基于DEM的多粒度分布圆柱体颗粒剪切流的机理分析
发布时间：2021-08-14 14:44
一些颗粒材料如生物质燃料或活性药物成分的颗粒通常具有较大的长径比。这些细长的颗粒可以在较大外力作用下发生破碎成为较短的颗粒,而具有不同长径比的颗粒材料常呈现多粒度分布的状态。本文旨在通过离散单元法（DEM）在三维恒定体积的计算域内对圆柱体颗粒的剪切流动进行数值模拟。在双粒度和高斯分布的两种颗粒（有摩擦和无摩擦）体系中,研究颗粒的尺寸差异,颗粒浓度,尺寸分布以及颗粒物性参数对流动行为和应力本构关系的影响,进而为工业生产中的复杂颗粒问题（如航天,制药,水电等领域）提供理论基础。本文旨在研究多粒度柱状颗粒混合物的剪切流动,在流动过程中不考虑颗粒的破碎。主要研究内容和结论如下:（1）在颗粒表面无摩擦的情况下,对双粒度分布和高斯分布的颗粒流进行剪切模拟。在双粒度分布系统中,其中一种颗粒组分体积的比例增加将导致体系的应力朝着该种颗粒的单粒度应力方向发展。而在高斯分布系统中,应力对于颗粒长度分布的变化不敏感。同时,由于混合物中颗粒的相互作用,相比单粒度环境下,较长颗粒的取向一致性减弱,而较短颗粒的取向一致性增强。（2）在颗粒表面有摩擦的情况下,对单粒度分布,双粒度分布和连续分布的颗粒流进行剪切模拟。...
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
在钢球形成颗粒堆的过程中，颗粒系统表现出了固体、液体和气体不同状态共存的现象（ForterreandPouliquen,2008）
基于DEM的多粒度分布圆柱体颗粒剪切流的机理分析12过y方向上应用的线性x速度分布Cx(y)=γ·(y-yc)来驱动的。在流动过程中，剪切速率γ=2U/D，其中U即为剪切边界处的颗粒速度，D为顶部和底部剪切边界之间的距离。图2.1由AR=1和AR=6组成的，固体体积分数为0.4的双粒度分布颗粒剪切流(C=50%)Figure2.1.ShearflowprofilewithabinarymixtureofcylindricalparticlesAR=1andAR=6,solidvolumefractionis0.4(C=50%).2.2.2粒度分布在目前的工作中，共选择了三种类型的粒度分布：单粒度分布、双粒度分布和连续（高斯和均匀）分布的颗粒混合物。在对两种双粒度分布进行配置时，从之前针对单粒度剪切流已有的研究结果出发(Guoetal.,2012b;2013)，首先选择了组分形状相对接近的AR=2和AR=4的颗粒混合物。接着为了探究颗粒形状差异对混合物流动和应力的影响，又选择了组分形状差异更大的AR=1和AR=6的颗粒组成的混合物。在双粒度混合物中，较长（即AR较大）的颗粒在总的颗粒体积中所占的百分比C被设置为25%、50%和75%。在多粒度分布中，选择了生活中十分常见且具有代表性的高斯分布。其中，不同尺寸分布的颗粒系统平均长径比ARave均设为4，其计算公式如下：ARave=∑VkARknk=1∑Vknk=1(2-6)其中k为AR=k的颗粒在系统中的总体积。为了研究连续分布中尺寸分布变化对流动影响，系统中颗粒长径比的标准差被定义为颗粒混合物的离散度δ。如图2.2所示，由平均长径比进行标准化后的离散度δ/ARave分别被设定为0.1、0.2、0.3。此外，在有摩擦的颗粒剪切流中还设置了一个线性的均匀分布，即混合物中每种颗粒组分的总体
2数值模型和数值方法13积相等，其标准化离散度δ/ARave为0.355。表2.2列出了固体体积分数为0.5时各种粒度分布下的颗粒数。(a)(b)图2.2高斯分布和线性分布中，基于体积的颗粒概率密度分布P(AR)，AR范围为2~6和1~7，红色符号表示模拟中使用的颗粒长径比Figure2.2.Gaussiandistributionsofparticleaspectratio,AR,spanning2-6(a)and1-7(b).TheprobabilitydensityP(AR)isdeterminedbasedonthevolumefractionsofparticlespeciesinthewholemixture.Redsymbolsdenotetheparticleaspectratiosinsimulations.表2.2固体体积分数为=0.5时，数值模拟中使用的颗粒数Table2.2Numbersofparticlesusedintheshearflowsimulationsatthesolidvolumefraction=0.5粒度分布AR=1AR=2AR=3AR=4AR=5AR=6AR=2和AR=4的双粒度分布C=25%02460041000C=50%01640082000C=75%08200123000AR=1和AR=6的双粒度分布C=25%49800000280C=50%33000000560C=75%16600000830高斯分布δ/ARave=0.100901490500δ/ARave=0.207050082030020δ/ARave=0.3028053056032090均匀分布δ/ARave=0.3550656438328262219
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于离散元法的颗粒破碎模拟研究进展[J]. 徐琨,周伟,马刚,常晓林,杨利福. 岩土工程学报. 2018(05)
[2]岩土类颗粒物质宏-细观力学研究进展[J]. 孙其诚,程晓辉,季顺迎,金峰. 力学进展. 2011(03)
[3]三峡永久船闸高边坡开挖三维离散元数值模拟[J]. 李世海,高波,燕琳. 岩土力学. 2002(03)
