基于计算流体力学与离散单元法并行计算的煤层气井大粒径岩屑运动规律初探

在计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合并行计算的基础上,对大粒径、非球体岩屑在煤层气井"扩径"井段的沉积及运移规律进行了数值模拟。利用FLUENT建立了井眼交汇处"扩径"井段计算模型。利用DEM软件建立大粒径岩屑颗粒的离散元模型。借助集群并行计算优势,首先通过与实验数据的对比证实该CFD-DEM耦合模型的计算精确性、可用性;随后,基于钻井现场岩屑颗粒的采样及对其粒径、形状统计,将岩屑颗粒简化为片状进行计算。对不同粒径岩屑在"扩径"井段的运移及沉积过程进行了模拟再现,量化了粒径对岩屑在该区域的运移能力的影响。研究发现,在通过"扩径"区域时绝大部分的岩屑颗粒将沉积,体现了"扩径"段对大颗粒岩屑的"收纳"作用;岩屑粒径对运移能力有关键影响,粒径岩屑的增加造成其运移能力的指数形式衰减;而钻井液排量的增加对提升携岩能力效果不够明显。分析结果对地下钻井工程具有实际参考意义。

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。

基于非解析计算流体力学和离散单元法的大颗粒在流场中的高效率运动模拟

为实现占据多个流体网格的大颗粒在流场中运动的仿真,基于计算流体力学和离散单元法耦合(computational fluid dy namics-discrete element mothod,CFD-DEM),提出了一种新的数值方法。使用黏结颗粒模型将大颗粒近似表示为多个小球形颗粒黏结而成,基于非解析CFD-DEM方法计算流体对每个小球颗粒的作用力,将所有小球颗粒运动参数的平均值用于描述整个黏结颗粒的运动状态。通过黏性流体中球形大颗粒的沉降运动模拟,比较仿真结果与相关实验数据,结果表明:该方法不仅能准确模拟球形大颗粒的沉降运动,而且与浸没边界法相比计算效率更高。与传统的解析CFD-DEM方法相比,此方法还可以方便且准确地模拟三维情况下非球形大颗粒在流场中的运动。

规整填料特征单元内混合过程的计算流体力学

针对M ellapak 350Y型规整填料特征单元内的流动及混合现象,利用计算流体力学的方法模拟了单元内的液相单相流流动,并结合脉冲示踪法研究其混合行为,考察了不同流速下特征单元的返混程度.同时建立了相应的实验装置,在室温下以甘油水溶液(质量分数为6500/)为测试液体,利用激光多普勒测速仪对不同流速下,规整填料中特征单元内的液相流场进行了测量并与模拟结果进行了对比.计算与实验结果的速度分布趋势及其数值大小基本一致.

基于流体动力学-离散单元耦合算法的海底滑坡动力学分析

采用计算流体动力学(CFD)和离散单元法(DEM)建立描述水与颗粒相互作用的耦合算法,用以分析海底滑坡的动力学特性。通过颗粒堆积体坍塌试验验证了模型的有效性。模拟分析了不同初始高宽比的水下坍塌过程,并与空气中的坍塌过程进行详细对比。研究表明:该耦合算法可以较好地描述海底边坡的失稳、流动、堆积过程;水下滑坡体与水体会发生复杂的相互作用,在颗粒由垂直下落转为水平流出时,会在水中形成涡旋;在高宽比较大的情形下,水中涡旋会明显改变颗粒最终堆积的表面形态;水中滑坡的移动距离较小、堆积厚度较大、表面松散介质易受水流影响。

