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。

间断级配砂土渗流侵蚀现象的计算流体力学-离散元耦合模拟

渗流侵蚀会导致土体中土颗粒的随水流流失,改变土体力学和水力特性,工程中常引起土石坝的变形甚至破坏。利用流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM),针对广泛存在于坝基、土石坝滤芯以及油气井反滤层中的间断级配砂土,对其级配进行合理简化后研究其在水力作用下的渗流侵蚀特性。通过8组模拟向上渗流试验研究了水力梯度、试样所受围压以及细粒含量对间断级配砂土渗流侵蚀过程的影响。试验中监测了细粒流失质量、细粒流失率、土表位移、微观组构变化等宏微观现象,并与既往室内试验进行了对照验证。同时,对渗流前后土体进行了排水剪切试验,研究渗流侵蚀对土体抗剪强度的影响。试验结果表明,在数值模拟试验条件下初始细粒含量变化对于细粒流失质量、峰值细粒流失率、土表位移及渗流前后的力学特性影响较试验中围压与水力梯度的影响更为显著。通过对微观组构的分析,发现不同细粒含量的试样在渗流过程中接触网络的构成与变动差异较大,细粒含量在35%的阈值附近,会发生土体力链传递结构的转换。三轴结果表明,细粒流失还会导致土体峰值强度降低、50%强度处的割线模量E50减小。

微反应器计算流体力学与离散元建模及调控

为了提高微反应器内部流场均匀性,抑制固相颗粒团聚,提出超声波耦合流场强化调控方法.基于计算流体力学与离散元耦合(CFD-DEM)方法,建立微反应器流体动力学模型,得到微反应器流道的多相流场分布与颗粒运动规律.对可实现k-ε湍流模型源项进行修正,得到微型反应器在超声波激振作用下的颗粒碰撞冲击效应与内部流场非线性分布特征.结合分形方法,对流道中的颗粒群混沌态分布进行定量分析.以T形汇流反应器为例,开展数值仿真研究.结果表明,超声波耦合流场强化可以提高反应器内的流场分布均匀性,对离散颗粒团聚进行有效的抑制.

冲击动力学中离散元与有限元相结合的计算方法研究

阐述了一种离散元与有限元法相结合的计算方法,编制了可应用于细观模拟的二维程序,对受冲击载荷作用的均匀材料和非均匀材料的响应特征进行了计算,并对数值模拟进行了验证。计算结果与理论值较吻合,验证了方法的可行性。

基于快速虚拟释放算法和离散元方法的颅内动脉瘤治疗中的血液动力学研究

目的旨在验证新型颅内扰流装置(intrasaccular flow disruption device,IFD)装置在治疗颅内动脉瘤中的有效性和可行性,并开发包含IFD装置的快速虚拟释放算法(fast virtual deployment algorithm,FVD)和血液动力学计算的虚拟手术规划平台。方法采用自适应的贴壁和曲率控制系统来实现IFD装置快速虚拟释放,同时应用离散元(discrete element method,DEM)方法进行血液动力学计算。该算法在理想模型和6例患者特异性模型中进行了验证。结果和结论在理想模型中,FVD算法相较于台架试验和高精度有限元算法,能够准确地预测IFD装置的短缩行为。而在患者特异性模型中,FVD算法与有限元算法相比,能够准确捕捉IFD装置的占位情况,并与造影图像结果吻合。此外,FVD算法在6例病例中的计算时间均在1 min以内,明显快于有限元算法,显示出明显的优势。基于DEM的血液动力学计算也成功地捕捉到了射流形态和壁面特征,验证了IFD装置的治疗有效性,并与基于贴体网格的有限体积法相比,表现出更短的计算时间。综上所述,FVD算法能够在极短的时间内完成IFD装置的虚拟释放,并基于DEM的流体计算方法也能在短时间内获得流场形态。二者的结合为虚拟手术规划平台的搭建提供了有效手段。研究为IFD装置在颅内动脉瘤治疗中的临床应用奠定了基础,并为进一步的研究提供了新的方向。

