颗粒物料动态响应特性的离散单元法模拟研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:norn1
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颗粒物质在自然界和工业生产中广泛存在,相关的单元操作装置包括移动床、高炉等反应器,滚筒、球磨机等混合装置,料斗、输运管道等输运装置。密集颗粒物料的一个典型特点是内部的应力分布极度不均匀,少数颗粒承载着绝大部分外荷载。这种应力分布非均匀性的一个直接后果是导致颗粒的力学动态响应特性呈现强烈的时空相关性。因此,从颗粒尺度出发,深入了解颗粒物料力学响应特性的规律及底层机理,具有重要的意义。本论文基于离散单元法,以颗粒物料中某一受牵引颗粒的运动力学行为作为研究对象,模拟了颗粒在二维密集颗粒系统中恒速牵引及弹簧牵引过程。通过改变参数,分析了颗粒牵引过程中,牵引颗粒的受力特征,研究了系统中力链网络的动态演化规律。论文的主要工作如下:(1)在恒速度牵引条件下,牵引颗粒的水平受力与牵引速度相关:在低速牵引时,所受阻力不随速度变化而变化,牵引颗粒与周围颗粒间呈持续接触状态;在高速牵引时,所受阻力随牵引速度的增大而线性增大,此时牵引颗粒与周围颗粒间的作用形式以碰撞接触为主。(2)牵引颗粒的受力与其尺寸和颗粒物料的摩擦系数有关。牵引颗粒受力随其尺寸的增大而线性增大,分析表明这主要是因为牵引颗粒运动过程中其接触的颗粒数目与其本身的尺寸呈线性关系;颗粒物料摩擦系数的增大会导致牵引颗粒所受阻力增大,这主要是因为摩擦系数的增大提高了力链的稳定性,从而强化了颗粒物料对牵引颗粒的阻碍作用。在介观尺度上,颗粒系统的力链网络拓扑形态会显著影响被牵引颗粒的受力:当被牵引颗粒前方形成更长、更直且具有更多分支的力链结构时,其会受到更大阻力。(3)对弹簧牵引过程中的stick-slip现象的研究结果表明,slip事件是stick期间颗粒滑移累积增加的宏观体现。分析表明,slip过程中被牵引颗粒的滑移距离、受力变化幅度等与stick过程关系不大,而是取决于slip初期被牵引颗粒前方力链网络的拓扑形态。
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