基于改进颗粒簇单元的卸粮宏细观机理模拟

传统PFC模拟卸粮均采用单一ball单元模型,不能准确反映小麦等不规则粮食卸粮过程中的宏细观力学机理。本研究建立了由clump单元和ball单元组成的改进颗粒簇单元,以室内卸粮物理模型试验为基础进行数值计算,并和传统模型的模拟结果进行对比分析。研究表明:(1)在宏观仓壁压力方面,改进颗粒簇单元模拟所得结果与传统ball模型相比,误差降低了17.9%;(2)在颗粒细观结构方面,改进模型的颗粒堆积孔隙率下降了3.07%,而配位数增大了27%,模拟误差降低了3.12%;(3)改进模型接触力数量增加了96.3%,接触力链分布更均匀密集,能清晰反映瞬时拱此消彼长的动态变化。本研究建立的改进颗粒簇单元提高了模拟的准确度,能客观反映卸粮过程的侧压力、颗粒结构、细观力学参数动态变化。

颗粒簇增强金属基复合材料的细观力学行为

基于SiC/Al基复合材料中的SiC颗粒簇周期性排布假设,通过三维有限元体胞方法,探讨了不同堆积形式下的颗粒簇微结构对基体材料中热残余径向应力的分布,所得结果对于深入理解金属基复合材料的损伤过程有参考价值.

基于LBM水力裂缝中支撑剂颗粒团簇升阻力系数研究

水力压裂中,裂缝壁面对支撑剂团在狭窄裂缝中输送沉降时的受力有重要影响。该文基于LBM建立颗粒流动数值模型,构建星型、三棱柱型、长方体型颗粒团簇模型,研究颗粒团簇在不同雷诺数Re、颗粒团簇与壁面相对距离H/d下的升阻力变化规律。结果表明:壁面影响下,随Re的增大,颗粒团簇的曳力系数、升力系数均减小,且壁面方向升力系数总小于无壁面方向的结果;单颗粒曳力系数与团簇平均曳力系数的比值随Re的增加而减小,随壁面边界效应的影响而增大;不同位置的颗粒曳力系数比值表现为前排颗粒减小、中间颗粒先增大后减小、近壁面颗粒逐渐增大。随H/d的增大,颗粒团簇远离壁面,边界影响减弱,曳力系数减小程度逐渐减弱;前排及近壁面颗粒曳力系数比值与升力系数随之减小;远壁面颗粒逐渐靠近壁面,曳力系数比值增大。壁面边界效应会加剧近壁面颗粒受力,且外侧颗粒对内部颗粒受力有屏蔽作用。

纳米颗粒调剖剂的制备、表征及其聚集封堵特性

研究提出了分散注入-原位聚集封堵的思路,以苯乙烯和丙烯酰胺为聚合单体,研制出一种表面含有酰胺基团且具有核壳非均质结构的纳米颗粒调剖剂,通过向油藏中注入粒径远小于油藏孔喉尺寸的纳米颗粒,将分散于地层水中的纳米颗粒移至油藏深部后,与预先注入到地层中的调控剂相接触,聚集成与水窜通道尺寸相匹配的颗粒簇,实现对水窜通道的封堵。制备的纳米颗粒热分解温度可达300℃以上,能够适用于高温油藏,并且纳米颗粒膨胀倍数小于2.0,可有效避免膨胀倍数过大导致的运移过程中剪切破碎的问题。封堵实验表明,纳米颗粒注入性良好,注入压力与注水时几乎无差别,纳米颗粒与预先注入的聚集调控剂混合后聚集成颗粒簇调剖剂,能够对岩芯孔喉进行有效封堵,在0.1μm 2岩芯中,纳米颗粒聚集堵率大于80%。

用于多巴胺选择性电化学检测的多孔Fe-N-C纳米颗粒簇

多巴胺(DA)是人类神经系统的神经递质之一,也是诊断多种神经疾病的重要生物标志物,因此,快速准确地检测DA浓度受到广泛关注。本文以普鲁士蓝(PB)为前体制备了一种多孔Fe-N-C纳米颗粒簇,将其修饰在玻碳电极(GCE)表面,发现该修饰电极在使用线性扫描伏安法(LSV)和差分脉冲伏安法(DPV)时能够有效地降低尿酸(UA)和抗坏血酸(AA)的电化学氧化响应,而不影响DA的电化学氧化反应,并能够将三者的氧化峰有效分开,从而可以实现对DA的选择性电化学分析。研究结果表明,在含有高浓度的UA(100μmol/L)和AA(100μmol/L)的DA混合溶液中使用LSV检测DA,分段线性范围可以达到5~100μmol/L和100~700μmol/L,灵敏度分别为8.32×10^(-2)和3.44×10^(-2)A·(mol/L)^(-1),检测下限为5μmol/L。