三维离散元计算参数选取方法研究

简要分析了岩体力学计算中比较重要的几何参数和物理参数的选取问题。通过对几种离散元方法接触关系的比较,讨论了在不同的计算模型中结构面刚度所代表的物理意义。指出在刚性块体模型中,结构面的刚度是包含了岩块和结构面物理特性的等效刚度,而在可变形块体模型中,只有当块体间的接触弹簧刚度取足够大时,才能客观地反映岩体的特性。太大的接触刚度影响计算的可靠性,为此给出了一种简单的处理方法。通过量纲分析的方法给出了岩体结构振动的阻尼表达式,指出可以通过岩体的振动实验确定阻尼比,并进而给出特征时间。量纲分析得到的特征时间为计算时间步长提供了参考值。最后,介绍了离散元法的计算控制及滑动与失稳的判据。

基于离散元方法的车-路相互作用下沥青路面力学响应研究

为研究车-路相互作用下沥青路面力学响应,文章基于离散元方法,利用PFC软件建立沥青路面的三维数值模型,施加车辆荷载,模拟分析车辆与道路之间的相互作用,主要结论为:(1)沥青路面在荷载的作用下,随着路面深度的逐渐增加,竖向位移值和竖向正应力均逐渐减小,且在静荷载的作用下,各结构层的竖向位移在短时间内急剧增大,达到峰值后逐渐减小,然后趋于稳定;(2)沥青路面在振动荷载的作用下,各结构层的竖向位移和竖向正应力变化曲线均呈现半正弦形,在振动荷载施加完成后,路面的竖向位移并未恢复为零,这部分残余变形可被视为车辙产生的原因;(3)沥青路面在移动荷载的作用下,当荷载逐渐接近监测点位置时,各结构层的竖向位移和竖向正应力逐渐增大,反之则逐渐减小,且随着路面深度的增加,竖向正应力值逐渐减小,但应力响应时间逐渐延长。

基于重叠边界的有限元与离散元耦合异步长并行计算方法

为了减少有限元和离散元耦合领域问题的计算时间,本文建立了有限元-离散元耦合异步长并行计算方法。整个计算模型分为有限元和离散元两类计算区域,根据每个子域单元特性选择合适的积分时间步长。每个子分区均采用显式时间积分格式进行求解,采用重叠边界法处理边界耦合问题,不涉及子循环过程的插值和截断过程。数值算例表明该方法在保证高精度的同时有效降低了计算时间。

针对有砟道床动力特性分析的嵌入式离散元-有限元耦合方法

在离散元-有限元耦合方法中,离散元和有限元交界面处的耦合方式对整体有砟道床的力学行为影响显著。采用基于球形单元的镶嵌单元或粘结单元模拟有砟道床时,由于球形单元和有限单元表面的自锁能力较差,使道砟层在列车载荷作用下容易产生侧向滑移,导致数值模型不稳定。此外,在实际铁路道床中,底部道砟均不同程度地嵌入路堤。为此,发展了一种嵌入式离散元-有限元耦合方法,通过设置一层嵌入地基有限元模型中的球形颗粒传递离散元域和有限元域间的力学参数,实现离散元和有限元方法的耦合。数值结果表明,嵌入式离散元-有限元耦合模型能够有效降低有砟道床的侧向位移,数值结果更加稳定,在处理与有砟道床类似的连续介质与散体介质的耦合问题时推荐采用嵌入式耦合算法。

离散元与壳体有限元结合的多尺度方法及其应用

在深入研究复杂结构和非均质材料冲击响应和破坏机理的过程中,往往遇到多尺度计算问题。本文尝试建立三维离散元与壳体有限元结合的多尺度方法用于处理圆柱壳问题,该方法采用三维离散元对感兴趣的局域进行局部模拟,利用平板壳体有限元进行整体模拟,采用一种特殊的过渡层使离散元区和有限元区能很好的衔接。我们将这一方法应用于激光辐照下充压柱壳的热/力耦合冲击破坏响应,得到的模拟结果与文献报道有较好的吻合。

