基于改进颗粒簇单元的卸粮宏细观机理模拟
发布时间：2022-02-08 14:12
传统PFC模拟卸粮均采用单一ball单元模型,不能准确反映小麦等不规则粮食卸粮过程中的宏细观力学机理。本研究建立了由clump单元和ball单元组成的改进颗粒簇单元,以室内卸粮物理模型试验为基础进行数值计算,并和传统模型的模拟结果进行对比分析。研究表明:（1）在宏观仓壁压力方面,改进颗粒簇单元模拟所得结果与传统ball模型相比,误差降低了17.9%;（2）在颗粒细观结构方面,改进模型的颗粒堆积孔隙率下降了3.07%,而配位数增大了27%,模拟误差降低了3.12%;（3）改进模型接触力数量增加了96.3%,接触力链分布更均匀密集,能清晰反映瞬时拱此消彼长的动态变化。本研究建立的改进颗粒簇单元提高了模拟的准确度,能客观反映卸粮过程的侧压力、颗粒结构、细观力学参数动态变化。
【文章来源】：中国粮油学报. 2019,34(10)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
改进颗粒簇单元示意图
单元颗粒的夹角α为0。vc→a=v→?a+w?→a×r?→a(9)vc?→b=w?→b×r→?w(10)dv?→c=v→?a+(w?→a×r?→a－w?→b×r→?w)(11)相对速度在法向和切向的分量为:dv?→n=dv?→cn→=v→?an→－w?→a×r?→a·sinα+w?→b×r→?w(12)dv?→t=dv?→ct→=v?→at→－w?→a×r?→a·cosα(13)图3clump单元和墙体之间接触2.3力和位移定律对于颗粒和墙体，法向切向的速度分量都造成了相应方向的位移，根据上述方式所计算出的速度分量，可以得到一个时间段变化的位移分量为Δr，根据力－位移定律［16，17］可以得到单位时间内力的变化量。ΔF?→n=knΔr?→n=dv?→nΔt(14)ΔF?→t=ktΔr?→t=dv?→tΔt(15)由此易得颗粒的运动方程:∑F=m?→dvdt=m→?dr2d2t(16)∑M→=I?→dwdt=Id?→θ2d2t(17)式中:I为颗粒的惯性矩，∑F为颗粒体所受的合力。在运算的每个微小时段，细观参数都在发生改变。以颗粒A为例，力在一个微小时段的更新为:Fn(t+Δt????→)=Fn(t???→)+ΔFn(t???→)(18)Ft(t+Δt????→)=Ft(t?→)+ΔFt(t???→)(19)07
纯觯??栽诒狙芯恐胁捎靡恢中?的装料方法，即在颗粒单元下落过程中不设置颗粒间的摩擦力，待分层装料完成后，用ballproperty(clumpproperty)命令赋予颗粒体摩擦系数，再迭代一定时步达到稳定。单一ball单元模型装载完成后共含有23000个ball单元，堆料高度为0.994m。改进颗粒簇模型装载完成后含有24676个clump单元，2382个小型ball单元堆料高度为1.013m。两模型规模相近。选取左侧点位将模拟所得静态储粮侧压力结果与室内物理模型试验的静态储粮侧压力结果对比(下图5)，结果表示数值相差不大，而整体趋势比较契合，可以验证此模拟试验的真实性。图5静态装载下仓壁侧压力值4.4卸粮动态侧压力模拟对比结果考虑到上部监测点侧压力波动幅度较小且在卸粮开始一段时间后就进入零压力区而导致不利于观测的问题，选定1、3、5三个监测点进行卸粮动态侧压力的数据分析。改进后模型和原单一ball模型在自由卸粮过程中的仓壁动态侧压力如下图6、图7所示。由图可以发现，在改进前后模型中，动态侧压力均遵循随着深度的降低而减小的原则［21］，改进后模型迭代1080万步后粮食卸空，对应物理时间为31.4s，原模型迭代450万步卸空，对应物理时间为29.1s，改进模型的卸粮过程所迭代的步数较多说明卸粮经历时间比较长，出流相对比较滞涩。图6ball单元模型动态侧压力模拟结果图7改进颗粒簇模型的动态侧压力模拟结果取1号监测点为例进行分析，如图8所示，从卸料开始到结束，原模型和改进颗粒簇模型以及室内试验结果的侧压力变化趋势对比。经过对比可以发现，改进前后模型相较试验结果虽然波动都比较剧烈，但
