基于离散元法的级配特征对颗粒柱坍塌的流动性影响研究

为了研究不同级配特征对颗粒柱坍塌流动性的影响规律,采用标准差描述级配曲线,构建不同级配特征试样以开展颗粒柱坍塌离散元数值试验,分析了不同级配特征颗粒柱的迁移率和归一化堆积高度,并着重从平均配位数和能量的角度阐明了颗粒柱具有高流动性的原因。研究结果表明:当纵横比小于临界纵横比时,颗粒柱坍塌的方式以滑动为主;反之,以倾倒为主;当标准差小于0.2时,颗粒柱的迁移率和归一化堆积高度逐渐减小。矮柱工况下归一化耗散能随标准差增加而增加;而当纵横比小于1.0时,平均配位数随标准差增加而呈现递减趋势。随着标准差增大,颗粒柱坍塌过程中耗散能降低,而平均配位数随之增加,阐明了流动性随之增加的细观机制。

考虑颗粒级配和形态的颗粒柱坍塌特性离散元模拟

颗粒形态和级配情况等是影响碎屑颗粒流(如滑坡、泥石流、岩崩等)运动的重要因素。基于沃洛诺伊镶嵌原理的随机生成方法创建了不同长细比不同级配的多面体颗粒,引入势粒子算法用于考虑颗粒间的接触作用,根据室内试验确定了离散元接触模型的各项参数,对考虑级配和形态的颗粒柱坍塌特性开展数值试验,研究结果表明:(1)颗粒柱的归一化堆积高度随颗粒的长细比和中值粒径d_(50)的减小而减小,归一化跑出距离则随其减小而增加。(2)堆积过程中不同工况的相对静止角α为61.49°~64.99°,且变化规律与归一化堆积高度变化一致。(3)不同工况的归一化能量耗散为27.1%~35.5%,且转动动能仅占平动动能的8.20%~9.05%。(4)归一化动能和颗粒配位数呈现负相关的关系,归一化动能达到峰值时颗粒配位数也达到最小值。(5)崩塌过程中强力链一般分布在滑动堆积体的中下部区域,形成力链传递的"拱效应"。中值粒径d_(50)和长细比增大会减少强力链的数量,接触力传递的路径少而集中,从而限制颗粒在堆积过程中的运动。

层状颗粒柱体崩塌-堆积过程研究

碎屑流具有高速度、冲程远、危害范围广等特点,颗粒粒径被认为是影响其运动距离的重要因素之一。为了对碎屑流进行有效的预测和防范,基于单面临空下不同分层堆积模式颗粒柱体的一系列崩塌运动物理试验对其崩塌-堆积过程进行了研究。结果表明:不同分层堆积模式颗粒柱体崩塌后,颗粒的堆积层序和试验前颗粒初始堆积层序保持一致;崩塌后的颗粒堆积层序和试验前颗粒初始堆积层序有关;不同粒径的颗粒相互间运动时,粒径较小的颗粒填充到大颗粒间的空隙之中,并起到润滑作用;颗粒柱体在单面临空面方向崩塌时,颗粒运动方向呈放射状,堆积平面形式是“圆形态”;分别以d 7颗粒为顶层和d 13颗粒为顶层时,d 7颗粒最远堆积长度比d 13的高约6.3%;顶层颗粒(d 7颗粒)运动能力越强,则最终的堆积范围越大,底层颗粒(d 13颗粒)的运动能力,对整个堆积体最终堆积范围影响相对较小。上述规律可应用于层状危岩体崩塌过程及其颗粒堆积范围的研究。

基于离散元模拟的二元颗粒柱坍塌特性研究

常见的地质灾害如滑坡、泥石流、岩崩等通常都涉及不同形状的颗粒物质运动,这些形状不同的颗粒又多具有不同的尺寸和含量。基于典型的颗粒柱坍塌试验,首先根据试验方法确定了离散元模拟所需的各项参数,然后采用随机多面体方法生成了可控制长细比的大颗粒,利用离散元法就不同大颗粒含量下形态变化对二元颗粒柱坍塌特性的影响开展研究,研究结果表明:(1)利用离散元法可以较好地重现室内试验中小球和多面体组成的二元颗粒系统的颗粒柱坍塌过程;(2)在不同长细比的不规则大颗粒和小球组成的二元颗粒柱系统中,当大颗粒含量高于临界含量值20%时,二元颗粒柱坍塌持续的时间随非球形大颗粒长细比的增加而增加;(3)在不同长细比的不规则大颗粒和小球组成的二元颗粒柱中,当大颗粒含量高于临界含量值20%时,在相同百分比的大颗粒含量下,大颗粒长细比的增加会提高大颗粒平均配位数以及降低颗粒的运动能力,大颗粒间形成更强的互锁作用,降低了颗粒柱的整体流动性,使其最终堆积高度更高、最大跑出距离更短以及更小的归一化动能峰值。(4)在不同长细比的不规则大颗粒和小球组成的二元颗粒柱中,小颗粒可以较为明显降低大颗粒间摩擦及互锁作用,增加流动性,降低大骨料形态对坍塌过程的影响。