离散元与有限元结合的多尺度方法及其应用

在深入研究复杂结构和非均质材料冲击响应和破坏机理的过程中,往往遇到多尺度计算问题.提出并建立起离散元与有限元结合的多尺度方法,该方法采用离散元对感兴趣的局部进行细观尺度的模拟,利用有限元进行宏观的模拟,从而节约了计算时间.采用一种特殊的过渡层衔接离散元区和有限元区.将这一方法应用于激光辐照下预应力铝板的破坏响应,并将得到的模拟结果与实验进行了比较.

尤卡山坑道规模试验热-气-应力耦合过程的离散元模拟

简述二维离散元程序UDEC4.0中求解热-水-应力耦合问题的主要的理论背景、控制方程和计算原理。针对美国尤卡山高放射性核废料地质处置坑道规模试验,使用UDEC程序进行热-气-应力耦合过程的数值模拟,分析坑道周边的位移、主应力、节理开度、气压力及气体流速的变化;并将本计算的部分结果和实测数据及国外有限元/有限差分方法的成果进行比较。结果表明,三者温度、应力的分布与变化较为接近,位移分布与LBNL的结果在定性上较为一致,在定量上加热时间短时二者差别较明显,但在同样的数量级内,加热时间长时本计算和LBNL计算所得的位移值与实测结果的接近程度大体相当。从而可以认为使用离散元方法对核废料地质处置中的热-水/气-应力耦合过程进行模拟是可行的。

气—气热管换热器离散型设计计算方法研究

分析了气—气热管式换热器离散型设计计算方法产生误差的原因 ,在离散间壁式模型基础上 ,建立了考虑温度影响各种物性参数的新离散型设计模型。用平常运行的气—气热管式换热器的几何尺寸和实测数据 ,比较和分析了现存的各种设计计算方法所得理论值与实测值。结果表明新离散型设计计算方法更精确、更接近实际情况对实际计算有很好的理论指导作用。

基于有限元⁃离散元结合方法的Steven实验三维数值模拟

针对有限元方法描述断裂与摩擦时存在算法困难,而离散元方法难以描述炸药结构响应的问题,建立了有限元-离散元相结合的三维数值模拟方法与Fortran计算程序。通过有限元模拟炸药外金属壳体变形,离散元模拟炸药内部的裂纹扩展与摩擦升温,采用Arrhenius方程描述炸药热分解反应放热,实现了装药低速撞击非冲击点火的三维模拟。以Steven实验作为算例,开展了脆性炸药PBX-2在钝头弹与平头弹两种撞击条件下装药破坏与点火的模拟,考察了炸药非均匀性的影响,获得了装药受载应力历史、裂纹分布、温升曲线、点火时间与位置、撞击点火速度阈值等,分析了钝头弹与平头弹撞击点火的分布特性。以炸药裂纹摩擦以及自反应放热为点火机制的模拟结果与文献报道的实验结果符合较好。