【参考文献】：
期刊论文
[1]改进颗粒组构力学模型模拟筒仓卸粮成拱细观机理[J]. 冯永,李萌. 农业工程学报. 2018(20)
[2]散粮堆底部压力颗粒流数值模拟分析[J]. 许启铿,揣君,曹宇飞,王录民,刘永超. 中国粮油学报. 2017(09)
[3]小麦PFC模型细观参数标定方法的验证与分析[J]. 揣君,王录民,许启铿,刘永超,蒋敏敏. 中国粉体技术. 2017(04)
[4]基于离散元的玉米种子颗粒模型种间接触参数标定[J]. 王云霞,梁志杰,张东兴,崔涛,史嵩,李克鸿,杨丽. 农业工程学报. 2016(22)
[5]锥形改流体下部孔径对筒仓卸料流态的影响[J]. 谭援强,肖湘武,郑军辉,姜胜强,高伟. 农业工程学报. 2016(19)
[6]带流槽侧壁卸料动态超压及流态的PFC3D数值模拟[J]. 原方,庞焜,董承英,徐志军. 工程力学. 2016(S1)
[7]PFC2D数值计算模型微观参数确定方法[J]. 李坤蒙,李元辉,徐帅,安龙. 东北大学学报(自然科学版). 2016(04)
[8]基于离散元法的锥形筒仓中颗粒流体的数学模拟[J]. 谭援强,郑军辉,张浩,高伟,姜胜强,肖湘武. 过程工程学报. 2015(06)
[9]粗粒土应力诱发各向异性真三轴试验颗粒流模拟研究[J]. 齐阳,唐新军,李晓庆. 岩土工程学报. 2015(12)
[10]PFC3D模型中砂土细观参数的确定方法[J]. 陈亚东,于艳,佘跃心. 岩土工程学报. 2013(S2)
博士论文
[1]管涌现象细观机理的模型试验与颗粒流数值模拟研究[D]. 张刚.同济大学 2007
硕士论文
[1]高大平房仓内粮食摩擦与压缩特性研究[D]. 陆琳琳.南京财经大学 2012
本文编号：3615209
【文章来源】：中国粮油学报. 2019,34(10)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
改进颗粒簇单元示意图
单元颗粒的夹角α为0。vc→a=v→?a+w?→a×r?→a(9)vc?→b=w?→b×r→?w(10)dv?→c=v→?a+(w?→a×r?→a－w?→b×r→?w)(11)相对速度在法向和切向的分量为:dv?→n=dv?→cn→=v→?an→－w?→a×r?→a·sinα+w?→b×r→?w(12)dv?→t=dv?→ct→=v?→at→－w?→a×r?→a·cosα(13)图3clump单元和墙体之间接触2.3力和位移定律对于颗粒和墙体，法向切向的速度分量都造成了相应方向的位移，根据上述方式所计算出的速度分量，可以得到一个时间段变化的位移分量为Δr，根据力－位移定律［16，17］可以得到单位时间内力的变化量。ΔF?→n=knΔr?→n=dv?→nΔt(14)ΔF?→t=ktΔr?→t=dv?→tΔt(15)由此易得颗粒的运动方程:∑F=m?→dvdt=m→?dr2d2t(16)∑M→=I?→dwdt=Id?→θ2d2t(17)式中:I为颗粒的惯性矩，∑F为颗粒体所受的合力。在运算的每个微小时段，细观参数都在发生改变。以颗粒A为例，力在一个微小时段的更新为:Fn(t+Δt????→)=Fn(t???→)+ΔFn(t???→)(18)Ft(t+Δt????→)=Ft(t?→)+ΔFt(t???→)(19)07
