用DEM软球模型研究颗粒间的接触力

本文采用 DEM（Discrete Element Method）软球模型来研究颗粒间的碰撞过程,用金属球代替流场中的颗粒,研究这些金属球在平面上的运动。运用DEM软球模型求出碰撞过程中小球所受的瞬时接触力以及碰撞时间,并分析这些参数随颗粒物性以及运动参数的变化规律。计算得出:颗粒间的接触力以及碰撞时间与颗粒的相对速度、碰撞角度以及杨氏模量等参数有关。

软球模型在颗粒流全尺度模拟中的验证和分析

针对颗粒流全尺度模拟时的干碰撞问题,在内嵌边界多重直接力全尺度算法中加入软球碰撞模型.通过空气中小球碰撞壁面和小球在粗糙表面上滚动2个典型算例,验证了软球模型在全尺度模拟中对干碰撞作用求解的适用性和准确性.对软球模型各主要参数的敏感度分析表明:时间步长越小,碰撞计算越精确;弹簧刚度系数越小,软球模型的接触特征时间越长,全尺度计算受到的资源限制越小;网格尺度、速度恢复系数对软球模型在全尺度模拟中的求解精度影响不大.实验室尺度气固鼓泡床的全尺度模拟结果表明,该方法可用于计算复杂的稠密流动体系.

脂质体结构稳定性的原子力显微镜观测与软球数学模型分析

利用原子力显微镜和激光粒度分析仪,研究手摇法和超声薄膜法制得脂质体的粒度特性、粘连性与刚性特性.结果表明:手摇法制得脂质体粒径较大、易粘连且刚性较弱.超声薄膜法制得脂质体粒径较小、分散性较好且刚性较强.根据脂质体本身的特性建立了软球数学模型,进行粘连性、刚性的理论分析,并将实验测得的数据带入模型计算,理论计算与实验观测结果一致,表明软球数学模型可为脂质体的结构稳定性提供定量的评价标准.

鼓泡流化床中多组分颗粒分离的软球模拟

基于颗粒轨道模型,建立了粒径服从均匀分布的多组分颗粒体系分离的软球模型,模拟了粒径服从均匀分布的连续组分、三组分颗粒体系在流化床中的分离行为,并研究了表观气速不同时,连续组分、三组分颗粒体系的分离规律;同时讨论了粒径分别服从均匀分布与正态分布时,三组分颗粒体系分离行为的差异。研究结果表明:表观气速对连续组分、三组分颗粒体系的分离行为都有重要影响,但影响不同,粒径分布不同对三组分颗粒体系的分离行为没有显著影响。

气固流化床中颗粒分离的软球模拟

基于颗粒轨道模型,建立了粒径服从均匀分布的二组分颗粒分离的软球模型.其中流体运动用Navier-Stokes方程描述,颗粒运动满足牛顿第二定理,两相间的耦合由牛顿第三定理确定.研究了表观气速、颗粒平均质量、颗粒直径分布范围、颗粒碰撞参数对二组分颗粒分离的影响.研究结果表明:表观气速太大或太小都会减弱二组分颗粒的分离行为;在各组分颗粒密度不同条件下,不同组分颗粒的平均质量相差越大,颗粒分离越明显;在各组分颗粒密度相同条件下,不同组分颗粒的直径分布范围差别越大,颗粒分离越好;理想状态下,颗粒分离的速度较快,且分离较完全.

颗粒流动力学及其离散模型评述

颗粒流是由众多颗粒组成的具有内在相互作用的非经典介质流动.自然界常见颗粒流都是密集流,颗粒间接触形成力链,诸多力链相互交接构成支撑整个颗粒流重量和外载荷的网络,其局部构型及强度在外载荷下演化,是颗粒流摩擦特性和接触应力的来源.本文介绍球形颗粒间无粘连作用时的Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论.Campbell依据是否生成较为稳定的力链把颗粒流分为弹性流和惯性流两大类,其中弹性-准静态流和惯性-碰撞流分别对应准静态流和快速流,作为两种极端流动情况通常处理成连续体,分别采用摩擦塑性模型和动理论予以描述,但是表征接触力链的颗粒弹性参数并不出现这两个模型和理论框架中,如何进一步考虑颗粒弹性参数将非常困难.目前离散动力学方法逐渐成为复现其复杂颗粒流动现象、提取实验不可能获得的内部流动信息进而综合起来探索颗粒流问题的一种有效工具,其真实性强于连续介质理论的描述.软球模型对颗粒间接触力简化处理,忽略了切向接触力对法向接触力及其加载历史的依赖,带来了法向和切向刚度系数如何标度等更艰难的物理问题,但由于计算强度小而广泛应用于工程问题中.硬球模型不考虑颗粒接触变形,因而不能描述颗粒流内在接触应变等物理机理,仅适用于快速颗粒流,这不仅仅是由于两体碰撞的限制.因此基于颗粒接触力学的离散颗粒动力学模型是崭新的模型,适用于准静态流到快速流整个颗粒流态的模拟,可以细致考虑接触形变及接触力的细节,建立更为合理的颗粒流本构关系,进而有力的促进颗粒流这一非经典介质流动的研究.