煤与瓦斯突出过程气-固颗粒抛出规律及突出矿井风险等级划分方法

为了揭示煤与瓦斯突出气-固颗粒抛出流演化规律,基于离散元数值模拟方法,提出了现场统计数据与数值模拟相结合的方法;研究了煤与瓦斯突出气-固颗粒两相流的发展过程,揭示了喷出的煤颗粒及瓦斯的运动轨迹变化规律;基于主成分分析法(PCA)和模糊综合评价法(FCE),实现了对27处突出矿井危险性的分级。结果表明:煤与瓦斯突出分成4个阶段,煤与瓦斯突破石门阶段,煤与瓦斯混合冲击阶段,煤与瓦斯突出两相流分流阶段和煤与瓦斯突出衰减阶段;随着突出的发展,煤与瓦斯突出两相流发生分流;瓦斯运动速度较高,主要在巷道上方运动,多数煤颗粒则沉降至巷道底端,前方少部分煤颗粒在瓦斯裹挟下继续向前移动,运动轨迹比瓦斯更为复杂;通过数值模拟得到3处突出矿井煤颗粒抛出量分别为121.5、42.7、320.32 t;经PCA-FCE综合评价,27处煤与瓦斯突出矿井包括一般突出矿井16个,严重突出矿井11个。

水污染问题特征有限元方法的数值计算及理论分析

本文研究了水污染二维对流占优数学模型特征有限元方法的计算问题 ,导出的计算格式对时间变量用特征线方法离散 ,对空间变量用Galerkin有限元方法离散 ,得到的H1 模和L2

砂土应力-应变特性离散元数值模拟

本文基于二维颗粒流数值分析程序,建立双轴试验的数值计算模型,模拟承德中密砂的应力-应变特性,并总结不同细观力学参数条件下承德中密砂应力-应变规律,为合理确定砂土细观力学参数提供依据。

道砟-软枕垫相互作用的离散元-柔性体耦合分析

随着铁路列车的高速重载化,路桥过渡段的不均匀沉降与道床劣化问题日益严重。通过在轨枕下方铺设轨枕垫,可以有效改善有砟轨道应力分布从而减少轨枕沉降。为探究轨枕垫-道床-路基的力学传递机制,采用离散元-多柔性体动力学耦合方法建立了道砟箱和轨枕垫模型,从细观上分析动荷载下道砟-轨枕垫相互作用。通过建立全尺寸路桥过渡段耦合模型,研究铺设轨枕垫措施的减振效果及效能评价。研究结果表明,铺设轨枕垫后,道床沉降和刚度分别减小了约27.3%和39.7%;柔性轨枕垫增大了轨枕与道砟的接触面积,使道砟颗粒间最大接触力减小了约26%,与试验结果吻合;通过在全尺寸路桥过渡段中铺设轨枕垫,测得过渡路基区的最大沉降减少了约9.2%,桥梁路基区的最大应力减小了约18.3%,且道砟颗粒振动加速度峰值减小了约14.1%。研究证明轨枕垫可有效改善轨枕-道砟界面接触和过渡路基区的应力应变等动态响应,具有良好的防灾减灾效果。

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。

黏土岩中水泥锚固体滑脱的有限-离散元模型初探

锚固体与围岩有效黏结是保证锚杆(索)系统正常工作的重要前提,为研究黏土岩内水泥锚固体在拉拔荷载作用下的滑移脱黏机理,开展黏土岩三轴试验、黏土岩-水泥砂浆界面直剪试验和水泥锚固体拉拔的物理模型试验,基于有限-离散元方法(FDEM),建立黏土岩-水泥砂浆的二元体模型,对水泥锚固体拉拔过程进行模拟。研究表明:黏土岩黏聚力小于黏土岩-水泥砂浆界面的切向黏结强度,低法向压力时二元体的剪切破坏多为黏土岩的剪切破坏,但黏土岩内摩擦角较大,高法向压力下界面抗剪强度低于黏土岩,二元体剪切破坏逐渐转变为界面脱黏;考虑剪切失效的双线性黏聚力模型在模拟软岩破坏时是适用的,而二元体黏结界面更适合通过黏结-摩擦模型模拟;水泥锚固体拉拔失效过程可分为黏结变形阶段,界面脱黏阶段,剪胀咬合阶段和滑移阶段4个阶段,界面脱黏后,锚固体附近黏土岩的剪切破坏也是导致锚固失效的重要因素,剪胀咬合阶段的咬合力决定了锚固体的峰值抗拔能力。研究结果对于软岩地区锚固结构设计有一定的指导作用。