、颗粒与气体的速度分布、床层膨胀高度变化以及床宽对流化过程的影响。结果表明,喷动床内存在强烈的内循环,床宽增加导致颗粒运动能力减弱,射流速度增加使颗粒运动更加剧烈,床层膨胀高度增加。

基于LBM-DEM的鼓泡床内气泡-颗粒动力学数值模拟

将修正后的格子Boltzmann方法 (LBM)与离散单元法(DEM)相结合,建立LBM-DEM四向耦合模型对单口射流鼓泡床中气泡运动进行模拟。其中,流体相采用格子Boltzmann方法中经典的D2Q9模型,颗粒相求解采用离散单元软球模型,颗粒曳力求解采用Gidaspow模型,流固耦合基于牛顿第三定律。应用Fortran语言编程对上述模型进行求解,模拟得到了鼓泡床内气泡演化过程,并与相关实验进行对比,有效验证了当前模型的准确性。同时,分析了床层内颗粒速度、颗粒体积分数以及能量分布。结果表明:颗粒时均速度分布不仅能体现颗粒运动强弱,也可以反映气泡运动过程;床内空隙率与颗粒体积分数分布在预测床层膨胀高度上具有高度的一致性;初始堆积效应使得床内颗粒势能始终大于颗粒动能;随颗粒密度增加,势能增大,动能逐渐减小。

复杂应力环境下单节理岩体渗流-应力耦合特性研究

实际工程岩体在三向不等压主应力作用下渗流-应力耦合特性是目前学术界和工程界尚不明确的一个关键点.首先通过合理的理论分析与公式推导,给出了可描述三向主应力作用下无充填节理内渗流-应力耦合特性的理论公式;利用室内岩石真三轴渗流-应力耦合试验,验证了上述理论公式的可行性;通过基于全局优化算法的非线性拟合软件,结合试验数据给出了可信度较高的渗流-应力耦合特性经验公式;采用三维块体离散元方法开展数值试验,探讨了节理法向刚度参数取值方法的差异性,在合理赋值情况下验证了渗流-应力耦合特性经验公式的合理性;基于室内真三轴应力-渗流耦合试验、非线性数据拟合与离散元数值试验的系统研究结果证明了理论分析的准确性.

基于LBM-DEM耦合模型的多孔射流喷动床内流动特性

研究喷动床内颗粒的流动特性对于喷动床的设计和优化具有重要意义。基于格子Boltzmann方法(LBM)-离散单元法(DEM)的数学模型,综合考虑固体运动对流场的影响,气相采用修正后的格子Boltzmann方程计算,颗粒-颗粒以及颗粒-壁面之间的碰撞采用离散单元法软球模型,颗粒所受气体曳力采用Gidaspow曳力模型,流固耦合基于牛顿第三定律,从介观角度深入剖析了多孔射流稠密气固流化床内流动机理。采用Fortran语言编程对上述模型进行求解,通过复现气泡在鼓泡床中的演化过程,有效验证了LBM-DEM耦合模型的准确性。研究了单喷口系统与多喷口系统在不同射流速度下的空隙率、颗粒拟温度、床层膨胀高度以及颗粒动能与势能等典型参数变化。结果表明:单喷口射流气速增加时,气体对颗粒的携带能力增强,喷泉区扩大,床内空隙率分布增大,速度脉动变大,颗粒拟温度升高,床层膨胀高度提高;而在多喷口系统中,相邻喷口间存在较强的横向扰动,在床层底部喷泉区出现明显射流合并,位于中心射流区域的颗粒获得较高动量,喷口数的增加使得床层膨胀高度提高27.50%,时均空隙率范围扩大,颗粒拟温度升高,且射流合并高度随喷口数量的增加而降低28.57%,颗粒势能增加66.07%,动能减少48.48%。以上分析结果表明基于修正格子Boltzmann方法与离散单元法相结合的耦合模型可以作为分析稠密气固两相流内在机理的有效工具。

基于DEM的直升机沙盲加速计算方法

直升机沙盲数值模拟是研究沙盲演化特性的重要手段,而沙盲由众多动力学特性复杂的沙粒构成,这导致沙盲数值模拟复杂且计算量庞大。基于离散单元法(DEM)和沙粒动力学方程,将沙粒映射至背景网格实现加速计算,并将背景网格分裂为多子区再次加速计算,构建背景网格映射-分裂加速计算模型,且耦合沙粒接触碰撞模型、沙粒-流场耦合模型、旋翼/地面气动干扰模型,提出基于DEM的直升机沙盲加速计算方法。通过与美国陆军EH-60L着陆-起飞沙盲测试结果对比表明:所提方法能准确捕捉着陆-起飞状态的直升机沙盲,且相比于沙盲直接模拟方法,所提方法计算量显著减小。直接模拟方法的计算量随沙粒数量抛物线增加,而所提方法计算量随沙粒数量线性增加。当沙粒数量大于1×10^(7)时,相比于仅背景网格映射模型加速方法,所提方法计算量减小70.29%。