不同堆构条件下颗粒柱有效质量的涨落

利用静态颗粒特性实验仪研究了不同堆构条件下颗粒柱有效质量的涨落.发现当只有一种颗粒堆构时涨落随着颗粒柱与颗粒的直径比的增大而减小,除此之外,当有不同颗粒堆构时涨落还随着不同大小颗粒的堆构位置而变化,可将这种现象的机理归结为颗粒柱中的颗粒数量的异同以及颗粒柱与限界之间摩擦力方向的不确定性.

颗粒柱坍塌运动与堆积特性的研究综述

通过总结国内外有关颗粒柱坍塌运动模型的研究成果,分析了颗粒柱初始空间形态特征、颗粒基本物理特性、模型边界及环境条件等因素对颗粒柱运动堆积特性的影响规律及作用机制.颗粒柱的运动距离和堆积高度与其初始宽高比之间存在显著的线性及幂函数关系,高、低颗粒柱坍塌运动模式和能耗机制差异显著.颗粒粒径、颗粒刚度、颗粒破碎与颗粒潮湿等因素对颗粒柱坍塌运动与堆积特性的影响规律已基本达成共识.不同的挡墙约束条件、由气体掺入导致的流态化现象以及水体环境影响下颗粒柱运动的堆积特征已有初步的研究成果.但是有关颗粒柱初始孔隙率、颗粒摩擦因数、挡墙摩擦因数对颗粒柱运动堆积特性影响的结论仍存在分歧.综观当前的研究成果,颗粒受力特性与运动机制存在内联关系,复杂颗粒形状、可侵蚀床面、颗粒密度和水动力条件等对颗粒柱坍塌运动与堆积特性的作用机理均是未来的研究重点.

颗粒柱崩塌过程中声发射信号研究

为研究山地区域的崩塌及后续形成的颗粒流灾害,对不同粒径与高宽比的颗粒柱开展了颗粒柱崩塌室内模型试验,分析了颗粒柱崩塌过程中的声发射信号与颗粒运动的动力学参数在时间上的变化趋势。结果表明:在直接监测的情况下,声发射信号的能量参数比计数参数更适合用于动力学分析;颗粒运动参数与能量具有良好的线性关系,随着颗粒运动速度的增大,能量变化速率随之增大;相应的,颗粒位移与累计能量也具有同样的对应关系,且在时间序列上均符合Boltzmann模型曲线;不同高宽比与颗粒粒径仅改变动力学参数与声发射信号的数值大小,不会影响它们之间的变化趋势。声发射信号曲线能够用于判定崩塌颗粒运动所处的阶段,对开展崩塌灾害监测评估具有重要意义。

颗粒材料柱体崩塌物质点法数值模拟

为了研究颗粒材料崩塌的运动规律和堆积特性,采用物质点法对颗粒材料柱体崩塌试验进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比验证。对颗粒材料柱体崩塌过程中颗粒的流动特性(滑动距离、堆积高度、速度、能量和动能通量的演化)进行了分析。进一步探究了颗粒材料柱体高宽比对颗粒流动能通量的影响,从而反应颗粒材料柱体崩塌过程中颗粒流的破坏能力。颗粒材料柱体高宽比越大,颗粒材料柱体外侧边缘颗粒速度越大,其溃散的程度更加强烈,并且滑动距离和动能均在增大。对于动能通量的分布,水平方向越靠近初始颗粒材料柱体,动能通量越大。