确定性颗粒轨道模型在流化床模拟中的研究进展

随着计算机硬件的发展 ,基于颗粒尺度模拟稠密气固两相流的颗粒轨道模型发展很快 .本文回顾了目前流化床模拟中确定性颗粒轨道模型的研究状况 ,概述了处理颗粒碰撞的硬球模型、软球模型以及DSMC方法在国内外流化床模拟中的研究成果 ,评述了颗粒间相互作用处理方法的优缺点以及适用的系统等 ,指出了确定性颗粒轨道模型发展亟待解决的问题 ,展望了确定性颗粒轨道模型未来的发展趋势 .

稠密气固两相流中颗粒团运动的DEM模型研究

颗粒聚集成团是稠密两相流动中的基本现象．本文直接以颗粒团为研究对象,建立了颗粒团运动的DEM软球模型,具体给出了稠密气固两相流中颗粒团大小的计算表达式,建立了非球形颗粒团运动、接触碰撞及破碎模型,并将此模型用于模拟一循环流化床内稠密气固两相流动,得到了流化床内颗粒团详细的运动碰撞经历及浓度、粒径分布,所得结果合理,与前人实验值相符．另外,计算表明,采用颗粒团运动的DEM软球模,能使计算量有效减少,计算时间明显缩短,说明本模型可有效地用于工程意义上的稠密气固两相流问题的模拟。

涡流空气分级流场中颗粒运动及分布规律研究

为探究粗细颗粒在分级机内分离过程,基于颗粒-涡相互作用模型和离散元软球模型研究了涡流空气分级流场中湍流脉动对颗粒运动及切割粒径d_(50)的影响,探索了分级过程中颗粒的分布规律。湍流脉动主要影响小颗粒的运动轨迹,对大颗粒运动轨迹影响不大,对切割粒径d_(50)无明显影响;在风速12 m·s^(-1),转笼转速1200 r·min^(-1)工况下,从径向分布来看,小于20μm的细颗粒主要分布在转笼区,接近切割粒径d_(50)的颗粒在环形区内做旋流运动,大于25μm的粗颗粒会在靠近导叶的区域聚集,由于颗粒间的相互作用导致一些较细的颗粒会掺混在这些粗颗粒中,从而产生“鱼钩效应”;从轴向分布来看,小于20μm的细颗粒主要分布在分级机内靠近顶部区域,粗颗粒会逐渐向下沉降,粒径越大沉降越快。

各向同性湍流中颗粒碰撞特性的数值研究

了解分散的颗粒如何与湍流相互作用可以更好地预测危险性过程和设计工业设施。本文利用直接数值模拟方法,将结合DEM软球碰撞模型的点颗粒法的结果与单向耦合点颗粒法进行了对比,研究了在不同湍流强度下固体颗粒分布特征及碰撞特性,同时本章还进一步研究了不同颗粒的尺寸对颗粒分布特征及碰撞特征的影响规律。结果表明:采用考虑颗粒相互作用的点颗粒法模拟时,在不同颗粒尺寸条件下,斯托克斯数为1.5时会出现富集现象。

垂直简谐激励下颗粒阻尼耗能特性的仿真研究

在垂直简谐激励下,通过控制激励水平和激振频率,利用软球模型(通常称为离散单元体法,DEM)对颗粒阻尼器的耗能特性进行了三维数值仿真研究,而在控制激励水平时,不仅仅关注了振动加速度幅值,同时研究了振动速度幅值和位移幅值对颗粒阻尼器耗能特性的影响。仿真结果表明:在控制激励频率时,颗粒阻尼器的损耗功率随激励加速度幅值、速度幅值以及位移幅值的增加而增加;而在控制激励水平时,则发现了三种不同的规律:加速度幅值固定时,损耗功率随激励频率的增加而减小;速度幅值固定时,激励频率的变化对损耗功率的影响很小;而当位移幅值固定时,损耗功率随激励频率的增加而增加;在对颗粒阻尼两种不同的耗能机理的研究中发现摩擦耗能占总耗能的比例随激励幅值的增加而降低,冲击耗能占总耗能的比例随激励幅值的增加而增加。并通过与试验结果的对比,验证了仿真结果的正确性。

玉米秸秆粉料单模孔致密成型过程离散元模拟

为模拟粉碎后的玉米秸秆在单向受压状态下的力学行为,参照实际单模孔致密成型实验,建立了基于软球模型的秸秆粉料颗粒体系三维离散元模型,其约束边界条件与成型实验几何边界形态及尺寸一致。进行模拟分析时,颗粒接触模型的力学特性参数,如颗粒间法向刚度系数kn,切向刚度系数ks及摩擦系数μ,利用离散元模拟程序调试得出参数取值范围。将模拟得到的结果与实验测试数据进行比对与假设检验验证,结果显示数据一致性较好。得出离散元模拟时颗粒间力学特性参数最佳取值范围,分别为法向刚度系数（1.2~1.8）×104 N/m,切向刚度系数（0.8~1.3）×104 N/m,摩擦系数0.10~0.12。通过分析不同压缩位移、不同孔径以及不同锥角下的压缩与应力松弛曲线,建议成型模具孔径Φd=8 mm,锥角θ=45°,且应尽量增大压缩位移以防止秸秆成型块发生松散。离散单元法为研究玉米秸秆粉料致密过程力学行为提供了一种有效的分析手段。

