颗粒流数值模拟分析技术应用于土力学的教学改革探析

在新工科建设背景下,各大高校应及时引入先进的教学方法,改变传统单一的课堂讲授式教学模式。土力学是研究土体的渗流、强度及变形等特性的一门应用学科,土体的碎散性和土的三相组成特性使其在变形、强度等力学性质上都与连续固体介质有着本质区别。颗粒流数值模拟分析技术在非连续介质力学问题研究方面应用广泛,将颗粒流数值模拟分析技术引入土力学学科教学中,分析土力学的学科特点及教学现状,探讨颗粒流数值模拟分析技术在土力学教学中的应用,以激发学生的学习兴趣,帮助学生深入理解土力学学科内容,提高学生的观察能力和实践能力。

温室中颗粒肥搅拌器数值模拟及性能分析

针对我国农业用水较大、颗粒肥溶解不完全易对灌溉系统造成堵塞及混合液体混合不均等问题,设计一种新型混肥搅拌器。利用ANSYS对搅拌器的应力及模态进行分析;在FLUENT模块中,采用多重参考系(MRF)方法建立基础模型,利用欧拉方程与k-ɛ方程对混肥区域流场、流速和湍流动能进行模拟分析。结果表明:搅拌器变形区域主要集中在圆筒支撑上,其变形较小;搅拌器最低频率为30.536 Hz,外部激励与固有激励比值为1.7,则搅拌器与外部结构不会发生共振。对不同搅拌速度下的吸入及排出性能进行分析,对比搅拌器混合时间。当搅拌速度为800 r/min时,圆筒式搅拌器可表现出最优性能。

间隙模拟技术在贯流水轮机数值分析中的应用

介绍了间隙模拟技术,应用间隙模拟技术模拟桨叶轮缘与轮毂间隙的实际形状,并对贯流式水轮机桨叶间隙流动进行了模拟数值计算。以某电站为例,对电站转轮水力性能进行了数值计算和分析。与实况比较表明,间隙模拟技术能有效模拟内流道流动,并能准确计算协联工况点。

含粗颗粒矸石浆液流变性能分析及管道输送特性模拟

粗颗粒含量会显著影响充填料浆的流变特性和管道输送性能。本文对含不同矸石粗颗粒的矸石浆液开展了流变特性测试,并在此基础上进行了管道输送特性数值模拟。试验和数值模拟结果表明:随着矸石粗颗粒含量增加,细矸石粉颗粒自絮凝形成的絮网结构强度减弱,致使矸石浆液的屈服应力和塑性黏度降低。在管道输送期间,矸石浆液由不稳定流逐渐向结构流过渡,较多的粗颗粒含量诱导结构流的形成时间向后推移。此外,粗颗粒含量显著影响矸石浆液的体积分数分布,含较少粗颗粒的矸石浆液均质性更高,而过多的粗颗粒则导会致管道底部淤积、聚集大量颗粒,浆液的均质性明显降低易引发堵管事故。依据压力降获得的矸石浆液沿程阻力损失随粗颗粒含量的增加而降低。综合考虑粗颗粒对矸石浆液流变性、稳定性、体积分数分布和沿程阻力损失的影响,推荐粗颗粒含量应不高于30%。

基于流-热-固耦合分析的数值模拟及结构优化

为解决等径T型管路应力过大问题,提出一种基于流-热-固耦合分析方法的优化方法对等径T型管结构进行优化。首先,基于流、固力学理论建立T型管多场耦合的数学模型和物理模型,对T型管内流体的速度温度变化情况和管路的等效应力的分布情况进行仿真模拟,在仿真结果的基础上对管路进行结构优化。仿真结果表明:冷热流体的压力差会导致流体产生逆流现象,从而导致管路的上游区等效应力值增大。等径T型管的最大等效应力值出现在主支管交汇的下游内壁面处。优化后管路内壁面最大等效应力值下降约14%,可以有效地延长管路的使用寿命。该方法对提高气体管路设计的可靠性具有一定的实践意义。

桩-钢支撑支护基坑颗粒流数值模拟分析

针对桩-钢支撑支护形式的基坑工程,应用基于离散元理论的颗粒流软件PFC2D建立桩-钢支撑支护基坑颗粒流数值模型,对比分析有钢支撑和无钢支撑支护基坑开挖过程桩体水平位移、坑底隆起和接触力变化规律。结果表明:在有钢支撑支护的情况下,基坑开挖过程中桩体水平位移远小于无钢支撑支护的桩体水平位移;在基坑开挖过程中,第2、3道钢支撑起到了主要作用。

