基于计算流体力学-离散单元法的U形管冲蚀磨损数值模拟研究

采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)和切向撞击能模型(SIEM)来研究气固两相流中高速煤粉颗粒冲击导致的U形弯管冲蚀磨损问题。分析了颗粒粒径、气体流速、固体颗粒形状对其冲蚀磨损特性的影响,并验证粗粒化模型应用于此磨损过程的准确性。结果表明,U形弯头的冲蚀磨损位置主要有3处;磨损率随粒径的增大呈现整体减小的趋势;U形管拱背磨损率随气速的增加而增大,且前2处磨损率峰值位置随气速的增加向入口方向偏移;长椭球对U形管造成的磨损最严重,扁椭球次之,球形最轻;粗粒化CFD-DEM能够基本准确预测U形管冲蚀磨损,且显著降低计算时间。

基于连续-离散方法的微波照射下花岗岩力学行为与破裂特征

微波辅助破岩具有绿色、低能耗等优点,是有望实现深部煤炭资源开发中硬岩地层高效掘进的技术手段,其机理引发了工程与学术界的关注。基于花岗岩组分矿物微波吸收升温差异,借助连续介质微波电磁分析及离散元力学模型,实现了微观矿物温度离散赋值,提出了微波照射下花岗岩力学性质的计算分析方法,从温度场分布、力学性质和破坏形态验证了方法的可靠性,揭示了微波照射下花岗岩破裂规律、单/三轴加载条件下的力学行为及破裂机制。计算结果表明:(1)微波照射下,试样出现2个相对低温区域和1个热点区域。在低照射功率(≤2 kW)情况下,试样内部裂纹数量极少;高照射功率(≥3 kW)下,试样内部裂纹以晶粒边界拉伸破坏为主导逐渐发育,并以热点区域为中心向四周延拓形成裂纹网络。(2)对于单轴压缩,试样峰值应力、弹性模量和损伤阈值均随照射功率增加而降低,在高照射功率(≥3 kW)下,力学参数跌落更加明显;当照射功率较高(≥3 kW)时,微波照射后初始裂纹主导了受载试样的裂纹演化,试样呈现沿初始裂纹扩展趋势并出现显著的局部破坏。(3)对于三轴压缩,随照射功率增加,初始围压对试样强度提升效果越发强烈;低照射功率(≤2 kW)下,弹性模量随围压变化不明显,高照射功率(≥3 kW)下,初始围压对弹性模量的提升格外显著;随照射功率增加,围压促进了破碎颗粒的继续承载及应力传递,试样破坏由晶间破坏主导向晶内破坏主导转变,进而引发裂纹网络充分发育,抑制了高功率(≥3 kW)照射产生的局部结构集中破坏。

交叉裂隙岩体裂纹扩展试验及混合有限-离散元数值模拟研究

对预制交叉裂隙岩石试样进行裂纹扩展试验,研究了裂纹萌生、扩展、聚合过程,分析了主裂隙和轴向载荷夹角及主次裂隙夹角对裂纹起裂应力和聚合应力的影响,并用混合有限元-离散元程序,即图形处理器并行化的3D Y-HFDEM代码对试验进行了仿真计算,实现了岩石破坏从连续介质向非连续介质的过渡,对裂纹类及损伤破坏模式进行了识别,捕捉到了试验中难以发现的现象。研究表明:随主裂隙与轴向载荷夹角增加,裂纹聚合区的拉伸裂纹数量增加;裂纹起裂和聚合应力与主裂隙与轴向载荷夹角成正比;主次裂隙夹角增加,岩石的破坏模式由拉伸破坏转为剪切破坏,交叉裂隙加剧岩石破碎程度;主裂隙尖端萌生扩展的拉伸-剪切混合裂缝引起的破坏在岩石破坏中占主导地位,是导致岩体失去承载能力的主控裂纹;混合有限元-离散元仿真软件GPGPU并行化的3D Y-HFDEM IDE在岩石裂纹扩展研究中具有优势,可以捕捉实验室难以发现的损伤断裂类型,可以作为岩石裂纹扩展研究的有力工具。