基于CFD-DEM方法与多孔介质模型的管式固定床反应器柱状颗粒床层特性研究

使用计算流体力学与离散元法(CFD-DEM)和多孔介质模型分别对管式固定床反应器进行数值模拟,讨论在不同装填方式与管径比条件下,柱状颗粒床层的堆积特性与单位压降变化规律,并对比两种数值模拟方法计算结果的一致性和计算效率。计算结果表明,混合装填方式比单一装填方式更容易使柱状颗粒床层达到稳定状态。在采用单一装填方式且管径比一定时,床层压降会随入口气速增大而增大,在实际应用中应选择合适的入口气速,以防止设备损坏。当采用混合装填方式时,床层截面压力波动显著减小20.63%,床层颗粒堆积更均匀。对比CFD-DEM与多孔介质模型的计算结果与效率,发现当颗粒雷诺数(Re_(p))小于229时,多孔介质模型与耦合算法得到的床层压降最大偏差为6.3%;当Re_(p)从229增大到458时,床层压降的偏差随Re_(p)增大而增大,最大偏差为13.4%,满足工程误差要求。在计算效率方面,使用多孔介质模型计算所需要的时间是CFD-DEM耦合算法的1320。因此,当管径比大于16.58、Re_(p)小于458时,多孔介质模型对于柱状颗粒床层计算的适用性和可靠性更高。

采用有机硅聚合物包膜硅胶颗粒键合金刚烷基高效液相色谱柱检测舒更葡糖钠有关物质

目的建立一种简单、快速、准确分析舒更葡糖钠有关物质纯度的检测方法。方法针对于舒更葡糖钠及其游离酸合成过程中的副产物或降解杂质,采用有机硅聚合物包膜硅胶颗粒键合金刚烷基高效液相色谱柱(ADME),以0.025 mol/L磷酸二氢钠水溶液(用1.5 mol/L磷酸调节pH至3.0)∶乙腈=83∶20为流动相A,乙腈为流动相B,流速为0.27 mL/min,检测波长为200 nm,柱温为40℃,进样量为2.5μL。结果在该色谱条件下,舒更葡糖钠有关物质分离完全,线性良好,精密度良好,回收率在84.70%~119.99%。结论该方法灵敏度高,准确可靠,安全环保,可用于舒更葡糖钠有关物质纯度检测。

层流搅拌槽内柱状单颗粒运动特性的研究

为了完善固液搅拌槽内非球形颗粒运动特性的基础数据,利用摄像法对带有圆盘桨的层流搅拌槽内柱状单颗粒的运动过程进行可视化实验,使用图像处理方法量化颗粒运动,分析了颗粒的尺寸对颗粒运动特性的影响,并采用基于格子玻尔兹曼方法的直接数值模拟解析颗粒运动和槽内流场。研究结果表明:颗粒净重力和颗粒周围流场分布共同影响颗粒临界悬浮所需的搅拌雷诺数和黏性Shields数;颗粒偏离槽底中心运动是颗粒悬浮前的必要步骤;由颗粒周围压力梯度引起的悬浮力是颗粒上升的重要原因;颗粒在桨盘底部区域的运动轨迹、颗粒-桨盘间距和运动跟随性受颗粒长径比的影响。

双柱状颗粒在线性剪切流场中的动力学分析

为研究柱状颗粒在线性剪切流场中的运动状态和受力情况,本文以颗粒长径比为2,颗粒之间的初始距离ΔSP y=4D为例,基于直接力浸入边界法数值模拟了双柱状颗粒在三维线性剪切流场中的运动过程。根据模拟结果分析了柱状颗粒周围流场参数分布,在考虑壁面对颗粒的影响和颗粒之间相互影响的条件下,研究了颗粒的受力和运动的变化,探索了流体曳力导致柱状颗粒迁移和转动的规律。研究结果表明,双柱状颗粒在线性剪切流场中易向速度大的流体区域运动;前后两颗粒运动状态和轨迹不同,颗粒之间距离较近时,曳力会产生较大的波动;只有当颗粒在壁面附近时,滞后颗粒才能追上领先颗粒,两颗粒发生牵引、翻滚和分离过程。

污水泵内颗粒通过性能及流动损失特性研究

为了研究柱状颗粒参数对污水泵内固液两相流动特性以及通过性能的影响规律,采用CFD-DEM耦合方法计算了离心泵内固液两相流动,基于熵产理论分析了不同颗粒物性条件下泵内的流动损失特性,并通过试验对其进行了验证。结果表明:柱状颗粒长径比、体积分数和密度影响了污水泵内颗粒的通过性能以及流动损失;固相浓度从1%增大至5%,泵的扬程降低1.97 m,效率降低2.2%,颗粒通过能力逐渐降低;颗粒密度从1000 kg/m^(3)增大至2500 kg/m^(3),泵的扬程降低1.63 m,效率降低3.76%,颗粒通过能力略有增强;在各工况下,总熵产变化规律与泵性能变化规律一致,高熵产区域主要集中在叶片进口边附近,说明熵产分析能够有效反映泵内的流动损失特性。研究结果可为污水泵的优化设计提供理论依据。

