密集颗粒流动的连续性方法应用研究

发布时间：2024-05-25 03:04

　　颗粒流动广泛存在于自然现象和工程应用中,无论是山体坍塌还是工程上球床模块式高温气冷堆和中国科学院近代物理研究所提出的新型流态固体颗粒靶概念。本文基于适用于处理大变形问题的物质点法(MPM),采用μ(I)流变模型,实现了用连续性方法模拟密集颗粒流动的计算框架,并模拟了颗粒坍塌实验和漏斗流动现象,数值模拟结果与实验结果、DEM计算结果均吻合较好。本文采用的连续性本构和MPM能有效模拟密集颗粒流动。可在本文探究的连续性方法模拟密集颗粒流动的框架基础上,完善边界条件和本构模型,为用连续性方法处理大量颗粒的工程问题提供借鉴。

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【部分图文】：

图1摩擦系数μ(I)与惯性系数I的关系[10]

式中:μs为颗粒介质在零剪切率下的最小摩擦系数;μ2为高速流态下摩擦系数的上限;I0为常数。结合针对颗粒固态的弹塑性理论和适用于颗粒液态的μ(I)黏塑性模型,即可描述颗粒的固态行为和液态行为[11]。定义颗粒介质的柯西应力张量为σ,应力偏张量σ0=σ-(trσ)I/3,颗粒介质....

图2物质点方法[13]

以颗粒介质为例,物质点法将材料区域离散为1组相对背景网格运动的质点,如图2所示。每个质点表示1个材料团簇,并携带其所有物质信息,如质量、速度、应力和应变等。背景网格仅用于求解动量方程和物理量的空间导数,一般取为固定于空间的规则网格。将连续体离散为质点后,其密度近似为:

图3MPM计算流程

颗粒坍塌是颗粒流动的一个典型现象[15]。清华大学孙其诚曾针对颗粒坍塌过程做过物理实验[16]。实验装置如图4所示,实验区域是1个60cm×20cm×20cm的箱子,颗粒的初始堆积体积为10cm×18cm×20cm。实验中使用了约24000颗粒径5mm的陶土颗粒,....

图4颗粒坍塌实验装置示意图[3,16]

采用MPM模拟图4的实验,材料参数取μs=tan(22°)=0.404,μ2=0.64,I0=0.28[9-11]。模拟中共采用11520个物质点。在x=0和x=60mm处设置对称边界,约束x方向动量;底部为固定边界,侧壁采用对称边界。颗粒初始堆积的离散间距为2.5mm,网....

本文编号：3981611