顆粒流動廣泛存在于自然現(xiàn)象和工程應(yīng)用中,無論是山體坍塌還是工程上球床模塊式高溫氣冷堆和中國科學(xué)院近代物理研究所提出的新型流態(tài)固體顆粒靶概念。本文基于適用于處理大變形問題的物質(zhì)點法(MPM),采用μ(I)流變模型,實現(xiàn)了用連續(xù)性方法模擬密集顆粒流動的計算框架,并模擬了顆粒坍塌實驗和漏斗流動現(xiàn)象,數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果、DEM計算結(jié)果均吻合較好。本文采用的連續(xù)性本構(gòu)和MPM能有效模擬密集顆粒流動。可在本文探究的連續(xù)性方法模擬密集顆粒流動的框架基礎(chǔ)上,完善邊界條件和本構(gòu)模型,為用連續(xù)性方法處理大量顆粒的工程問題提供借鑒。

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【部分圖文】：

圖1摩擦系數(shù)μ(I)與慣性系數(shù)I的關(guān)系[10]

式中:μs為顆粒介質(zhì)在零剪切率下的最小摩擦系數(shù);μ2為高速流態(tài)下摩擦系數(shù)的上限;I0為常數(shù)。結(jié)合針對顆粒固態(tài)的彈塑性理論和適用于顆粒液態(tài)的μ(I)黏塑性模型,即可描述顆粒的固態(tài)行為和液態(tài)行為[11]。定義顆粒介質(zhì)的柯西應(yīng)力張量為σ,應(yīng)力偏張量σ0=σ-(trσ)I/3,顆粒介質(zhì)....

圖2物質(zhì)點方法[13]

以顆粒介質(zhì)為例,物質(zhì)點法將材料區(qū)域離散為1組相對背景網(wǎng)格運動的質(zhì)點,如圖2所示。每個質(zhì)點表示1個材料團簇,并攜帶其所有物質(zhì)信息,如質(zhì)量、速度、應(yīng)力和應(yīng)變等。背景網(wǎng)格僅用于求解動量方程和物理量的空間導(dǎo)數(shù),一般取為固定于空間的規(guī)則網(wǎng)格。將連續(xù)體離散為質(zhì)點后,其密度近似為:

圖3MPM計算流程

顆粒坍塌是顆粒流動的一個典型現(xiàn)象[15]。清華大學(xué)孫其誠曾針對顆粒坍塌過程做過物理實驗[16]。實驗裝置如圖4所示,實驗區(qū)域是1個60cm×20cm×20cm的箱子,顆粒的初始堆積體積為10cm×18cm×20cm。實驗中使用了約24000顆粒徑5mm的陶土顆粒,....

圖4顆粒坍塌實驗裝置示意圖[3,16]

采用MPM模擬圖4的實驗,材料參數(shù)取μs=tan(22°)=0.404,μ2=0.64,I0=0.28[9-11]。模擬中共采用11520個物質(zhì)點。在x=0和x=60mm處設(shè)置對稱邊界,約束x方向動量;底部為固定邊界,側(cè)壁采用對稱邊界。顆粒初始堆積的離散間距為2.5mm,網(wǎng)....

本文編號：3981611