微胶囊在水泥净浆搅拌过程中的运动状态分析
发布时间：2022-01-06 14:31
微胶囊自修复技术是针对于混凝土的裂缝劣化、钢筋锈蚀等问题的一种有效的修复手段,在提高混凝土耐久性和使用寿命等方面都具有非常重要的意义。实现微胶囊自修复功能的前提是微胶囊在水泥基材料搅拌过程中保持完整性,而在硬化后,当裂缝扩展时发生破裂。本文通过计算流体动力学（CFD）-离散元（DEM）耦合方法分析微胶囊在净浆搅拌过程中的运动状态及受力分析,进而得到微胶囊在搅拌过程中的存活率。在净浆搅拌过程中,利用现有的实验手段无法准确的获取流体以及颗粒的运动状态,为解决这一问题,本文采用CFD-DEM耦合模拟的计算格式进行计算,并通过小球下落模拟及搅拌桶试验,验证了计算模型的可靠性,为后续的计算结果提供保障。本研究对微胶囊的运动状态从三个方面进行分析:（1）分析搅拌桶中拟净浆的流场变化,包括了净浆的速度场、压力场、湍流强度场;（2）分析搅拌桶中微胶囊的运动状态,包括颗粒的速度场、运动轨迹、流体力、压力、合力以及碰撞力;（3）通过微胶囊的破裂值估算出微胶囊在搅拌过程中的破裂率。发现微胶囊在净浆搅拌过程中受到流体力、合力以及切向碰撞力时对微胶囊破裂几乎没有影响,而受到的压力以及法向碰撞力的作用时容易导致其...
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微胶囊自修复Fig.1-1.Self-healingbasedonmicrocapsule
微胶囊在水泥净浆搅拌过程中的运动状态分析12图2-1.EDEM基本处理框架Fig.2-1.EDEMbasicprocessingframework2.2.1颗粒运动的控制方程离散元素法的基本思想是将研究对象划分为很多个独立的单元，根据单元之间的相互作用，采用动态或者静态松弛法进行迭代，计算确定在每一个时间步长内所有单元的受力和位移，并且实时的更新颗粒的坐标。通过对单个颗粒的微观运动可以得到颗粒运动状态。在离散元法中接触模型决定了颗粒的力和位移之间的关系，牛顿第二定律可以用于求解颗粒的位移、速度以及加速度。由于离散元素法是建立在牛顿第二定律和不同的接触模型上的，所以不同的接触模型对于颗粒的运动会有不一样的影响。（1）颗粒的运动方程颗粒的位移可以通过牛顿第二定律计算得到。颗粒受力包括了流体力，拖曳力，升力，浮力，颗粒之间碰撞力、颗粒和几何壁面之间的碰撞力以及颗粒所收到的旋转作用的力矩。根据牛顿第二定律可得，颗粒的运动方程以及由于旋转受到力矩方程如下所示：=+∑(,+,)+,+,+,=1（2-11）,=163（2-12）=∑(,+,)=1（2-13）其中是颗粒质量；是颗粒速度；颗粒重力加速度；,和,颗粒受到的法向力和切向力；,颗粒受到的拖曳力；,颗粒受到的升力；,颗粒受到的浮力;是颗粒直径；是颗粒密度；颗粒角速度；,和,分别是颗粒受到的法向和切向力矩；是由于旋转颗粒受到的力矩。（2）接触模型
微胶囊在水泥净浆搅拌过程中的运动状态分析13接触模型是描述颗粒单元之间接触力的计算，是组成离散元素重要的一部分。在EDEM软件当中内置了很多的接触模型，比如Hertz-Mindlin无滑动接触模型[58]、Hertz-Mindlin粘结模型[58]、Hertz-Mindlin热传导模型[59]、线性粘性模型[60]等，当然该软件也支持二次开发，通过API接口将自定义的模型进行导入。Hertz-Mindlin具有准确高效的计算性能，该模型成功的运用于各个领域。故本文采用此模型进行计算颗粒之间的接触力。接触力学模型又称为弹性-阻尼-摩擦接触力学模型，如下图2-2所示，可以将接触模型的计算分为法向力和切向力分别进行计算。