基于颗粒流数值模拟的饱和砂土流动性分析

给出了基于颗粒离散元模拟饱和砂土不排水循环三轴试验的模型和方法。基于计算结果,分析了模拟试样在循环荷载下的流动性及主要特征。结果表明,数值模拟得到的循环荷载下饱和砂土宏观动力响应与室内动三轴试验结果基本一致,控制应变幅值和有效固结压力对试样宏观动力响应的影响规律符合已有的认识;控制应变幅值对模拟试样的平均流动系数-孔压比关系曲线基本无影响,模拟试样的流动性演变与孔压状态相关;有效固结压力限制试样流动性的增长。验证了基于颗粒流细观模拟方法分析饱和砂土流动性的可行性。

基于颗粒流数值模拟的尾矿坝稳定分析

尾矿坝运行状态严重影响矿区安全与下游人民生命财产,对其稳定性进行定量分析至关重要。通过颗粒流模拟双轴试验,完成对构成尾矿坝土体细观力学参数和宏观力学行为匹配研究,在此基础上,建立尾矿坝稳定分析颗粒流数值模型。借助强度折减法和增加重力法分别得到尾矿坝稳定安全系数为2.1和2.3,均高于规范抗滑稳定最小安全系数1.15,判定该尾矿坝处于稳定状态。

颗粒流(PFC5.0)数值模拟技术及应用

版次:第一版出版时间:2018-08开本:小16开出版单位:中国建筑工业出版社标准书号:978-7-112【内容简介】本书是作者总结多年对颗粒流数值模拟技术的研究,著写完成的。本书具备专业性、实用性、可读性强的特点。全书主要内容包括:PFC5.0的基本特点与界面操作,PFC5.0基本命令与模型构建技术,奔向颗粒流高级应用的桥梁:FISH语言,伺服机制及数值试验实现技术,接触模型与参数标定方法研究,复杂岩土细观特征识别与随机重构技术,

自然崩落采矿法的颗粒流数值模拟

以自然崩落采矿法为研究对象,利用二维颗粒流数值模拟(PFC2D)的原理和方法,研究了自然崩落法矿体崩落规律.以某镍铜矿的地质条件及矿岩物理力学性质为依据,采用数值模拟的方法分析了自然崩落法的崩落规律.结果表明:PFC2D模型在分析自然崩落过程中力学机理的同时,能有效地模拟自然崩落法采矿过程,并且能直观地给出矿体在崩落过程中各种参数的具体形态变化.利用PFC2D模型预测该镍铜矿自然崩落法初始崩落拉底半径为10m,连续崩落的拉底半径为22m,有效地指导该矿自然崩落法的放矿.

级配碎石力学性能的颗粒流数值模拟方法

为了从本质上揭示级配碎石组成结构与力学性能的内在关系,基于2维颗粒流软件提出了级配碎石力学性能的颗粒流数值模拟方法,并通过该方法以安康瀛湖石灰岩碎石为例研究了级配碎石的力学性能.结果表明：不同级配碎石的CBR（california bearing raio）、剪切强度和抗压强度的实测值分别为495%~692%,592~802kPa,1.29~1.54MPa;相应的模拟值分别为525%~736%,636~839kPa,1.34~1.54MPa;平均误差分别为4.50%,5.07%,5.15%.模拟结果与实测结果基本吻合,证明颗粒流数值模拟方法应用于级配碎石力学性能研究中的可行性.

颗粒流数值模拟的现状

介绍了颗粒物质与颗粒流的概念以及目前颗粒流数值模拟的现状;按照采用的模型是否连续,将模型分为:连续介质模型和非连续介质模型两类;着重介绍了非连续介质模型中的离散元法(DEM):硬球模型和软球模型.通过颗粒流的数值模拟,可以对料仓、固定床、移动床和流化床等设备的设计和操作进行优化,因此在工程中具有重要意义.

考虑破碎的堆石料颗粒流数值模拟

以双江口300 m级高土石坝为工程背景,根据有关资料的试验数据,利用二维颗粒流计算机仿真技术对堆石料在一定围压下的颗粒破碎情况进行了数值模拟,数值试样由2574个簇颗粒单元组成。数值模拟与室内平面应变试验结果对比表明,用选定的细观参数进行数值模拟与平面应变试验结果基本一致,说明用颗粒流方法进行数值模拟能够较好的再现堆石料的颗粒破碎特性。与室内试验相比,数值仿真模拟还能得到颗粒破碎的细观演化规律和破碎带的分布范围,从而为进一步建立考虑颗粒破碎的堆石坝本构模型,研究大坝填筑、水库蓄水过程以及地震情况下的颗粒破碎过程以及颗粒破碎所引起的坝体变形提供了一条途径。

基于颗粒流模型的TBM滚刀破岩过程数值模拟研究

为了研究全断面岩石掘进机(TBM)盘型滚刀的破岩机制及其影响因素,采用颗粒流方法建立了岩石与滚刀的二维数值模型,实现了对TBM滚刀破岩过程的模拟。分析表明,滚刀的破岩过程可分为冲击挤压破碎、大量微裂纹生成、张拉性主裂纹扩展3个阶段,证实了滚刀破岩的挤压-张拉破坏理论。在滚刀侵入深度相同的前提下,随着刀圈刃角以及刃宽的增加,滚刀下的压碎区也相应增大,张拉性主裂纹数目增多,滚刀的破岩能力提高;与平刃刀圈相比,楔刃刀圈的"楔块劈裂"作用更加显著,使径向裂纹扩展得更快且更深入岩石内部。TBM滚刀对强度较高或较低岩石的破坏损伤较小,而对中等强度的岩石破坏损伤最为显著。