基于离散单元法的渗流侵蚀作用下桩基位移与承载特性研究

随着城市地下空间桩基与隧道立体交叉分布体系的日渐复杂,隧道渗流侵蚀引发的桩基稳定性问题越发突出。然而,目前关于隧道破损引发渗流侵蚀方面的研究工作主要聚焦于侵蚀发生机制方面,其与邻近桩基的相互作用尚欠关注。因此,在物理试验揭示渗流侵蚀机制的基础上,通过建立土体临界细粒含量表达式,量化表征了地层侵蚀形态;随后,采用随机定量删除细颗粒的方法,基于离散单元法DEM建立了多区域侵蚀地层模型,进而分析了不同桩基位置、沉桩方式、桩基荷载和基础类型条件下桩基结构的侵蚀响应特征。结果表明,桩基受侵蚀后均产生不同程度的下沉位移,并在不平衡力的驱动下向侵蚀区倾斜;桩端阻力受损后随桩体下沉逐渐上升,侧摩阻力损失则基本无法恢复。此外,不同沉桩方式与桩基荷载下,桩体的位移与阻力变化模式基本一致,主要是变化量的不同;相比单桩,群桩具有更好的抗侵蚀能力。

三维可变形圆化多面体离散单元法

为真实模拟岩体的变形特性与运动形态,将圆化多面体离散元法与有限单元法结合,提出一种三维可变形圆化多面体离散单元法。该方法既能真实表征块体的不规则特征,又降低了接触判断的难度,同时能准确反映块体的变形特性。在求解切向接触力时,将接触判断对象从接触对简化为单元整体,显著提高了计算效率。为分析块体变形特性,在块体离散单元内部划分有限元网格,将最外层有限元网格作为最小接触单元。采用直接平均法,将接触力转化为等效节点力,并采用非线性有限单元法实现对单元变形特性的精确模拟,克服了圆化多面体无法反映单元变形的缺陷。通过5个算例论证了新方法在捕捉单元变形、运动形态以及其力学特征等方面的准确性和高效性。

岩石力学离散单元计算方法中的若干问题探讨

对节理岩体中以离散的块体单元为计算模型的离散单元计算方法中的一些常遇到的问题和难点,进行了较深入的讨论,主要涉及到离散单元计算方法的各种算法及特点、块体的变形问题和块体之间的叠合、方程求解问题特别是单个块体求解与整体方程求解的内在关系、接触检索问题包括三维块体的接触检索等方面,指出了一些问题上的不足,提出了建议,并得到了一些有益的结论。

离散单元法同拉格朗日元法及其在岩土力学中的应用

离散单元法是一种适合于节理岩体的数值分析方法，拉格朗日元法则特别适用于解决大变形的问题。本文叙述了离散单元法和拉格朗日元法的基本原理以及有关参数的选择问题．文中还举出两种方法在岩土力学中的应用范围。

基于离散单元法的土壤力学接触模型的建立

简述了离散单元法的发展现状,介绍了目前离散单元法的应用情况,分析了离散单元法在土壤行为中应用的可行性,指出离散单元法应用于土壤这样的多相不连续复合体系中,以离散单元的总体行为来描述土壤动态行为具有独特的优越性,提出了在离散单元法前提下建立土壤力学接触模型的方法。

基于离散单元法的混凝土细观力学模型研究进展

介绍了离散单元法用于混凝土细观结构数值模拟的优越性及其基本原理;总结了目前基于离散单元法的刚体-弹簧元模型、扩展的离散单元法、颗粒-界面元模型、梁-颗粒模型等常用模型的原理、研究现状、成果,以及各自的优缺点;对数值模型建立中应考虑的关键问题,如破坏准则、本构关系以及材料参数的确定方法等作了归纳分析。指出目前离散单元法用于混凝土数值模拟的研究主要以二维模型、简单受力状态、定性分析为主,而在复杂受力状态、定量分析、随机性分析以及相应实用软件的开发等方面仍有待进一步研究。

