超声速飞行状态下热喷流中离散颗粒的分布特性

针对气溶胶红外隐身技术在飞行状态下隐身效果急速下降的现象,提出了一种在喷管尾部加装挡板结构以解决超声速飞行状态下离散颗粒难以扩散的方法,设计了曲线型和直线型两种挡板构型,通过对含气溶胶颗粒的飞行器排气喷管尾部气固两相剪切流的数值模拟研究,对比分析了挡板构型和气溶胶喷嘴数目对于离散颗粒空间分布特性的影响规律。研究表明,飞行马赫数为1.2时,挡板对提升该飞行状态下气溶胶颗粒在剪切流中的扩散能力具有显著作用,且直线型挡板结构优于曲线型;夹角α=30°,挡板高度与喷嘴内径比d/D_(in)=40时,离散颗粒对尾喷流的包裹效果最佳;当气溶胶喷嘴数目大于1时,颗粒分布的均匀性明显增加,且当喷嘴数目为5时,颗粒在流场中的扩散能力最强,浓度最均匀,颗粒整体温度较低,在热喷流周围形成“厚且冷”的气溶胶遮蔽层,有利于提高超声速飞行状态下飞行器排气热喷流的主动红外隐身效果。

流化床锅炉热烟气点火过程的离散颗粒模拟

建立了基于欧拉-离散单元方法的流化床燃烧数学模型并用该模型对流化床锅炉热烟气点火过程进行了数值模拟,模拟结果成功描述出了该过程的主要特征。研究表明流化床锅炉启动过程分为三个阶段:热气体对床料的纯加热阶段、煤颗粒燃烧后的床温快速上升阶段和床温变化平稳的正常运行阶段。文中模拟结果与实测及岑可法等采用整体模型的模拟结果一致,但在对过程细节的描述上要优于总体模型。

基于颗粒尺度的离散颗粒传热模型

颗粒间传热在诸多工业过程中有着十分重要的作用。详细考虑颗粒间传热机理,对颗粒间各传热途径建模,包括颗粒内部导热、颗粒粗糙表面传热、颗粒表面气膜及接触颗粒间隙气膜传热,并与离散颗粒模型(DEM)耦合,建立颗粒尺度下离散颗粒传热模型。以固定床为对象,考察颗粒粒径、颗粒比热容、颗粒热导率及压缩负载对固定床有效传热系数的影响,并将本文计算值和文献的实验值及模型预测值对比,结果表明,该模型可定量预测固定床有效传热系数。本文建立的离散颗粒传热模型为合理预测颗粒体系内的传热提供了一种有效方法。

提升管内气固两相双组分颗粒流动的离散颗粒硬球模型的模拟

基于离散颗粒(DPM)硬球模型,数值模拟提升管内双组分颗粒气固两相湍流流动行为。应用Vreman的亚格子尺度(SGS)模型模拟气体湍流,建立考虑不同颗粒加速度效应的两颗粒碰撞最小时间计算模型。数值模拟预测了大颗粒和小颗粒的速度和浓度分布。研究结果表明小颗粒具有高的轴向速度和脉动速度,而大颗粒具有低的轴向速度和脉动速度。在床中心区域,小颗粒轴向速度分布出现3个峰值,对于大颗粒轴向速度仅出现两个峰值。在壁面区域大颗粒和小颗粒速度均出现两个峰值。沿床径向方向呈现床中心颗粒浓度低、壁面区域颗粒浓度高的环核流动结果。随着表观气速的增大,颗粒浓度沿径向和床高分布趋于均匀。在床中心区域模拟计算轴向颗粒速度、颗粒浓度和RMS速度与文献实验结果相吻合。在提升管内气体湍流对小颗粒流动具有一定的影响,颗粒间碰撞作用对颗粒相流动的影响大于气相湍流的影响。

离散颗粒多尺度分级模型与破碎模拟

在所建议传统离散颗粒模型基础上引入了多尺度分级模型,定义了不同尺度的基本颗粒和颗粒簇模拟颗粒破碎现象.在统计断裂力学W e ibu ll分布公式基础上利用名义应力给出了多尺度分级模型意义下颗粒破碎概率;结合颗粒簇的解簇模型建议了一个可模拟颗粒破碎的多尺度分级离散颗粒模型.数值例题初步显示了所建议模型模拟颗粒破碎现象的有效性.并利用所提出的名义有效应变和名义体积应变显示了颗粒破碎过程对颗粒材料结构物变形的影响.