磁控溅射法制备金团簇纳米颗粒及性能表征

采用磁控溅射法制备金团簇纳米颗粒,用透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、紫外可见光分光光度计(UV-Vis)和X射线光电子能谱(XPS)等分析手段对其表征,研究了金团簇纳米颗粒的形貌、颗粒度、结构、光吸收性质及物质成份。研究结果表明:制备的金团簇纳米颗粒呈球形,平均粒径在10 nm左右,粒径分布均匀,无团聚、氧化现象,颗粒的结构为面心立方。在519 nm处出现团簇颗粒的表面等离子共振吸收峰,测试得到Au(4f7/2)和Au(4f5/2)电子的结合能分别为83.3 eV和86.9 eV,并且没有出现金的氧化产物。

均匀电场中颗粒簇偶极矩的确定

置于均匀电场中的一簇球形颗粒，由于其内部的相互作用而耦合在一起．这致使簇的感应偶极矩与簇的几何结构，大小以及颗粒的介电常数等参量有关．试图通过已知的链的偶极矩确定任意大小长方结构的簇的偶极矩．假定颗粒链可以被具有同样偶极矩的一个等效介质球代替，并将具有空间结构的颗粒簇处理成面结构簇，再将面结构简化成一个颗粒链，从而确定簇的偶极矩．在这一过程中，通过不断增加等效球的尺寸，将颗粒间的相互作用包含在簇的偶极矩中．数值分析了立方结构簇的偶极矩。

银团簇纳米颗粒的制备及其光吸收谱性质

采用自悬浮定向流技术制备银团簇纳米颗粒,理论分析了银团簇的成核机理与影响因素,实验研究了制备条件和工艺。结果表明:惰性气体的冷却效率、气体流速和压强、金属熔球的温度和大小是控制颗粒尺寸大小及分布的关键条件,制备粒径小于10 nm的团簇颗粒须采用氦气为载流气体;团簇颗粒流速越大,颗粒粒径越小,尺寸分布越窄,但颗粒生成数量越少。性能表征说明:制备的颗粒呈较规则的球形,为面心立方结构,分散均匀,表面纯净无氧化,粒径分布窄。理论与实验研究了银团簇纳米颗粒的光学吸收谱性质,证明表面等离子共振吸收峰与颗粒的尺寸有很强的相关性,随着颗粒尺寸的减小,由于量子尺寸效应,吸收峰将发生宽化和蓝移。

Ar离子轰击对金纳米颗粒团簇的影响

利用兰州重离子加速器国家实验室电子回旋共振离子源(ECRIS)原子物理平台,观测了200nm金膜基底上的金纳米颗粒经288keV的40Ar12+离子束轰击后的熔化及再生长情况,通过原子力显微镜(AFM)表征和理论分析发现轰击后金纳米颗粒团簇首先熔化为单个金原子,然后自组装生成尺寸更大但尺寸不一的纳米颗粒,表明可在室温下控制纳米颗粒的尺寸。

银纳米团簇颗粒局域表面等离激元增强荧光

采用基于磁控等离子体团簇束流源的低能团簇束流沉积在石英衬底上制备了银纳米团簇颗粒,并测量了其透射光谱.将二氧化硅荧光纳米球分别分散在裸石英片和有银纳米团簇颗粒的石英片上,用波长为410 nm的激光激发,结果表明有银钠米团簇颗粒的荧光发射强度与没有银纳米团簇颗粒的荧光发射强度相比,增强倍数达5.3倍.最后,用Mie散射理论数值计算单个银纳米球颗粒在其表面等离激元共振位置处的电场强度分布,据此对实验结果进行了合理的解释.

簇颗粒形态对堆石料破碎三维颗粒流数值模拟的影响

以颗粒流软件PFC^(3D)为工具,通过平行粘结键将若干刚性单颗粒体绑定为具有不规则轮廓的簇颗粒,建立不同形态簇颗粒,模拟堆石料可破碎骨料,分析三维情况下簇颗粒形态对模拟堆石料应力应变特性以及颗粒破碎的影响,数值模拟试验结果表明:与室内三轴试验的结果相比,在相同的细观参数条件下,不同形态簇颗粒的数值模拟试验结果呈现出较大的差异,说明簇颗粒的形态对数值模拟结果有较大的影响;粒径比的改变对数值模拟效果也有一定影响,随着粒径比的增大,颗粒破碎率明显增大,剪切峰值强度以及残余强度有所降低。