[4]颗粒流的动力学模型和实验研究进展[J]. 吴清松,胡茂彬. 力学进展. 2002(02)
博士论文
[1]基于多尺度湍流运动重构的风沙流模拟及粉尘空间分布研究[D]. 柳丽.兰州大学 2019
[2]玉米秸秆力学特性的离散元建模方法研究[D]. 张李娴.西北农林科技大学 2017
[3]干砂和饱和砂性土中盾构开挖面稳定数值和离心试验研究[D]. 汤旅军.浙江大学 2014
[4]基于离散元法的改性砂卵石土体的流变性能研究[D]. 张檑.中国地质大学(北京) 2014
本文编号：3342657
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
在钢球形成颗粒堆的过程中，颗粒系统表现出了固体、液体和气体不同状态共存的现象（ForterreandPouliquen,2008）
基于DEM的多粒度分布圆柱体颗粒剪切流的机理分析12过y方向上应用的线性x速度分布Cx(y)=γ·(y-yc)来驱动的。在流动过程中，剪切速率γ=2U/D，其中U即为剪切边界处的颗粒速度，D为顶部和底部剪切边界之间的距离。图2.1由AR=1和AR=6组成的，固体体积分数为0.4的双粒度分布颗粒剪切流(C=50%)Figure2.1.ShearflowprofilewithabinarymixtureofcylindricalparticlesAR=1andAR=6,solidvolumefractionis0.4(C=50%).2.2.2粒度分布在目前的工作中，共选择了三种类型的粒度分布：单粒度分布、双粒度分布和连续（高斯和均匀）分布的颗粒混合物。在对两种双粒度分布进行配置时，从之前针对单粒度剪切流已有的研究结果出发(Guoetal.,2012b;2013)，首先选择了组分形状相对接近的AR=2和AR=4的颗粒混合物。接着为了探究颗粒形状差异对混合物流动和应力的影响，又选择了组分形状差异更大的AR=1和AR=6的颗粒组成的混合物。在双粒度混合物中，较长（即AR较大）的颗粒在总的颗粒体积中所占的百分比C被设置为25%、50%和75%。在多粒度分布中，选择了生活中十分常见且具有代表性的高斯分布。其中，不同尺寸分布的颗粒系统平均长径比ARave均设为4，其计算公式如下：ARave=∑VkARknk=1∑Vknk=1(2-6)其中k为AR=k的颗粒在系统中的总体积。为了研究连续分布中尺寸分布变化对流动影响，系统中颗粒长径比的标准差被定义为颗粒混合物的离散度δ。如图2.2所示，由平均长径比进行标准化后的离散度δ/ARave分别被设定为0.1、0.2、0.3。此外，在有摩擦的颗粒剪切流中还设置了一个线性的均匀分布，即混合物中每种颗粒组分的总体
2数值模型和数值方法13积相等，其标准化离散度δ/ARave为0.355。表2.2列出了固体体积分数为0.5时各种粒度分布下的颗粒数。(a)(b)图2.2高斯分布和线性分布中，基于体积的颗粒概率密度分布P(AR)，AR范围为2~6和1~7，红色符号表示模拟中使用的颗粒长径比Figure2.2.Gaussiandistributionsofparticleaspectratio,AR,spanning2-6(a)and1-7(b).TheprobabilitydensityP(AR)isdeterminedbasedonthevolumefractionsofparticlespeciesinthewholemixture.Redsymbolsdenotetheparticleaspectratiosinsimulations.表2.2固体体积分数为=0.5时，数值模拟中使用的颗粒数Table2.2Numbersofparticlesusedintheshearflowsimulationsatthesolidvolumefraction=0.5粒度分布AR=1AR=2AR=3AR=4AR=5AR=6AR=2和AR=4的双粒度分布C=25%02460041000C=50%01640082000C=75%08200123000AR=1和AR=6的双粒度分布C=25%49800000280C=50%33000000560C=75%16600000830高斯分布δ/ARave=0.100901490500δ/ARave=0.207050082030020δ/ARave=0.3028053056032090均匀分布δ/ARave=0.3550656438328262219
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于离散元法的颗粒破碎模拟研究进展[J]. 徐琨,周伟,马刚,常晓林,杨利福. 岩土工程学报. 2018(05)
[2]岩土类颗粒物质宏-细观力学研究进展[J]. 孙其诚,程晓辉,季顺迎,金峰. 力学进展. 2011(03)
[3]三峡永久船闸高边坡开挖三维离散元数值模拟[J]. 李世海,高波,燕琳. 岩土力学. 2002(03)
[4]颗粒流的动力学模型和实验研究进展[J]. 吴清松,胡茂彬. 力学进展. 2002(02)
博士论文
[1]基于多尺度湍流运动重构的风沙流模拟及粉尘空间分布研究[D]. 柳丽.兰州大学 2019
[2]玉米秸秆力学特性的离散元建模方法研究[D]. 张李娴.西北农林科技大学 2017
[3]干砂和饱和砂性土中盾构开挖面稳定数值和离心试验研究[D]. 汤旅军.浙江大学 2014
[4]基于离散元法的改性砂卵石土体的流变性能研究[D]. 张檑.中国地质大学(北京) 2014
本文编号：3342657
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