图2-2接触力学模型：1-颗粒刚度（弹簧）；2-阻尼器；3-摩擦器Fig.2-2Contactmechanicsmodel:1-particlestiffness(spring);2-damper;3-friction（1）接触模型法向力计算颗粒和颗粒之间的碰撞之间的接触力和力矩通过Hertz-Mindlinmodel进行计算，其中i,j颗粒之间法向力,：,=43√,23,（2-15）,=256√2+√,（2-16）,=2√,（2-17）其中是杨氏模量；是颗粒质量；是等效半径；,法向的重叠量；,是法向刚度；相对速度的法相分量；e是恢复系数（2）接触模型的切向力计算颗粒之间的切向力,由,是切向重叠量；,切向刚度计算得出，且受限于μn,ij,μ是静摩擦系数，颗粒受到的切向力如下所示：,=,,,（2-18）
【参考文献】：
期刊论文
[1]微胶囊自修复水泥基材料的微观结构研究[J]. 王险峰,孙培培,邢锋,韩宁旭. 防灾减灾工程学报. 2016(01)
[2]A hybrid DEM/CFD approach for solid-liquid flows[J]. 邱流潮,WU Chuan-yu. Journal of Hydrodynamics. 2014(01)
[3]荷载与环境因素耦合作用下结构混凝土的耐久性与服役寿命[J]. 孙伟. 东南大学学报(自然科学版). 2006(S2)
[4]Characterization of the Mechanical Properties of Urea-Formaldehyde Microcapsules[J]. 刘天中. 过程工程学报. 2005(04)
博士论文
[1]石墨烯改性相变微胶囊的制备、应用及数值模拟[D]. 吴炳洋.天津工业大学 2018
[2]水泥基材料用微胶囊自修复技术与原理的研究[D]. 张鸣.中南大学 2013
硕士论文
[1]两种壁材制备功夫菊酯微胶囊及其性能研究[D]. 孙陈铖.扬州大学 2018
[2]KR法搅拌罐内自由液面及多相流混合特性数值模拟[D]. 何讯超.山东大学 2017
[3]多孔热风管滚筒式茶叶杀青机技术研究[D]. 罗杰.浙江工业大学 2016
[4]微胶囊自修复混凝土修复过程及机理研究[D]. 房国豪.深圳大学 2016
[5]基于有限元和离散元碾米过程的动力学仿真及应用[D]. 李祖吉.武汉轻工大学 2016
[6]基于EDEM-FLUENT耦合的气力输送装置的设计与研究[D]. 张学强.西华大学 2015
[7]减水剂对混凝土工作性和强度的影响[D]. 霍雷.哈尔滨工程大学 2012
本文编号：3572629
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微胶囊自修复Fig.1-1.Self-healingbasedonmicrocapsule
微胶囊在水泥净浆搅拌过程中的运动状态分析12图2-1.EDEM基本处理框架Fig.2-1.EDEMbasicprocessingframework2.2.1颗粒运动的控制方程离散元素法的基本思想是将研究对象划分为很多个独立的单元，根据单元之间的相互作用，采用动态或者静态松弛法进行迭代，计算确定在每一个时间步长内所有单元的受力和位移，并且实时的更新颗粒的坐标。通过对单个颗粒的微观运动可以得到颗粒运动状态。在离散元法中接触模型决定了颗粒的力和位移之间的关系，牛顿第二定律可以用于求解颗粒的位移、速度以及加速度。由于离散元素法是建立在牛顿第二定律和不同的接触模型上的，所以不同的接触模型对于颗粒的运动会有不一样的影响。（1）颗粒的运动方程颗粒的位移可以通过牛顿第二定律计算得到。颗粒受力包括了流体力，拖曳力，升力，浮力，颗粒之间碰撞力、颗粒和几何壁面之间的碰撞力以及颗粒所收到的旋转作用的力矩。根据牛顿第二定律可得，颗粒的运动方程以及由于旋转受到力矩方程如下所示：=+∑(,+,)+,+,+,=1（2-11）,=163（2-12）=∑(,+,)=1（2-13）其中是颗粒质量；是颗粒速度；颗粒重力加速度；,和,颗粒受到的法向力和切向力；,颗粒受到的拖曳力；,颗粒受到的升力；,颗粒受到的浮力;是颗粒直径；是颗粒密度；颗粒角速度；,和,分别是颗粒受到的法向和切向力矩；是由于旋转颗粒受到的力矩。（2）接触模型