模拟风沙运动的离散颗粒动力学模型

根据风沙运动的特点 ,建立了基于单沙粒动力学的离散颗粒动力学模型。依据该模型 ,模拟了 90 0 0个沙粒在风力作用下由静止不动到充分发展的稳定态的全过程 ,细致研究了沙床处于稳定态时床面形态、跃移轨迹以及跃移质 蠕移质间交换规律 ,所得结果有助于理解风沙运动的内部机理 ,这是目前常用的模型所做不到的。研究表明 :离散颗粒动力学模型能够真实的模拟风沙运动现象 ,研究范围涉及风沙运动规律和床面形态的发生与发展等关键的问题 ,因而比其它模型更具优势。

宽筛分流化床气固两相流动结构离散颗粒模型

建立了适合描述宽筛分流化床气 固两相流动结构的离散颗粒模型。颗粒的运动满足牛顿第二定律 ,流体相的运动规律由局部平均的纳维 斯托克斯方程求解 ,两相间的耦合由牛顿第三定律决定。对宽筛分流化床中气泡的形成、颗粒的流化过程进行了数值模拟 ,结果与实验现象相符合 ;模拟结果还发现单颗粒的运动速度表现出不可预测特性 ,颗粒的总体速度不完全满足正态分布。

水沙流中离散颗粒流动应力关系

在已有的基于膨胀体模型、动理论模型和连续介质理论得到的关系式基础上,分析了水沙流中颗粒流动的应力关系应由摩擦应力、滑动应力和碰撞应力3部分组成,并将颗粒弹性恢复系数引入,对颗粒碰撞项进行了修正。根据颗粒碰撞时间间隔T_c和颗粒弛豫时间T_e的对比,提出了颗粒流动进入碰撞惯性区的临界值,即当T_c/T_e<0.02时,水沙流中颗粒流动碰撞作用占优,可忽略摩擦应力和滑动应力,并将提出的临界值与实验资料进行了比较。利用修正后的水沙流中颗粒流动应力关系,对缓槽水沙流动进行了模拟计算,获得了与实测资料一致的结果。

基于Mie理论分析离散颗粒包裹尾喷流红外消光特性

针对离散颗粒红外消光特性,利用Mie理论开展最佳干扰(消光)粒径和最佳粒径下的颗粒浓度与透过率关系的研究,在此基础上结合某典型飞机喷流参数,从理论上探讨、分析了两种离散颗粒材料环高温尾喷流喷射后的红外透过率(3μm)。研究成果对于进一步选择、研究、制备低红外透过率的离散颗粒材料提供了一套有价值的理论预估评价方法。

气固流化床内鼓泡行为的离散颗粒数值模拟

采用离散颗粒数值模型探讨了气固流化床内多个气泡的运动规律.数值计算考虑了颗粒与气体的相互作用以及颗粒间的相互作用,颗粒与气体的相互作用采用Gidaspow阻力修正公式,颗粒间的相互作用则采用硬球碰撞模式描述.给出了一种在二维非结构网格下精确计算颗粒体积分数及两相全隐耦合求解颗粒速度的方法,同时,在硬球模型中对颗粒碰撞事件采用散列表的处理方法,大大提高了计算效率.数值计算结果表明,由于多个气泡的相互作用而导致气泡的横向运动显著,气泡运动轨迹与气泡形状依赖于流化床内静压力的分布,气泡总是选择压力小、压差梯度大的路径上升,这一现象与气液分离流中气泡的运动规律类似.