圆化离散单元法的改进及其在岩体断裂过程中的应用

为精确模拟岩体断裂的演化过程,将有限单元法与圆化多面体离散元法相结合,提出一种用于模拟断裂全过程的三维可变形圆化多面体离散单元法。为模拟块体的真实破坏状态,该方法将每个岩体颗粒都离散成有限单元,沿有限单元的边界嵌入无厚度节理单元,最后采用判断节理单元状态的方式来捕捉断裂过程产生的裂缝,岩体颗粒与断裂表面之间的接触相互作用通过圆化多面体离散元法求解。通过5个算例说明新方法的准确性和有效性,可用于模拟准脆性材料的断裂全过程,且能够捕捉裂缝萌生和扩展以及块体之间的碰撞和变形。

基于离散单元法的立筒仓卸料动态侧压力数值模拟分析

为研究粮食立筒仓卸料时的动态侧压力,采用离散元仿真软件EDEM数值模拟玉米、小麦和稻谷三种粮食,研究不同种类贮料物理特性和接触属性下的静态侧压力分布,并与规范计算值进行对比;分析卸料过程中动态侧压力分布规律和相应超压系数、流动状态与速度分布关系;基于灰色关联度分析法进行卸料时动态侧压力影响因素分析。研究表明:三种贮料的静态侧压力最大值均出现在仓壁底部范围内且大于规范值,规范公式计算值偏于保守。动态侧压力在卸料过程中会发生震荡增大,三种贮料的动态侧压力最大值分别为6.08、5.38和4.73 kPa,均发生在0.8 m测点深度处且均超过规范中所要求的水平侧压力修正系数,现行规范中水平侧压力修正系数偏于不安全。贮料密度、贮料与仓壁静摩擦系数和贮料与筒仓结构碰撞恢复系数是影响动态侧压力的主要因素。该文可为筒仓规范中对贮料与筒仓结构的碰撞恢复系数的分析提供理论支持。

基于离散单元法的不同含水率土壤在转鼓中的流动行为研究

机械化学法修复POPs污染土壤应用前景良好,但由于无法通过实验手段获取球磨罐内颗粒运动信息,难以对工艺参数进行优化。考虑到土壤颗粒在球磨罐中的流动状态与在转鼓中十分相似,本文采用离散单元法(DEM)研究不同含水率土壤在转鼓中的流动行为。为了模拟土壤的结块特性,本文采用基于JKR理论的Surface Cohesive Force模型建立土壤粘聚力模型,并以转鼓试验过程颗粒的坍塌周期和质心角为指标验证了仿真参数的合理性。根据试验与仿真的结果可得,土壤的含水率越高,转鼓中土体坍塌周期和单次坍塌块体体积越大;土壤含水率在仿真过程中以表面能极性分量为表征,含水率越高,表面能极性分量越大,土壤内聚力作用下的结块现象越明显。此外,在仿真过程中,土壤的滚动摩擦系数显著影响转鼓内土壤颗粒整体的分层效果。由于本文使用球形颗粒代替土壤团聚体,摩擦系数的选取不应限于SiO_(2)材料的摩擦系数取值范围,才能保证仿真与试验结果的一致性。

基于离散单元法和人工神经网络的近壁颗粒动力学特征研究

颗粒与壁面的相互作用往往对颗粒流动具有显著影响.为研究颗粒与壁面作用机理,对滚筒内颗粒流动过程进行离散单元法(DEM)数值模拟.基于模拟结果统计分析靠近壁面处颗粒的运动特征,结果表明,小摩擦系数时颗粒平动和旋转速度均近似满足正态分布,但由于壁面影响,摩擦系数增大时颗粒沿滚筒轴向的旋转速度偏离正态分布,颗粒动力学理论推导壁面边界条件时应考虑速度正态分布的修正及速度脉动的各向异性.采用人工神经网络(ANN)构建了颗粒无因次旋转温度、滑移速度和平动温度之间的函数模型,进而可以在常规双流模型壁面边界条件中考虑颗粒旋转的影响.基于DEM模拟及结果分析可以为壁面边界条件的理论构造和半经验修正提供基础数据和封闭模型.