颗粒粒径和相互作用对凝胶颗粒团簇硬度的影响

食品质构是食品的物理和结构特性的感官响应,直接影响饮食的过程和感官愉悦。食品凝胶因其特殊和多变的软固体质构特性,常以破碎团簇的形式作为吞咽障碍患者的吞咽辅助食品。本研究以凝胶为对象,以硬度为主要质构指标,探索凝胶破碎后形成凝胶颗粒团簇的硬度与原凝胶强度、凝胶颗粒粒径、破碎凝胶颗粒之间相互作用的关系。结果表明,随凝胶颗粒粒径减小,凝胶颗粒团簇硬度呈快速线性下降趋势;随原凝胶强度和破碎凝胶颗粒之间相互作用力的增强,颗粒团簇硬度呈增大趋势。研究结果为凝胶类食品,尤其是吞咽辅助凝胶食品的开发和质量控制提供了理论支持和依据。

全断面隧道掘进机滚刀破岩机理的细观研究

【目的】现有全断面隧道掘进机滚刀破岩数值模拟研究通常集中于宏观层面,关注载荷、岩碴和比能等观测指标,因此,加强对TBM滚刀破岩机理的细观研究具有重要意义。【方法】针对新疆引额供水二期输水工程喀双段遇到的花岗岩,使用颗粒离散元方法,构建平刃滚刀竖向侵入硬岩二维仿真模型,研究了刀下压密区及其附近岩石中的颗粒接触对数与链环分布规律,探讨了链环分布和维数变化与岩石裂纹发展之间的关系。【结果】1)接触链环的维数变化直接影响着刀下压密区细观结构,进而影响着滚刀破岩效果;2)当接触链环维数从低到高变化时,刀下压密区承载能力下降;3)高维接触链环空隙面积增大引起了压密区扩容;4)接触链环维数从低到高的变化是裂纹萌生的内在原因。【结论】本研究揭示了TBM滚刀破岩过程中岩石破碎的细观机理,可为TBM滚刀设计与掘进参数优化提供理论支撑。

考虑破碎的堆石料二维颗粒流数值模拟

堆石料在外力作用下极易发生破碎,基于单颗粒破碎机制,依靠生成的颗粒簇单元克服刚性圆形颗粒模拟堆石料颗粒不能破碎的缺陷,采用线性接触模型建立堆石料颗粒破碎的数值模型。模拟室内平面应变试验,分析堆石料在整个加载过程中内部接触力、微裂纹和各种能量的变化,探讨堆石料颗粒破碎的内在机制。研究表明:颗粒簇生成的数值试样通过内部黏结力断裂更能真实反映堆石料颗粒破碎;堆石料颗粒破碎首先发生在大粒径和接触力较大的颗粒,并逐步向最大压应力方向发展,最终试件内部产生剪切破裂滑动面;在整个加载过程中,堆石料的剪切微裂纹数大于拉伸微裂纹数,颗粒破碎主要以剪切破坏为主,峰值点附件产生大量颗粒破碎;小变形情况下,总输入能以弹性应变能的形式储存在颗粒簇内部颗粒间接触,大变形情况下,弹性应变能以储存-释放的形式转换其他形式耗能,并导致其他形式耗能增加。研究成果可为研究堆石坝体变形提供参考。

考虑不同颗粒形状的PFC^(3D)砂土直剪试验模拟研究

针对纯圆形颗粒在模拟土工直剪试验中的缺陷,以砂土直剪试验为研究对象,基于PFC^(3D)颗粒流程序,以纯圆颗粒为基本形状进行二次开发,利用FISH语言编程,引入了由pebble构成的块体(clump)单元,建立了哑铃形和椭圆形两种不同颗粒形状的簇颗粒,对纯圆颗粒及簇颗粒进行直剪试验模拟对比,并分析了颗粒初始配位数与内摩擦角的关系以及不同颗粒试样的体积变化规律,从细观上描述了不同形状颗粒的空间活跃程度。结果表明:颗粒形状直接影响着数值模拟的精度,椭圆形颗粒的吻合度最高,哑铃形颗粒次之,圆形颗粒较差,椭圆形颗粒较纯圆颗粒的精度提高了7.05%;簇颗粒的初始配位数相比纯圆颗粒较大,其试样表现出较高的强度和稳定性;颗粒形状对试样体积变化有着显著影响;纯圆颗粒的空间活跃程度较为明显,簇颗粒则相对稳定。该研究可为土工试验模拟在颗粒选择及模拟方法上提供一定的参考。

基于微流控技术的双颗粒体散射函数测量实验研究

本文通过流体力学及COMSOL等仿真软件分析,以PDMS为材料,设计制作了用于捕获两个球形颗粒样品的微流控芯片,并基于光电倍增管(PMT)和电动位移平台,搭建了角度扫描式大动态范围散射光测量装置。该系统可以快速捕获两个球形颗粒,在颗粒捕获后对微流控芯片内沟道与外轮廓进行折射率匹配,持续测量实际捕获颗粒的1°至170°的散射光。对23.75μm、31.10μm、40.01μm三种粒径的聚苯乙烯标准颗粒样品进行了实验研究,并多次重复测量同一粒径双颗粒的散射光分布。基于微流控芯片的双颗粒体散射函数测量方法可以稳定的捕获、释放双颗粒,实验操作简单且具有较好的重复性,在颗粒物体散射函数研究方面具有很大的潜力。