离散颗粒集合中的应力分布

以均匀立方体试块作为各向同性的、典型的颗粒介质单元集合,通过试验,分析在外部集中荷载作用下有序对称排列和非对称排列集合应力点分布的变化情况,研究离散颗粒介质的拱效应特征及非线性传递过程,并用Markov链的分枝过程描述应力传递的变化规律.

含液颗粒材料液固耦合分析的离散颗粒模型及特征线SPH法

对含液颗粒材料流固耦合分析建议了一个基于离散颗粒模型与特征线SPH法的显式拉格朗日-欧拉无网格方案。在已有的用以模拟固体颗粒集合体的离散颗粒模型[1]基础上,将颗粒间间隙内的流体模型化为连续介质,对其提出并推导了基于特征线的SPH法。数值例题显示了所建议方案在模拟颗粒材料与间隙流相互作用的能力和性能以及间隙流体对颗粒结构承载能力及变形的影响。

颗粒材料的离散颗粒及间隙水渗流模型与数值模拟

基于离散颗粒模型的含间隙水颗粒材料液–固耦合分析,发展了Darcy渗流模型。应用特征线SPH方法求解液相,建立饱和与非饱和颗粒材料渗流模型的数值模型。数值例题给出饱和颗粒材料结构物在位移加载条件下的破坏模式及间隙水Darcy速度与水压力分布,并进一步模拟降雨条件下非饱和颗粒材料结构物的瞬态渗流过程,显示该模型模拟含间隙水颗粒材料结构物液–固耦合及变形的良好性能。

基于离散颗粒单元法的流化床生物质气化过程研究

基于离散颗粒单元法提出气相和颗粒相控制方程,结合化学反应动力学方法建立生物质气化模型,通过模拟空间液滴在湿空气中的蒸发过程验证了模型的可靠性,数值模拟流化床内生物质气化过程。模拟结果给出生物质颗粒在反应器内的流动特性与反应特性瞬时分布情况,床层内气泡周期性地产生、上浮最终破裂,进入反应器内的生物质随着床料颗粒一同周期性上浮和下沉,最终与床料充分掺混,并且均匀分布于床料中。燃料颗粒进入反应器后会迅速热解析出挥发分,并由气流从顶部出口带出。模拟给出气体产物质量分数瞬时分布,CH4、CO、CO2、H2这4种产物质量分数分布基本一致,都是集中分布于左壁面,CO和CO2的占比稍高;N2和O2的分布与前4种分布规律正好相反;H2O的分布则稍有不同,在进料口附近的浓度梯度较小。

用离散颗粒数值模拟对陶瓷过滤器过滤特性的研究

高温除尘是IGCC和PFBC-CC商业化的关键技术之一。陶瓷过滤器是最具发展潜力的除尘技术之一。该文以探讨高效的过滤途径为目的,通过数值模拟的方法,分析了不同的气流速度和不同的通道形状对陶瓷过滤器除尘效率的影响。模拟中,颗粒场采用离散颗粒运动模型,气相场采用格子Boltzmann方法。研究发现:如果粉尘颗粒偏大(相对于陶瓷过滤器空隙尺寸),可以通过增加陶瓷过滤器的厚度来提高过滤效率;如果粉尘颗粒很小,必须尽可能的降低气流速度才能达到高的除尘效率;在高气流速度下,增加陶瓷过滤器厚度对提高细小颗粒的过滤效率几乎不起作用。

基于颗粒离散元方法的膨胀土路基破坏特征研究

路基施工过程中,难免遇到受灾害性膨胀土影响的工程问题。为了探究膨胀土路基在胀缩循环作用下的细观破坏特征,文章利用颗粒离散元方法进行了土体膨胀率测试,通过膨胀土路基胀缩作用过程模拟,分析了胀缩循环次数对路基破坏特征的影响。结果表明:(1)膨胀土路基内部裂隙发育与边坡坡向有关;(2)膨胀土胀缩循环次数对路基稳定性和裂隙发育程度影响显著,胀缩循环发生次数越多,坡体越易发生拉裂破坏。