黏土岩中水泥锚固体滑脱的有限-离散元模型初探

锚固体与围岩有效黏结是保证锚杆(索)系统正常工作的重要前提,为研究黏土岩内水泥锚固体在拉拔荷载作用下的滑移脱黏机理,开展黏土岩三轴试验、黏土岩-水泥砂浆界面直剪试验和水泥锚固体拉拔的物理模型试验,基于有限-离散元方法(FDEM),建立黏土岩-水泥砂浆的二元体模型,对水泥锚固体拉拔过程进行模拟。研究表明:黏土岩黏聚力小于黏土岩-水泥砂浆界面的切向黏结强度,低法向压力时二元体的剪切破坏多为黏土岩的剪切破坏,但黏土岩内摩擦角较大,高法向压力下界面抗剪强度低于黏土岩,二元体剪切破坏逐渐转变为界面脱黏;考虑剪切失效的双线性黏聚力模型在模拟软岩破坏时是适用的,而二元体黏结界面更适合通过黏结-摩擦模型模拟;水泥锚固体拉拔失效过程可分为黏结变形阶段,界面脱黏阶段,剪胀咬合阶段和滑移阶段4个阶段,界面脱黏后,锚固体附近黏土岩的剪切破坏也是导致锚固失效的重要因素,剪胀咬合阶段的咬合力决定了锚固体的峰值抗拔能力。研究结果对于软岩地区锚固结构设计有一定的指导作用。

基于变分贝叶斯的连续-离散最大相关熵CKF算法

针对纯方位目标跟踪中测量噪声协方差未知和非高斯测量噪声突变问题,提出了一种平方根连续-离散变分贝叶斯最大相关熵容积卡尔曼滤波(SRCD-VBMCCKF)算法。将目标跟踪模型建立为连续状态空间-离散测量空间模型,提高了目标跟踪的解算精度;由变分贝叶斯准则对未知的时变测量噪声进行估计,提升了算法的自适应性;考虑到测量中出现的非高斯突变噪声,由最大相关熵准则构建抗差因子,进一步增强了算法对异常测量值的鲁棒能力。仿真结果表明:所提算法能够对测量中的未知时变噪声和非高斯重尾突变噪声有效抑制,且相比于传统滤波算法,所提算法兼具自适应性和鲁棒性。

基于连续-离散容积信息滤波的发电机状态估计方法

针对机电暂态过程中发电机动态状态难以精确估计问题,提出一种基于连续-离散容积信息滤波的动态状态估计方法。首先建立能准确刻画发电机实际运行动态的连续-离散状态估计模型,然后利用1.5阶泰勒展开将随机微分方程转换为随机差分方程并根据三阶球半径容积规则对状态预测值进行精确计算,最后利用测量值对预测状态进行修正得到精确状态估计值。四机两区发电机系统的仿真结果表明,相较于传统发电机状态估计方法,文中方法不仅具有更高的估计精度、更强的鲁棒性和可接受的计算开销,而且具有易扩展于分布式电力系统状态估计的灵活性。

基于连续-离散耦合的边坡稳定性分析研究

以河北省某露天铁矿边坡为工程背景,采用连续-离散耦合数值分析方法,对典型边坡断面进行分步开挖,结合强度折减法,计算分析坡体的变形规律和受力特征。连续、离散网格区域分别采用有限差分FLAC和颗粒离散元PFC进行建模,着重从连续-离散模型的数据一致性,剪应变增量的形成、发展与局部位移的关系,连续-离散介质受力与位移过程,离散体细观破裂与坡体塑性变形等方面,对边坡稳定性的耦合分析方法进行研究,从宏观和细观角度对边坡的失稳机制进行了较为全面的探索。结果表明:(1)计算过程中坡体应力和位移在连续域和离散域保持了较高的一致性,连续-离散耦合分析方法适用于边坡稳定性研究;(2)作为边坡失稳判据的剪应变增量变化过程主要受岩土体水平位移控制;(3)细观破裂机制可有效表征边坡的宏观塑性变形;(4)土体颗粒接触力链的方向改变是土体位移和变形的驱动因素。

层状软岩隧道围岩破坏的连续-离散耦合分析

为了研究层状岩体中隧道开挖后围岩的破坏机理,以汶马高速鹧鸪山隧道为例,基于离散元-有限差分耦合算法,建立了一种新的层状软岩隧道开挖模拟方法,采用该方法对不同地应力场、层理间距等因素影响下围岩的破坏模式进行了数值模拟.研究结果表明:隧道开挖后,应力重分布导致强度较低的层理面首先发生滑移及张开破坏,岩体的滑移及张开使得应力场受到进一步扰动,导致层间岩体产生拉裂破坏;同种水平应力条件下,随着侧压力系数的减小,岩体产生的微裂纹不断增多.当侧压力系数为1.00、0.80、0.67、0.57、0.50时,微裂纹总数分别为304、391、602、999、1 240;当层理间距为0.6 m时,层理对围岩破坏形态起控制作用;随着层理间距从0.6 m增加至1.2 m,层理对围岩破坏模式的控制作用减弱,围岩的破坏形态与均质围岩相似.