纯觯??栽诒狙芯恐胁捎靡恢中?的装料方法，即在颗粒单元下落过程中不设置颗粒间的摩擦力，待分层装料完成后，用ballproperty(clumpproperty)命令赋予颗粒体摩擦系数，再迭代一定时步达到稳定。单一ball单元模型装载完成后共含有23000个ball单元，堆料高度为0.994m。改进颗粒簇模型装载完成后含有24676个clump单元，2382个小型ball单元堆料高度为1.013m。两模型规模相近。选取左侧点位将模拟所得静态储粮侧压力结果与室内物理模型试验的静态储粮侧压力结果对比(下图5)，结果表示数值相差不大，而整体趋势比较契合，可以验证此模拟试验的真实性。图5静态装载下仓壁侧压力值4.4卸粮动态侧压力模拟对比结果考虑到上部监测点侧压力波动幅度较小且在卸粮开始一段时间后就进入零压力区而导致不利于观测的问题，选定1、3、5三个监测点进行卸粮动态侧压力的数据分析。改进后模型和原单一ball模型在自由卸粮过程中的仓壁动态侧压力如下图6、图7所示。由图可以发现，在改进前后模型中，动态侧压力均遵循随着深度的降低而减小的原则［21］，改进后模型迭代1080万步后粮食卸空，对应物理时间为31.4s，原模型迭代450万步卸空，对应物理时间为29.1s，改进模型的卸粮过程所迭代的步数较多说明卸粮经历时间比较长，出流相对比较滞涩。图6ball单元模型动态侧压力模拟结果图7改进颗粒簇模型的动态侧压力模拟结果取1号监测点为例进行分析，如图8所示，从卸料开始到结束，原模型和改进颗粒簇模型以及室内试验结果的侧压力变化趋势对比。经过对比可以发现，改进前后模型相较试验结果虽然波动都比较剧烈，但
【参考文献】：
期刊论文
[1]改进颗粒组构力学模型模拟筒仓卸粮成拱细观机理[J]. 冯永,李萌. 农业工程学报. 2018(20)
[2]散粮堆底部压力颗粒流数值模拟分析[J]. 许启铿,揣君,曹宇飞,王录民,刘永超. 中国粮油学报. 2017(09)
[3]小麦PFC模型细观参数标定方法的验证与分析[J]. 揣君,王录民,许启铿,刘永超,蒋敏敏. 中国粉体技术. 2017(04)
[4]基于离散元的玉米种子颗粒模型种间接触参数标定[J]. 王云霞,梁志杰,张东兴,崔涛,史嵩,李克鸿,杨丽. 农业工程学报. 2016(22)
[5]锥形改流体下部孔径对筒仓卸料流态的影响[J]. 谭援强,肖湘武,郑军辉,姜胜强,高伟. 农业工程学报. 2016(19)
[6]带流槽侧壁卸料动态超压及流态的PFC3D数值模拟[J]. 原方,庞焜,董承英,徐志军. 工程力学. 2016(S1)
[7]PFC2D数值计算模型微观参数确定方法[J]. 李坤蒙,李元辉,徐帅,安龙. 东北大学学报(自然科学版). 2016(04)
[8]基于离散元法的锥形筒仓中颗粒流体的数学模拟[J]. 谭援强,郑军辉,张浩,高伟,姜胜强,肖湘武. 过程工程学报. 2015(06)
[9]粗粒土应力诱发各向异性真三轴试验颗粒流模拟研究[J]. 齐阳,唐新军,李晓庆. 岩土工程学报. 2015(12)
[10]PFC3D模型中砂土细观参数的确定方法[J]. 陈亚东,于艳,佘跃心. 岩土工程学报. 2013(S2)
博士论文
[1]管涌现象细观机理的模型试验与颗粒流数值模拟研究[D]. 张刚.同济大学 2007
硕士论文
[1]高大平房仓内粮食摩擦与压缩特性研究[D]. 陆琳琳.南京财经大学 2012
本文编号：3615209
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