基于直接力浸入边界法的线形排列多球颗粒沉降特性研究

发布时间：2021-10-12 00:45

　　本文运用直接力浸入边界法对低雷诺数的单个及线形排列的两个和多个球形颗粒自由沉降的特性和过程进行了数值模拟,首先通过单个球形颗粒自由沉降模型验证了该方法的准确性,同时研究了颗粒刚体假设（RBA）对结果精确性的影响,然后,在不同的颗粒间距分布条件下对竖直排列的不同数量的球形颗粒沉降进行了直接数值模拟。模拟结果表明,相对间距在一定范围内的线形排列双球和多球颗粒都可发生相继的牵引、触碰、翻滚过程;当线形排列球颗粒数量大于3时,颗粒的数量不会影响最下方两球初始的牵引和触碰运动;线形排列多球可改变发生牵引的两球的受力从而加速牵引和触碰的过程。 

【文章来源】：武汉科技大学学报. 2020,43(04)北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

不同网格密度条件下的颗粒沉降速度

基于文献[14]中的算例2,通过计算,分析了不同RBA条件下,式(5)中积分项(等号左端)及乘积项(等号右端)的数值随时间变化的规律,结果如图4所示。图4中,标记为RBA乘积值和非RBA乘积值的曲线分别反映了颗粒是否为刚体时颗粒体积与颗粒质心沉降速度的乘积随时间变化的趋势,标记为RBA积分值和非RBA积分值的曲线分别反映了颗粒是否为刚体时借助Monte Carlo随机积分法计算所得式(5)中积分项的值随时间变化的趋势,作为参照,标记为RBA实验乘积值的曲线则反映了颗粒为刚体时,由文献[15]实验值所得出的颗粒质心沉降速度与颗粒体积的乘积随时间变化的趋势。上述积分项、乘积项值随时间的变化趋势即为颗粒沉降速度随时间的变化趋势。由图4可见,将颗粒看作刚体时,相应的计算结果更接近于文献[15]所报道的实验值;当颗粒不是刚体时,计算值和实验值的误差较大。此外,将颗粒作为刚体处理时,相应的乘积值曲线相较积分值曲线更为平滑、波动更小。以上结果表明,在球状颗粒沉降过程中,当颗粒为刚体时,相应计算结果更加准确。3.2 双球颗粒沉降

因为当线形排列的球状颗粒数超过3以后,伴随着1号、2号球发生DKT(牵引,触碰、翻滚)过程,1～3号球的运动状态基本一致,故而对1～3号球中相邻球间的相对间距变化进行分析,结果如图8所示,其中P2-P1表示1号球和2号球的相对间距,P3-P2表示2号球和3号球的相对间距。由图8可见,在颗粒沉降过程中,1号球和2号球先发生牵引和触碰,然后再分离,这与二者在双球模型中的表现一致,区别在于整个过程因3号球的加入而导致进度加快。同时,3号球和2号球仅仅发生牵引而不会产生触碰。此外,本研究模拟结果还表明,随着线形排列颗粒数目的不断增加,使用DF-IBM对相应沉降过程进行模拟计算的效率始终保持在较高水平。IBM模拟主要采用欧拉网格及拉格朗日网格,其中欧拉网格的位置和数量是固定不变的,而拉格朗日网格的变化则依赖于颗粒数目。在模拟计算中,计算量主要取决于欧拉网格的数量,这是因为在整个使用了压力投影法的模拟过程中,对压力场的泊松方程进行求解耗时最多,而泊松方程又是在欧拉网格上离散求解的。一般来说,颗粒越多,计算量越大,但是IBM法中欧拉网格数量固定,所以计算量的增加幅度非常有限,这也是IBM方法目前应用比较广泛的原因之一。3.4 线形排列双球与多球颗粒沉降对比


本文编号：3431561