鼓泡流化床流动特性的欧拉-离散单元方法模拟

利用欧拉 离散单元方法对气固射流流化床内的流体动力学特性进行了数值模拟.在模型中把气相作为连续介质处理,采用欧拉方法建立其动量及质量守恒方程;对固体颗粒相则采用属于拉格朗日范畴的离散单元方法(DEM)模拟;气固两相之间的相互作用采用DiFelice经验关系式反映.利用该模型模拟了流化床内初始阶段的气固两相流动特性.此外,由于气泡特性对流化床的流化质量具有重要的影响,故利用频谱分析理论对床内的模拟压力信号时间序列进行了分析,得出了在几个典型入口气速下的气泡统计生成频率.数值模拟结果与有关实验结果定性一致.

基于联合有限元-离散元的混凝土重力坝破坏三维仿真模拟

水利工程中混凝土重力坝在地震等作用下的三维破坏形式以及破坏过程对大坝安全影响重大。本文建立了固体材料的联合有限元-离散元(Combined Finite-Discrete Element)三维数学模型,并引入Single/Smeared断裂损伤模型,模拟混凝土材料的破坏。数学模型经验证后,用于地震作用下混凝土重力坝破坏的三维数值模拟,结果表明,联合有限元-离散元方法能够有效模拟坝体的破坏模式和破坏阈值条件,且具有将坝体连续变形与不连续断裂有机结合的优点。通过一系列数值模拟工况的对比,分析了模型网格分辨率对破坏条件、破坏模式以及程序计算效率的影响,研究结果能够为大坝的抗震设计提供有价值的参考。

基于改进连续-离散无迹卡尔曼滤波的水下航行器故障诊断

针对连续非线性系统的参数估计问题,提出了改进的连续-离散无迹卡尔曼滤波算法。该算法结合系统状态和参数的估计均值和协方差阵,通过构建控制系统的无迹状态矩阵,并对无迹状态函数积分获得预测无迹状态阵,再经过均值解算和估计更新,获得参数的估计值。然后,针对水下航行器连续非线性控制系统的故障诊断问题,将水下航行器执行机构的故障,以比例系数和附加参数的形式表达在控制系统的状态空间方程中,通过采用改进的连续-离散无迹卡尔曼滤波算法,估计故障数据,实现执行机构的故障诊断。最后,在水下航行器回坞仿真实验中,采用该算法有效估计出执行机构故障,验证了算法的可行性和有效性。

基于联合有限-离散元法的混凝土重力坝地震破坏过程仿真

许多工程和科学问题都涉及从连续介质到非连续介质的转化。混凝土坝遭遇强烈地震导致坝体严重受损就是一个典型的例子。为了预测强震下混凝土坝的动力响应,需要采用一套合适的数值方法进行从连续介质到非连续介质转化的数值模拟,从而实现结构破坏的全过程数值仿真分析。应用联合有限-离散元法结合弥散式旋转裂缝模型分析了地震作用下混凝土重力坝动力破坏过程。数值计算结果得出的最终破坏形态与模型试验结果基本一致。

基于有限元-离散元耦合矿石强度在微波照射下变化规律研究

针对以往研究中有限元无法模拟裂纹开展以及离散元无法考虑试块中微波不均匀性的问题,采用有限元-离散元耦合方法模拟微波弱化矿物的过程,监测模型中强度、温度、裂纹变化情况,根据强度变化分析黄铁矿粒径、含量及微波功率对强度弱化效果的影响。结果显示,微波可以有效降低矿物强度;黄铁矿粒径、含量对微波弱化矿物效果的影响不大,微波功率对弱化效果有着重要影响;矿物强度降低主要发生在一段时间内。结果表明:有限元-离散元耦合方法可以更加准确地描述微波辅助矿物解离情况;微波辅助矿物解离可以用于含不同粒径、不同含量黄铁矿的矿物解离,提高微波功率、选择合适的照射时间可以有效提高能量利用效率。

基于连续-离散混合模型的船舶推进轴系纵向振动动力吸振分析

以直接传动形式的船舶推进轴系为研究对象,基于连续-离散混合模型,开展推进轴系纵向振动动力吸振设计分析。采用直接法和模态叠加法计算比较推进轴系在螺旋桨脉动推力下的频率响应,识别出第1阶模态是优势模态。结合Lagrange方程和模态展开定理推导出推进轴系连续-动力吸振器离散混合模型的动力学方程,采用动力调谐优化方法对动力吸振器进行优化设计,在优化状态下讨论动力吸振器的控制效果和参数影响规律。分析结果表明:动力吸振器安装位置应尽可能接近螺旋桨端,以减小动力吸振器动力参数值;第1阶共振线谱的减振效果与动力吸振器安装位置无关,仅取决于其质量比。

2-D连续-离散系统的迭代学习控制

研究2-D连续-离散系统的迭代学习控制问题.针对系统不同的输出形式,基于P型学习律和D型学习律构建得到迭代学习控制律,利用迭代收敛原理,证明这2种学习律都能使得系统的输出跟踪误差沿迭代轴方向收敛.