颗粒流研究评述

颗粒流可看作一种颗粒间直接作用占优势的特殊两相流,它涉及自然界和工程实际中的许多流动问题,例如泥石流、雪崩、滑坡及固体物料的管道输送等,现阶段在国际上对颗粒流的研究正形成一个热点,而在国内这方面的工作才刚刚开始,本文在广泛收集资料的基础上对颗粒流研究现状作了全面的评述,内容包括颗粒流动现彖、实验研究、基本理论、数值模拟,颗粒流研究中的主要问题及将来的发展方向.

风沙跃移中颗粒与多粒径床面碰撞的数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日数值模拟方法,对风沙跃移中颗粒冲击多粒径床面的碰撞过程进行了数值计算。在模型中,对气相采用欧拉方法建立控制方程,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,颗粒间碰撞作用采用软球模型描述。计算结果表明该模型可以模拟风沙运动中颗粒冲击多粒径床面的动态运动过程。而且在多粒径非均匀床面上的颗粒起跳具有较大的随机性。这有助于进一步揭示风沙运动中颗粒碰撞起跳机理。

平行微通道内气体混合过程的DSMC模拟

研究微通道中的气体混合是了解气体在微尺度下相关行为的重要内容,并且对于涉及微尺度下化学反应如燃烧问题的探索具有重要意义。利用直接模拟蒙特卡罗法(direct simulation Monte Carlo,DSMC),采用变软球(variable soft sphere,VSS)模型,数值模拟了高度为1μm的平行微通道中不同壁面调节系数和不同隔板厚度下CO、N2两种气体的混合过程。结果表明:增大壁面调节系数不仅可以缩短混合长度,还可以使混合过程向上游推进;隔板厚度的存在使得隔板末端附近出现很小的非平衡回流区域,并促进混合过程的进行;隔板厚度的增加对气体分子向另一组分上游的扩散影响较小但会缩短混合长度。

煤矸颗粒在鼠笼式选择性分离装备中的动力学行为模拟

为研究鼠笼式选择性分离装备在不同滚筒结构情况下对煤矸破碎程度的影响,在软球模型的基础上利用颗粒流二维程序PFC2D建立了分离装备的离散元模型,并对颗粒在不同滚筒结构情况下的动力学行为进行模拟分析。结果表明:滚筒上均匀布置破碎杆数量为6时煤矸破碎程度适中,破碎杆数量为9时难以完成煤矸的破碎,而破碎杆数量为3时煤矸过度破碎。通过实验和模拟结果对比表明:实验结果与模拟分析结果相一致。

沥青混合料离析分析与模拟

由于级配、温度和施工等因素的影响，沥青混合料在施工过程会产生离析，碾压后形成的路面离析，从而导致各种路面早期病害现象发生．采用颗粒力学的软球模型理论分析颗粒在自重条件下的相互作用的运动规律，应用颗粒流程序模拟了沥青混合料在CA0．2，CA0．4，CA0．6和CA0．8的颗粒运动情况，在最佳沥青含量下拌和进行性能试验，试验结果表明，沥青混合料在CA0．4-CA0．6之间，压实比和离析势能指数分别存在一个最小值，与模拟结果一致．

Y型微通道内CO/O_2混合过程的DSMC模拟

研究微通道中的气体混合对于微尺度下非预混燃烧的探索具有重要意义.利用直接模拟蒙特卡罗法,采用变径软球模型,数值模拟了高度为1,μm的Y型微通道内CO和O2两种气体的混合过程.结果表明,气体混合过程主要发生在Y型微通道接合区;混合长度会随壁面温度的升高而减小,随入流速度的增大而增长;当支通道夹角较大时,夹角的变化对混合过程影响较小,而当支通道夹角较小时,混合效率将随夹角的减小而明显增强.

均匀人口鼓泡流化床的TFM及DEM模拟

分别运用双流体模型(TFM)及离散元模型(DEM)的软球模型,模拟了二维及三维实验尺度的均匀入口鼓泡流化床内的气固两相流动特性,其中TFM模型结合了气相κ-ε湍流模型,而DEM模型则结合气相κ-ε湍流模型或Smagorinsky亚网格涡黏模型(SGS)。通过对比本文模拟结果与他人实验及计算结果发现,TFM与DEM软球模型都能模拟出鼓泡流化床的特征流态,但DEM软球模型优于TFM模型,且采用不同湍流模型对计算结果影响不大,三维的模拟结果比二维的模拟结果更接近实验数据。