不同颗粒级配柱体堆积范围研究

碎屑流具有冲程远、危害范围大等特性,难以进行有效预测防范。颗粒级配被认为是影响碎屑流运动距离的重要因素之一。开展了一系列基于单面临空不同颗粒级配颗粒柱体崩塌运动的物理模型试验研究。结果表明:颗粒柱体崩塌后,颗粒运动斜向箱体外,水平板上的颗粒运动呈放射状,堆积平面形式为圆形态,颗粒静止轮廓可分别用抛物线、圆的方程拟合,效果较好;颗粒类型相同时,随着颗粒柱体高度的增加,崩塌后颗粒堆积成圆形态的圆心位置有沿着y轴向前移动趋势;颗粒柱体高度相同时,小颗粒的运动距离比大颗粒的运动距离远;颗粒粒径小时,松散堆积区范围小,颗粒的影响区域为密集堆积区范围;反之,颗粒的影响区域为密集堆积区范围+松散堆积区范围。试验研究成果对预测碎屑流堆积区范围具有一定的参考价值。

环柱形颗粒填充床传热参数

在一可同时测定轴向与径向温度分布的壁冷式固定床实验装置上 ,通过实验测定了球形、圆柱形和环柱形填充颗粒的径向有效导热系数和壁给热系数 .采用计及内、外环外表面积的颗粒等比表面积当量直径 ,将这些传热参数与Reynolds数相关联 .

粉煤灰沸石颗粒滤柱去除氮和磷的动态运行

利用粉煤灰合成沸石,研究了其在去除污水中氨氮和磷酸盐方面的应用.结果表明,合成沸石对废水中的氨氮和磷酸盐具有显著的脱除效果.对氨氮和磷酸盐的吸附净化均随时间增加而变化,但均在24h后基本达到平衡.随合成沸石投加量的增加,去除污水中氮、磷的效果越好,但在投加量为8g.L-1以上时去除率的增加明显放慢.合成沸石在pH为7～9时氨氮去除率最高,为60%以上,磷的去除相反,在pH为7～9时去除率最低,为85%左右.合成沸石对氨氮的吸附为放热反应,温度越高,氨氮去除率下降越明显;对磷的吸附为吸热反应,温度升高对合成沸石除磷有利.

基于CFD-DEM方法的柱状颗粒在弯管中输送过程的数值模拟

针对物料在气力输送过程中特别是弯管部分易破碎的问题,采用计算流体力学(CFD)和离散单元法(DEM)耦合模拟弯管内的柱状颗粒气力输送过程,对弯径比k分别为1、2、3、4、6的90°弯管内柱状颗粒的运动状态、碰撞特性、破碎原因及相关的力学特性进行研究。结果表明:球形颗粒与柱状颗粒在输送过程中遵循基本一致的变化规律,同样外部条件下,柱状颗粒的悬浮速度小于球形颗粒。当k=3时气力输送过程颗粒的破碎率最低。同时,颗粒与管壁的碰撞是造成颗粒破碎的主要原因。

颗粒活性炭柱与淹没式中空纤维膜过滤装置联用的试验研究

介绍了颗粒活性炭柱 淹没式中空纤维膜过滤装置联用 (GACC IHFMS)去除饮用水中污染物的试验研究。研究结果表明 ,两种装置都可充分发挥自身的优点 ,同时弥补对方的不足 ,使系统出水中检不出浊度 ,有机物及氨氮的去除率较高 ;但系统出水亚硝酸盐氮浓度较高是GACC IHFMS系统的一个不足之处。

环柱形催化剂颗粒尺寸对填充床传热参数的影响

在可同时测定轴向和径向温度的壁冷式固定床中测定了瓷环及两种不同尺寸环柱形环氧乙烷合成银催化剂颗粒的温度分布 ,利用所测实验数据对拟均相二维模型进行了传热参数计算。结果表明 ,随着环柱形颗粒内、外径比的增大 ,径向有效导热系数也得到了提高 ;由于低管径比条件下二维模型存在局限性和实验误差 ,壁给热系数有较大的分散性。

光学功率谱式柱形颗粒测径仪的研究

本文实现了用光学功率谱技术对柱形颗粒尺寸分布的测量。文中以柱形颗粒衍射理论为基础，建立了在与光束相垂直的平面内长度方向可随机取向的柱形颗粒群衍射的光学功率谱分布模型，并用环形光电探测器接收和累加多个随机取向的一维衍射光能。实验结果证明了测量原理是正确的，技术上是可行的。此仪器适用于商检、纺织行业对纤维细度的检测。