基于数字图像技术的岩土材料有限元-离散元分析

将数字图像技术与Munjiza提出的有限元法-离散元法(FDEM)耦合分析方法结合,研制了可表征岩石真实非均质性的FDEM分析系统,为从细观角度对岩体进行建模以及研究岩体的破裂机制提供了新途径。该系统借助数字图像技术从岩石断面的图像获取岩石材料的真实细观结构,借助成熟的网格剖分技术,将其映射到FDEM计算网格中,从而克服了原有FDEM在考虑材料非均质性所存在的不足。利用该系统,进行了巴西圆盘劈裂试验的数值模拟,再现了花岗岩在荷载作用下的真实破裂过程。数值模拟结果表明,考虑非均质性的岩样应力分布呈现出非对称性,岩石的细观结构对岩石中裂纹的扩展及应力分布有重要影响。

自适应有限元-离散元算法、ELFEN软件及页岩体积压裂应用

该文介绍流体-固体-断裂耦合分析的自适应有限元(FE)-离散元(DE)算法,引进一款新近基于该方法研发的数值计算软件ELFEN,并将其应用于页岩分段体积压裂的三维数值计算和机理分析。该方法引入有限元应力恢复的超收敛拼片恢复(SPR)法,获得应力的超收敛SPR解,利用SPR解估计常规有限元解的误差,通过裂纹尖端局部区域的自适应网格重划分获得高精度应力解答并得以有效描述裂纹动态扩展,形成分析策略和求解方案。数值算例表明该算法和软件分析流体-固体-断裂耦合作用下单一、多水平井分段体积压裂的可靠性、有效性和实用性。

基于OpenMP的二维有限元-离散元并行分析方法

Munjiza提出的有限元-离散元耦合分析方法(FEDM)是分析岩石破裂过程的一种十分有效的方法。然而,为了克服网格依赖性,需要将岩体剖分成非常细小的三角形单元,且三角形单元之间不共用节点,导致问题的变量数目巨大,计算非常耗时。为了提高计算效率,基于OpenMP(open multi-processing)多核并行技术实现了有限元-离散元法的并行化,克服了并行化过程中存在的数据竞争,实现了并行程序的负载平衡。提出了一套将串行程序并行化的策略,即首先确定串行程序的热点区域,然后尽可能地将热点区域并行化,尽量使用私有变量来规避数据竞争;若各线程间仍存在数据竞争,可采用动态链表数据结构,先将数据存于动态链表中,最后在并行区域外,将存于各个动态链表中的数据进行合并,这样可以规避数据竞争,同时避免了使用临界区或锁,从而提高了程序的并行化效果。开发了并行版本FDEM程序,将所提出的方法用于大规模工程问题的求解,最后通过陡崖塌落的算例说明该方法的有效性。

基于三维连续-离散耦合方法在边坡稳定中的应用

以西南山区某高速公路路基边坡为背景,对三维连续-离散耦合技术在路基开挖与支护上的应用进行了探索,结果表明:将连续-离散耦合技术应用到三维工程岩土体开挖与支护是可行的,耦合域的位移和应力数据保持了较高的连续性;以实验室宏观力学参数为基准,以连续域和离散域应力和位移场一致性为目标,是细观参数标定可行的方法;根据挡土墙材料上部受拉及边坡失稳情况下滑坡位置处拉剪破坏次序等细观机理,提出上部加密锚索并跨越冲剪破坏不利位置的支护方案,为以后的类似工程提供借鉴经验。

间断级配砂土渗流侵蚀现象的计算流体力学-离散元耦合模拟

渗流侵蚀会导致土体中土颗粒的随水流流失,改变土体力学和水力特性,工程中常引起土石坝的变形甚至破坏。利用流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM),针对广泛存在于坝基、土石坝滤芯以及油气井反滤层中的间断级配砂土,对其级配进行合理简化后研究其在水力作用下的渗流侵蚀特性。通过8组模拟向上渗流试验研究了水力梯度、试样所受围压以及细粒含量对间断级配砂土渗流侵蚀过程的影响。试验中监测了细粒流失质量、细粒流失率、土表位移、微观组构变化等宏微观现象,并与既往室内试验进行了对照验证。同时,对渗流前后土体进行了排水剪切试验,研究渗流侵蚀对土体抗剪强度的影响。试验结果表明,在数值模拟试验条件下初始细粒含量变化对于细粒流失质量、峰值细粒流失率、土表位移及渗流前后的力学特性影响较试验中围压与水力梯度的影响更为显著。通过对微观组构的分析,发现不同细粒含量的试样在渗流过程中接触网络的构成与变动差异较大,细粒含量在35%的阈值附近,会发生土体力链传递结构的转换。三轴结果表明,细粒流失还会导致土体峰值强度降低、50%强度处的割线模量E50减小。