边坡稳定性强度折减颗粒离散元法分析的细观参数标定策略

根据岩土体力学指标标定颗粒细观参数是应用颗粒离散元解决岩土工程问题的一项基础工作。利用颗粒离散元法执行边坡稳定性强度折减法分析时,岩土体抗剪强度随折减系数变化不断调整,使用试算法标定颗粒细观参数效率严重不足。为解决此问题,采用国产颗粒离散元软件MatDEM,以颗粒细观参数为输入,以岩土体抗剪强度指标为输出,构建超定BP神经网络,开发双轴压缩数值模型并行试验技术,加速神经网络样本数据的获取过程,重复执行“逆向标定—精度检查—样本修正”以实现颗粒细观参数的逆向迭代修正标定。结果表明:该策略的精度明显优于直接以抗剪强度指标为输入、以颗粒细观参数为输出的欠定BP神经网络,标定的颗粒细观参数与抗剪强度目标高度匹配,数值试验结果与目标值相比误差可控制在不超过1%的范围内。采用澳大利亚计算机应用协会(ACADS)的均质土质边坡和堆石坝等两个边坡稳定性分析经典考题,以模型平均位移突变为极限状态判据执行强度折减法分析,检验该策略的应用效果。结果显示:该策略的标定能力可满足抗剪强度不断调整时颗粒细观参数重新设定的需要,安全系数计算结果与ACADS推荐解具有良好可比性。该策略可为MatDEM及其他颗粒离散元程序执行边坡稳定性强度折减法分析时颗粒细观参数标定提供可靠途径。

基于距离和局部Delaunay三角化控制的颗粒离散元模型填充方法研究

根据颗粒离散元Kelvin接触力计算模型,分析了圆形颗粒体模拟材料力学特性应具备的条件,在此基础上提出了一种新颗粒模型构建方法。该方法首先在复杂模型域内随机生成种子,然后利用相切条件逐步扩展填充整个区域。填充过程中借助局部Delaunay三角化网格控制新颗粒的生成,采用复杂几何体距离控制颗粒与模型边界的相对位置,对靠近模型边界的颗粒进行容忍性优化填充,从而增加模型颗粒与边界的耦合性。同时对模型孔隙进行再填充,保证每个填充颗粒至少与3个颗粒相切,提高了模型内颗粒间的耦合性和模型的密度。最后采用任意多边形控制材料边界,将模型材料的设置简化为判断点是否在多边形内,简化了复杂模型材料属性的设置过程。结果表明:与膨胀颗粒生成法相比,该方法生成模型重叠量小、颗粒间及颗粒-边界相互耦合、填充率高。因此,颗粒黏结力破坏后不会造成飞溢现象,可适用于任意连通域模型的生成,能更好地实现复杂岩土细观介质变形破坏机制的模拟与研究。

基于离散元的废旧二灰碎石与土混合料承载比细观力学特性研究

建筑垃圾应用于路基过程中,其材料承载力对道路服役性能具有重要影响。为评价建筑垃圾用于路基填料时的细观力学特性,该文利用离散元软件对不同含石率的废旧二灰碎石与土混合料进行承载比试验,并利用离散元法揭示强度形成机理。结果表明:混合料的承载比随含石率增大不断增加,含石率为80%时达到最大值。在离散元模拟承载比试验中,空隙率随着二灰碎石土的含石量的增大先降低后增大,当含石率为80%时混合料的空隙率最小,此时能达到最佳的承载效果。随着含石率的逐渐增大,废旧二灰碎石之间的颗粒相互嵌挤,形成骨架结构,因此能够有效承担来自贯入杆的荷载。

岩化法防渗支护体系稳定性离散元模拟研究

为验证岩化法防渗支护体系的稳定性,采用PFC软件基于非连续介质理论的颗粒离散元方法,对无支护强透水性地层、仅钢管模袋混凝土桩支护的强透水性地层、岩化法防渗支护体系支护的强透水性地层三种不同的工况,在基坑开挖过程进行稳定性数值模拟,从颗粒位移、接触力链以及位移矢量三个方面进行了对比分析,判断岩化法防渗支护体系提升了强透水性地层的防渗性能,同时提升了稳定性。