基于离散单元法对转子在颗粒物质中的阻力特性研究
发布时间：2021-01-29 23:30
颗粒物质具有典型的离散性与粒子作用的非线性耗散性,使其在不同外力作用下会表现出一些复杂而又独特的性质,呈现出丰富的物理内涵,近年来逐渐成为力学、物理学和诸多工程应用学科研究的重要前沿领域。静态堆积的颗粒物质通常会表现出明显的固态特性,系统具有一定的强度和抗剪切能力,当有物体在其内发生运动时,系统会发生屈服并产生局部流动,同时物体也会受到周围粒子的碰撞或摩擦而产生作用力,这明显不同于其在液体中受到的阻力或拖曳力。本学位论文主要针对物体在颗粒物质内部的旋转运动这一基础性问题,基于离散单元法及相应的多尺度统计方法,研究了颗粒物质内的转子在持续旋转时受到的阻力特性,分析了系统屈服后局部粒子的动力学行为,尝试建立了转子受到的阻力与相对深度的标度关系,在此基础上讨论了转子的形状、转速等因素对阻力特性的影响规律。论文主要工作如下:首先,建立了圆盘形转子在颗粒物质中绕轴旋转的离散动力学模型,系统定量地研究了转子与颗粒物质的相互作用过程,统计得到了从初始旋转到稳定阶段转子受到的扭矩的变化特征,分析了转子不同表面的受力特征及随时间的演化规律;在此基础上,进一步研究了埋入深度的变化对转子动力学特征的影响,讨...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
颗粒物质在(a)制药工程；(b)采矿工
兰州大学硕士学位论文基于离散单元法对转子在颗粒物质中的阻力特性研究4在漏斗中的间歇流动实际就是出口处拱结构不断破坏与重组的过程。6.压力凹陷现象在颗粒系统中粒子间的相互作用力层层传递，形成了强度与方向不同的力链结构[25-27]。这些力链分布决定着系统的内部压力传递和承载能力[28]。堆积形态相同的两个沙堆，其内部的力链结构有可能完全不同。已有研究发现，尽管沙堆底面中心处上方的沙粒最多，但在有些情况下该点处却承受着比周围其它点更小的压力，这就是所谓的“压力凹陷”现象[29]。实际上，沙堆生成的方式对此有决定性的影响。只有当沙粒从固定一点落下，以点源法形成锥形沙堆时，沙堆内会形成明显的拱结构，进而导致其底部产生明显的“压力凹陷”现象[30]。不同条件下颗粒物质往往会表现出很多复杂而又奇特的性质，这与颗粒物质的几个基本特性密切相关。首先，颗粒物质是由大量性质相同的固体粒子组成，系统内力以颗粒间的摩擦与碰撞为主，而实验与理论证明接触力的分布与颗粒系统形成的历史有关且存在记忆效应[30]。其次，由温度引发的分子热运动可忽略不计，若使用热力学方法来描述颗粒系统，难在温度的定义和计算。尽管有研究使用速度波动[31,32]及能量起伏[33]作为液化态、气化态的颗粒温度，但这种定义仍缺乏统一的认识。最后，单个粒子的平动、转动以及粒子间的碰撞变形都会发生能量的损耗，因此整个颗粒系统会呈现出典型的能量耗散特征。图1.2物体与颗粒物质相互作用的应用：(a)航行破冰；(b)机械碎石与传送；(c)螺旋打桩；(d)盾构施工(a)(b)(c)(d)
兰州大学硕士学位论文基于离散单元法对转子在颗粒物质中的阻力特性研究6静态系统内部接触较多，结构稳定且能承受一定的外力，这类系统较为常见；临界静态系统则处于二者之间，处于发生固-液相变之前的状态。静态系统中被广泛关注的一个典型问题是干燥无粘性颗粒堆体中的应力分布。L.Vane等人[30]实验发现沙堆内部静应力分布特征与其形成历史密切相关。图2.1中给出了点源法、落雨法形成的两种形状沙堆底部的实测压力值（沙堆左右部分具有对称性，仅展示右半部的结果），结果表明点源法形成的沙堆存在明显的“应力凹陷”，这种现象在锥形堆中更加突出。图2.1点源法制成的(a)锥形沙堆、(c)楔形沙堆，落雨法制成的(b)锥形沙堆、(d)楔形沙堆以及底部垂向压力沿径向的分布[30]。为分析沙堆内部的应力分布方式，研究人员从不同的角度建立了很多唯象理论模型。Wittmer等[36,37]提出极限平衡模型(IFE)，此模型假定每一颗粒的位置在沙堆崩塌前不变且各切面的静摩擦力处于最大值，但该理论的计算结果推断堆底部中点处正应力最大，不能解释压力凹陷现象。Bouchaud,CatesandClaudin三人提出BCC模型[38]，该模型假定堆体内部各点的水平应力与垂向应力为比例关系，推断正应力最大值位于沙堆中心附近。Wittmer等继续提出了固定主轴模型(FPA)，该模型认为沙堆形成过程中的崩塌使内部出现类似于帐篷的应力分布，这与Edwards的拱结构解释模型[24]相似，与实验结果有较高吻合度。然而，该模型的基础性假设也受到质疑[39]，并不适用于无压力凹陷的情况。随后出现的切应力模型[40]则关注了切应力强度与压力凹陷的关系。除沙堆的应力分布问题外，颗粒物质在柱形筒仓中的堆积问题（通常称为粮仓系统问题）被广泛关注并得到了很多有意义的成果。粮仓效应最早由英国学者?
