颗粒流粒径分聚的模型与模拟

发布时间：2017-12-15 01:26

  本文关键词：颗粒流粒径分聚的模型与模拟

  更多相关文章： 颗粒流 粒径分聚 本构关系 跨流态 物质点方法

【摘要】：颗粒介质广泛存在于工程建设和自然现象之中。由于其本身的离散性和耗散特性,颗粒介质的宏观力学行为呈现类固、类液和类气三态并存并频繁转化的多相特征,对其刻画是当今国际学术界的热点问题。滑坡、泥石流等地质灾害中包含大量颗粒介质,在灾害演化过程中,不同粒径的颗粒往往发生分聚,形成大颗粒在上、小颗粒在下的分聚形态。这种分聚形态增强了颗粒流的流动性和破坏性,因此颗粒流粒径分聚的研究工作,将不仅有助于我们了解颗粒介质内部作用机制,也对提出合适的防灾减灾措施具有现实意义。由于颗粒介质分聚研究和流变研究相对独立,现有的颗粒流粒径分聚模型,往往只能适用于特定的流态,而缺乏对颗粒介质流态转换过程中粒径分聚问题的统一描述。本文基于现有研究成果,对跨流态的颗粒流粒径分聚模型进行了研究,取得了如下创新成果:(1)基于对不同侧壁边界条件的明渠槽道内,双粒径混合物颗粒流粒径分聚的离散元模拟,对颗粒流粒径分聚的混合物理论和动理学理论模型进行了对比研究,揭示了颗粒流流态转变对粒径分聚机制的影响,并基于此,在混合物理论分聚模型基础上建立了跨流态颗粒流粒径分聚模型。研究结果表明,边界条件改变引发颗粒流流态发生变化,颗粒流内非局域作用强度随之改变,使得速度梯度在不同流态下对颗粒流粒径分聚的影响方式发生改变;混合物理论分聚模型主要适用于慢速流态的颗粒流,动理学理论分聚模型则适用于快速流态颗粒流,而本文模型则能够完整描述不同流态下的颗粒流粒径分聚现象。(2)基于颗粒介质非线性弹性能方程、颗粒流不可压缩假设和μ(I)颗粒流流变模型,描述了颗粒介质内部的可恢复弹性作用、不可恢复大变形以及不可恢复耗散作用,建立了跨流态颗粒介质本构模型,并发展了物质点方法,建立了该模型的数值模型。研究结果表明,该模型能够有效模拟颗粒固体、颗粒液体及颗粒介质固液转换状态的力学行为。(3)基于跨流态颗粒介质本构模型和跨流态颗粒流粒径分聚模型,使用修正的物质点方法和双粒径颗粒混合物流变关系,建立了双粒径颗粒混合物跨流态粒径分聚数值模型。研究结果表明,该数值模型能够实现双粒径颗粒混合物流动过程中,流态特征和分聚特征的耦合模拟,有效模拟快速流和慢速流两种不同流态下的颗粒流流动特征和粒径分聚最终形态。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O347.7

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本文编号：1290138