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。

基于离散单元法的双辊餐厨垃圾破碎机产物粒径影响因素仿真分析

餐厨垃圾的处理包括对餐厨垃圾实施破碎、压榨、分选等操作,以实现固体破碎、固液分离、油水分离,进而达成无害化处理或资源回收利用目的。双刀辊破碎装置是实现餐厨垃圾固体破碎的高效设备之一,其作用是将大块物料粉碎成粒径细小且均匀的物料颗粒,以便于进行后续处理和存储运输。基于离散单元法,采用仿真软件EDEM的Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion和Tavares UFRJ Breakage接触模型,模拟了双辊转速分别为10、15、20、25、30 rad/s和物料颗粒初始半径分别为10、15、20、25、30 mm时破碎装置的工作情况。结果表明:刀辊转速和初始颗粒半径都对破碎装置的破碎效率及出料颗粒粒径分布具有显著影响;双辊转速越快,完成破碎作业所需时间越短但出料颗粒里小粒径占比会降低;入料半径15 mm时作业效率最高,而入料半径30 mm时出料颗粒里小粒径颗粒占比最高。

基于离散单元法对房屋结构不同参数的研究

文章利用离散单元法对砌体墙进行分析,研究了不同高宽比、开洞率以及竖向荷载条件下墙体的性能变化规律。通过模拟结果可以看出,在不同宽高比、开洞率和荷载条件下,房屋砌体墙结构的承载特性和受力性能与现有实测数据的变化规律类似,吻合性良好。因此,文章利用离散元方法所建的模型房屋结构模型可以模拟真实的砌体墙在受到外荷载时所表现的承载特性。此外,该模型能够有效预测房屋结构的破坏模式。相关研究结论可为实际砌体墙工程提供参考。

基于离散单元法的大豆力学特性研究

针对大豆颗粒粒径较大的特点,在室内大豆直剪试验的基础上标定大豆相应细观参数,采用离散单元法建立大型大豆直剪试验数值模型,验证了离散单元法模拟大豆直剪试验的可行性。分别设定试样的剪切速率、仓壁材料以及含水率为3个单一变量,其他参数为不变量,研究3个变量对大豆相关力学特性的影响,结果表明:试样的剪切速率在一定范围内变化时,大豆的抗剪强度峰值与内摩擦角变化不明显,但内部黏聚力由6.12 kPa增大至9.31 kPa;在仓壁材料由光滑面变为混凝土板的过程中,大豆的内摩擦角由26.9°增大至32.33°,抗剪强度峰值也出现了一定程度的增长,但其内部的黏聚力保持相对稳定;不同含水率的大豆的抗剪强度不同,在大豆含水率由12%增长至21%时,大豆的内摩擦角由26.9°增大至32.5°,内部黏聚力由6.12 kPa增大至11.01 kPa。

基于离散单元法的水平圆盘式精量排种器排种仿真试验

为了优化水平圆盘式精量排种器的最佳排种性能参数(动排种盘转速、动排种盘厚度、型孔圆角半径),达到提高粒距合格指数、降低漏播和重播指数指标,并降低大田试验强度。该文基于离散单元法对根据全膜双垄沟播技术所设计的水平圆盘式精量排种器进行了排种数值模拟,并得到玉米籽粒模型排种、重播、漏播的形成过程;为提高其排种性能,进行了排种仿真试验。仿真结果表明:以合格指数较高为重点、兼顾重播指数和漏播指数较低的原则,确定了动排种盘转速为17 r/min、动排种盘厚度为6 mm、型孔上边倒圆角半径为1 mm时为较优组合,此时粒距合格指数S=97.05%、重播指数D=1.83%、漏播指数M=1.12%。田间验证试验表明:在上述条件下,测得粒距合格指数为S=95.13%,重播指数D=2.34%,漏播指数M=2.53%,重点指标粒距合格指数误差2.02%(<5%)。因此,基于离散单元法的排种器仿真试验为排种器性能参数的确定提供参考。