本文编号：3007799
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
颗粒物质在(a)制药工程；(b)采矿工
兰州大学硕士学位论文基于离散单元法对转子在颗粒物质中的阻力特性研究4在漏斗中的间歇流动实际就是出口处拱结构不断破坏与重组的过程。6.压力凹陷现象在颗粒系统中粒子间的相互作用力层层传递，形成了强度与方向不同的力链结构[25-27]。这些力链分布决定着系统的内部压力传递和承载能力[28]。堆积形态相同的两个沙堆，其内部的力链结构有可能完全不同。已有研究发现，尽管沙堆底面中心处上方的沙粒最多，但在有些情况下该点处却承受着比周围其它点更小的压力，这就是所谓的“压力凹陷”现象[29]。实际上，沙堆生成的方式对此有决定性的影响。只有当沙粒从固定一点落下，以点源法形成锥形沙堆时，沙堆内会形成明显的拱结构，进而导致其底部产生明显的“压力凹陷”现象[30]。不同条件下颗粒物质往往会表现出很多复杂而又奇特的性质，这与颗粒物质的几个基本特性密切相关。首先，颗粒物质是由大量性质相同的固体粒子组成，系统内力以颗粒间的摩擦与碰撞为主，而实验与理论证明接触力的分布与颗粒系统形成的历史有关且存在记忆效应[30]。其次，由温度引发的分子热运动可忽略不计，若使用热力学方法来描述颗粒系统，难在温度的定义和计算。尽管有研究使用速度波动[31,32]及能量起伏[33]作为液化态、气化态的颗粒温度，但这种定义仍缺乏统一的认识。最后，单个粒子的平动、转动以及粒子间的碰撞变形都会发生能量的损耗，因此整个颗粒系统会呈现出典型的能量耗散特征。图1.2物体与颗粒物质相互作用的应用：(a)航行破冰；(b)机械碎石与传送；(c)螺旋打桩；(d)盾构施工(a)(b)(c)(d)
兰州大学硕士学位论文基于离散单元法对转子在颗粒物质中的阻力特性研究6静态系统内部接触较多，结构稳定且能承受一定的外力，这类系统较为常见；临界静态系统则处于二者之间，处于发生固-液相变之前的状态。静态系统中被广泛关注的一个典型问题是干燥无粘性颗粒堆体中的应力分布。L.Vane等人[30]实验发现沙堆内部静应力分布特征与其形成历史密切相关。图2.1中给出了点源法、落雨法形成的两种形状沙堆底部的实测压力值（沙堆左右部分具有对称性，仅展示右半部的结果），结果表明点源法形成的沙堆存在明显的“应力凹陷”，这种现象在锥形堆中更加突出。图2.1点源法制成的(a)锥形沙堆、(c)楔形沙堆，落雨法制成的(b)锥形沙堆、(d)楔形沙堆以及底部垂向压力沿径向的分布[30]。为分析沙堆内部的应力分布方式，研究人员从不同的角度建立了很多唯象理论模型。Wittmer等[36,37]提出极限平衡模型(IFE)，此模型假定每一颗粒的位置在沙堆崩塌前不变且各切面的静摩擦力处于最大值，但该理论的计算结果推断堆底部中点处正应力最大，不能解释压力凹陷现象。Bouchaud,CatesandClaudin三人提出BCC模型[38]，该模型假定堆体内部各点的水平应力与垂向应力为比例关系，推断正应力最大值位于沙堆中心附近。Wittmer等继续提出了固定主轴模型(FPA)，该模型认为沙堆形成过程中的崩塌使内部出现类似于帐篷的应力分布，这与Edwards的拱结构解释模型[24]相似，与实验结果有较高吻合度。然而，该模型的基础性假设也受到质疑[39]，并不适用于无压力凹陷的情况。随后出现的切应力模型[40]则关注了切应力强度与压力凹陷的关系。除沙堆的应力分布问题外，颗粒物质在柱形筒仓中的堆积问题（通常称为粮仓系统问题）被广泛关注并得到了很多有意义的成果。粮仓效应最早由英国学者?
本文编号：3007799
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