新疆某工程粗粒料颗粒破碎大型三轴试验数值模拟

以新疆某工程为研究背景,依据该工程的相关资料,应用三维颗粒流数值仿真技术对筑坝材料在一定围压下的破碎情况进行模拟。将数值模拟结果与室内实验结果进行比对分析,发现模拟实验与室内实验结果数据基本一致,说明应用三维颗粒流仿真技术可以很好的再现粗粒料的破碎特性。结果表明:在荷载加载初期,轴向应变较小时颗粒破碎量较小,加载后期剪切带形成后,破碎颗粒增多,且由剪切带处逐渐向两极扩展;破碎率与围压呈线性关系,随着围压的增加,颗粒破碎率有所提高;分析在加载过程中,簇颗粒内异性黏结键变化得知颗粒破碎以剪切破坏为主。

滚刀-高移速水射流耦合切削极硬花岗岩试验与模拟研究

目前,全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀与高压水射流耦合破岩研究中,水射流切槽大多由低移速水射流切割而成,这与实际情况下耦合在TBM刀盘上的高移速水射流所制备的切槽不同,进而影响滚刀-水射流耦合破岩结果的可靠性。针对上述问题,采用2种喷嘴直径(0.5 mm和0.7 mm)、3种移速(1.8,2.4和3.0 m/s)的高移速水射流,耦合小尺度TBM滚刀(刃宽为2.3 mm和直径为43.2 mm),对极硬花岗岩进行切削试验,研究不同切削模式下的岩石破碎效果、滚刀法向力以及破岩比能的变化规律,同时开展全尺度滚刀与高移速水射流切槽耦合破岩的数值模拟,作为小尺度破岩试验的补充。研究结果表明:高移速水射流切槽的底长和高度随喷嘴直径的增大而增大,随喷嘴移速的增大而减小;在共轨破岩试验中,小滚刀下方岩石被高移速水射流部分移除,导致破岩载荷和破岩效率降低;在错轨破岩试验中,当小滚刀与水射流切槽间距大于15 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果趋于消失,当间距为12 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果最显著,破岩比能比纯滚刀切削降低68%;由于高移速水射流切槽小、滚刀刃宽大,导致切槽对滚刀破岩的辅助效果很小。为提升高移速水射流辅助TBM滚刀破岩效果,建议提升水射流的切割能力从而提升切槽深度,适当减小滚刀刃宽从而提升滚刀贯入岩石的能力,适当减小滚刀与切槽间距从而发挥切槽临空辅助破岩作用。

骨料剪切荷载下颗粒破碎耗能研究

粗粒料多采用爆破开采方式,外力作用下易产生颗粒破碎。应用PFC颗粒流离散元数值模拟方法,通过平行黏结键将若干刚性单颗粒绑定为一个具有不规则外形的大颗粒体,用以克服刚性圆球形颗粒模拟粗粒骨料不能破碎的缺陷。给定连接键法向、切向连接强度,模拟粗粒料在大型三轴试验中颗粒破碎过程;改变簇颗粒组合形式,构造不同可破碎性土体颗粒,探讨颗粒破碎对系统能量耗散影响。研究结果表明:输入系统总能绝大部分被摩擦耗能所耗散;破碎率对破碎耗能的影响不大,对摩擦耗能有一定的影响;簇颗粒弹性应变能变化取决于颗粒轮廓形式,簇颗粒轮廓类圆度越低,其弹性应变能峰值越高,随着轴向应变的变化,不同轮廓颗粒的应变能相差不大。

基于离散元法的铁路道床力学特性

道砟外形复杂,其几何形态对道床力学行为有显著影响,为揭示道砟模拟方法对道床力学行为的影响规律,针对道砟外形极不规则、咬合作用强的特点,采用自编算法建立了能模拟真实道砟外形的颗粒簇.基于离散元法,分别建立了基本球道砟和颗粒簇道砟的三维道床-轨枕空间模型,分析循环荷载下两种道床的接触力、配位数、道床应力和振动加速度的差异.结果表明,相同循环荷载下,颗粒簇道床比基本球道床最大接触力小769N,平均接触力小10 N,说明颗粒簇接触力幅值范围更小,分布更a均匀;基本球配位数在1.0～3.2范围内周期变化,颗粒簇配位数在5.3～6.1范围内周期变化,说明颗粒簇间的接触点更多,接触状态更稳定;颗粒簇道床顶部振动加速度和应力比基本球道床的分别小0.26g,16 kPa,说明颗粒簇能反映道砟间的咬合作用,保持道床的整体受力性.