基于DEM-CFD耦合的颗粒在水中沉降过程仿真分析

发布时间：2020-07-03 00:54

【摘要】：抛石作业作为一项基本的作业方式，广泛存在于我国沿江沿海地区，例如农业水利工程中的护岸工程及防汛抢险，还有港口建设、桥基保护等方面。然而，块石在抛投之后，不仅会受到水流和自身重力的作用，往往还会受到其它块石的碰撞，其下落的轨迹和位置难以确定。一旦抛石不到位，不仅起不到固定根基的预期效果，反而增加了根基的负荷，从而造成整修工程任务繁重，增加了劳动成本，降低了作业效率。因此有必要对抛石作业过程中块石的沉降过程进行研究。本文以两类颗粒（玻璃颗粒和鹅卵石）和水为研究对象，在实验室条件下进行颗粒在水中的沉降试验，以此来模拟抛石作业中块石的沉降过程。通过采用高速摄像技术，对颗粒的沉降过程进行跟踪，得到了颗粒在沉降过程中的仿真参数和对比数据。在此基础之上，采用DEM-CFD耦合的方法来模拟颗粒在水中的沉降过程。基于国内外有关固液耦合理论，将颗粒按离散体系处理，通过牛顿定律求解每个颗粒的运动，即离散元法（DEM）；将液体按连续介质处理，通过求解Navier-Stokes方程得到液体的运动，即计算流体力学方法（CFD）；最后采用EDEM-FLUENT软件的耦合，对不同颗粒模型在水中的沉降过程进行了模拟，通过仿真与试验的对比，验证该方法的有效性，以期为抛石作业的理论研究提供一种新的方法。本文的主要工作和结果如下。（1）对抛石作业和固液两相流的研究现状、DEM-CFD耦合理论及其应用进行了讨论与总结；（2）根据固液耦合仿真分析的需要，对6种颗粒（球形玻璃颗粒、非球形玻璃颗粒、鹅卵石Ⅰ、鹅卵石Ⅱ、鹅卵石Ⅲ和鹅卵石Ⅳ）的物理力学参数进行了测试与计算，包括直径、三轴尺寸、密度、静摩擦系数、弹性模量和剪切模量的测试与计算；（3）在实验室条件下，进行了颗粒在静水和动水中的沉降试验，以此来模拟抛石作业过程中块石的沉降过程。通过采用高速摄像技术，对颗粒的沉降过程进行跟踪，得到了颗粒与壁面以及颗粒与颗粒之间的碰撞恢复系数、颗粒下落和回弹过程中竖直方向上的高度和速度随时间的变化、颗粒沉降过程中的运动轨迹和抛石落距等数据；（4）采用DEM-CFD耦合方法仿真分析了颗粒在水中的沉降过程，首先建立颗粒和玻璃水箱的几何模型，并在软件中进行相关设置，然后在静水和动水两种情况下，对组合球建模方法和等效球建模方法建立的颗粒模型分别进行仿真，最后将仿真结果与试验结果进行对比分析。初步证明了采用DEM-CFD耦合方法仿真分析颗粒在水中沉降过程的有效性，为抛石作业的理论研究提供了一种新的方法。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S222.57

【参考文献】