微胶囊在水泥净浆搅拌过程中的运动状态分析13接触模型是描述颗粒单元之间接触力的计算，是组成离散元素重要的一部分。在EDEM软件当中内置了很多的接触模型，比如Hertz-Mindlin无滑动接触模型[58]、Hertz-Mindlin粘结模型[58]、Hertz-Mindlin热传导模型[59]、线性粘性模型[60]等，当然该软件也支持二次开发，通过API接口将自定义的模型进行导入。Hertz-Mindlin具有准确高效的计算性能，该模型成功的运用于各个领域。故本文采用此模型进行计算颗粒之间的接触力。接触力学模型又称为弹性-阻尼-摩擦接触力学模型，如下图2-2所示，可以将接触模型的计算分为法向力和切向力分别进行计算。图2-2接触力学模型：1-颗粒刚度（弹簧）；2-阻尼器；3-摩擦器Fig.2-2Contactmechanicsmodel:1-particlestiffness(spring);2-damper;3-friction（1）接触模型法向力计算颗粒和颗粒之间的碰撞之间的接触力和力矩通过Hertz-Mindlinmodel进行计算，其中i,j颗粒之间法向力,：,=43√,23,（2-15）,=256√2+√,（2-16）,=2√,（2-17）其中是杨氏模量；是颗粒质量；是等效半径；,法向的重叠量；,是法向刚度；相对速度的法相分量；e是恢复系数（2）接触模型的切向力计算颗粒之间的切向力,由,是切向重叠量；,切向刚度计算得出，且受限于μn,ij,μ是静摩擦系数，颗粒受到的切向力如下所示：,=,,,（2-18）
【参考文献】：
期刊论文
[1]微胶囊自修复水泥基材料的微观结构研究[J]. 王险峰,孙培培,邢锋,韩宁旭. 防灾减灾工程学报. 2016(01)
[2]A hybrid DEM/CFD approach for solid-liquid flows[J]. 邱流潮,WU Chuan-yu. Journal of Hydrodynamics. 2014(01)
[3]荷载与环境因素耦合作用下结构混凝土的耐久性与服役寿命[J]. 孙伟. 东南大学学报(自然科学版). 2006(S2)
[4]Characterization of the Mechanical Properties of Urea-Formaldehyde Microcapsules[J]. 刘天中. 过程工程学报. 2005(04)
博士论文
[1]石墨烯改性相变微胶囊的制备、应用及数值模拟[D]. 吴炳洋.天津工业大学 2018
[2]水泥基材料用微胶囊自修复技术与原理的研究[D]. 张鸣.中南大学 2013
硕士论文
[1]两种壁材制备功夫菊酯微胶囊及其性能研究[D]. 孙陈铖.扬州大学 2018
[2]KR法搅拌罐内自由液面及多相流混合特性数值模拟[D]. 何讯超.山东大学 2017
[3]多孔热风管滚筒式茶叶杀青机技术研究[D]. 罗杰.浙江工业大学 2016
[4]微胶囊自修复混凝土修复过程及机理研究[D]. 房国豪.深圳大学 2016
[5]基于有限元和离散元碾米过程的动力学仿真及应用[D]. 李祖吉.武汉轻工大学 2016
[6]基于EDEM-FLUENT耦合的气力输送装置的设计与研究[D]. 张学强.西华大学 2015
[7]减水剂对混凝土工作性和强度的影响[D]. 霍雷.哈尔滨工程大学 2012
本文编号：3572629
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