撞击流气化炉内气固两相流动与颗粒附壁沉积数值模拟

对多喷嘴对置式气化炉内复杂的气固两相流动与颗粒附壁沉积进行3D数值模拟。采用Realizable k-ε湍流模型计算炉内气相湍流流场,应用Euler-Lagrange模型模拟气固两相流动,颗粒轨迹跟踪采用随机轨道模型。根据液态排渣气化炉本身特点,描述炉壁熔渣流的形成过程,建立适用于液态排渣气化炉的颗粒附壁沉积模型,模拟结果与实验值吻合较好。模拟结果表明,数值模拟再现了撞击流气化炉内分区流动的情况;射流撞击使颗粒在气化炉内分布较为均匀,撞击中心和撞击流股区域浓度略高;颗粒在炉壁沉积基本覆盖整个气化炉,不存在局部积渣;当气化炉操作压力达到4.0MPa时,渣口气流夹带颗粒量有所提高,气流流速的增大而提高,颗粒停留时间缩短,影响碳转化率。

土坡稳定分析的颗粒流模拟

边坡的失稳破坏运动是一个存在岩土体的滑动、平移、转动的复杂过程,具有宏观上的不连续性和单个块体运动的随机性。采用颗粒流模拟土坡的变形破坏全过程,不需要假定滑移面的位置和形状,颗粒根据所受到的接触力调整其位置,最终从抗剪强度最弱的面发生剪切破坏,因此离散元法是模拟边坡变形破坏力学行为的比较理想的途径。运用PFC(颗粒流)程序对砂性土坡和黏性土坡分别进行数值模拟,分析细观参数对土坡破坏型式的影响。结果显示,土性对边坡的破坏型式有很大的影响,随着颗粒黏性的增大,边坡破坏类型从塑性破坏向脆性破坏过渡。

尾矿坝变形细观力学机理的颗粒流数值模拟

以新建四川省盐源县平川铁矿黄草坪尾矿库为工程背景,通过堆坝模型试验与室内土工试验,获得尾矿坝干滩面几何特征、颗粒分布规律及尾矿力学性质。基于离散元理论,采用PFC2D数值模拟软件进行双轴试验,与土工试验结果对比,得到尾矿细观力学参数,并分析尾矿坝颗粒接触力分布、颗粒位移与坝体结构变形特征。结果显示:1)初期坝中颗粒间接触力较大,形成的力链大致呈45°倾斜向上;坝体尾矿颗粒接触力随着埋深的增加而增大,在基岩凸起处接触力较大且集中。2)初期坝颗粒位移不明显,堆积坝少数尾矿颗粒沿坡面向下滚动,具有较大位移;尾矿堆积坝存在较为典型的滑移面,滑移面上部区域颗粒位移较大。3)初期坝结构变化不明显,尾矿堆积坝中靠近初期坝内坡面附近结构变形显著。

撞击流中单颗粒运动行为的数值模拟

通过采用格子波耳兹曼方法模拟撞击流流场,采用拉格朗日法跟踪颗粒相,对单颗粒在撞击流中的行为进行了数值模拟,得到了不同Re数和不同喷嘴间距H与喷嘴高度W比值(H/W=1,2,4)时颗粒的运动轨迹图,以及颗粒在流场中的最大渗入深度和停留时间.同时,对颗粒在湍流撞击流中的运动规律也进行了初步探讨.计算结果表明,当H/W一定时,随着Re的增大,渗入深度变长,停留时间却变短;而当Re不变时,随着H/W的变大,渗入深度和停留时间都变长.

汽车绕流的数值分析及计算机模拟

本文简要介绍了汽车绕流数值分析的有关理论基础和计算机模拟几个重要问题 ,涉及基本方程、有限体积法的应用、交错网格系统及边界条件的处理等 ,并给出了应用算例。对有关计算的相应技术处理也进行了探讨。

砂土中单桩静载室内模型试验及颗粒流数值模拟

通过自行设计的可视化模型箱,进行了单桩静载室内模型试验,考虑了不同桩径、不同土体密实度等影响因素,研究了单桩的沉降模式、桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥性状及随沉降的发展模式,并通过拍摄跟踪和图像处理技术,研究了桩端和桩周土体的孔隙率的变化规律;对二维颗粒流程序进行开发,模拟了单桩静载过程中桩端阻力和桩周土体孔隙率的变化情况。结果表明,颗粒流数值模拟能够较好地模拟单桩静载过程,研究成果进一步揭示了单桩静载过程的宏细观机制。