滑坡碎屑流颗粒分选效应的数值模拟

大量粗细不均匀的碎屑岩粒及孤大块石在滑坡碎屑流运动过程中的相互作用产生颗粒分选效应,影响了滑坡碎屑流的运移堆积特征及致灾效应。以模型试验的资料和数据为依据,运用三维颗粒离散元素法,建立滑坡碎屑流颗粒流数值模型,从滑体运动堆积过程中不同粒径组分的分布位置和动能两方面研究了滑坡碎屑流颗粒分选效应的形成过程,探讨了颗粒分选效应的形成机制。结果表明:滑坡碎屑流运动过程中,粗颗粒组分易获得较大速度并向滑体表层及前缘运移,细粒组分运动速度较慢,并向滑体底层及后部聚集,这种颗粒分选效应最终导致了滑体反粒序分布结构的形成。滑坡碎屑流颗粒分选效应是由振动筛分、小颗粒耗能较大率先停积、大颗粒碰撞分离等动力学机理共同作用的结果。     

水力输送管道中粗颗粒运动状态变化及其判别

粗颗粒运动形态变化规律是管道安全输送的关键问题.针对这一问题,利用粗颗粒管道输送试验系统,通过高速摄影技术和粒子图像测速法记录粗颗粒的运动状态及其速度变化,分析了不同粒径、不同体积浓度、不同输送速度条件下粗颗粒在管道中的水力学特性,并拟合得到粗颗粒运动状态的判定参数.研究结果显示,粗颗粒在管道中随着流体平均流速的增加依次出现扬动状态、间歇式推移状态、连续式推移状态和悬移状态,并通过不同运动状态的力学机制和能量损失分析提出了不同运动状态的变化规律;从粗颗粒安全输送的角度,提出连续式推移状态是粗颗粒在较广输送速度范围内,能够实现连续有效输送的一种运动形式,是管道运输中的颗粒物主要运动状态;从分析结果可知,粗颗粒的运动状态与流速、颗粒粒径以及颗粒浓度有关,通过引入管径和重力加速度两个参数,采用量纲分析法得到无量纲数φ为颗粒运动状态判别参数,并以此作为判定粗颗粒不同运动状态,该参数可以在工程中预测粗颗粒的运动状态.     

基于连续介质力学离散元方法的洒勒山滑坡过程模拟

利用连续介质力学的离散元方法力学计算软件中的颗粒流离散元计算程序,结合野外踏勘与室内试验得到的数据,对洒勒山高速远程滑坡过程进行模拟,研究由蠕变导致的下部老滑坡复活并带动上部滑体滑动的滑坡整体运动过程.模拟后得到的滑坡物堆积形态与实际情况基本吻合,对上下部滑体及监测点的位移、速度、加速度进行分析,结果表明:上部滑体运动最大速度较大,可达35 m/s,下部滑体运动距离较远,长达800 m.滑动过程中在撞击面附近与下部滑体前段均存在颗粒抛射现象.下部滑体撞击后的滑动呈显著的流体特征.整个滑动过程可以分为5个阶段:下部启动,下部加速剧滑-上部启动,下部匀速滑移-上部剧滑,上部撞击减速-下部再加速,总体减速自稳阶段.上下部滑体碰撞导致的能量传递是洒勒山滑坡可以高速远程运动的重要原因之一.     

泾阳南塬黄土滑坡冲击阶地易侵蚀层过程模拟

为探讨泾阳南塬地区黄土滑坡的高速远程的运动特征以及在运动过程中对阶地易侵蚀基层破坏迹象的产生机理。以泾阳南塬西庙店滑坡为研究对象,通过野外调查、勘探查明其运动特征,运用颗粒流离散元法模拟滑坡运动过程、机理。结果表明:滑坡运动过程中,滑体对阶地易侵蚀基层的冲击刮铲作用显著,宏观上表现为滑坡前缘地层隆起与逆冲剪断。滑坡滑动产生的振动作用使阶地粉土发生液化,液化后的粉土在超孔隙水压力作用下沿上覆土体导水通道涌出,形成显著的"涌砂"现象。滑坡运动全过程历时84 s,滑体颗粒最大运动速度36.2 m/s,最大运动距离253.2 m,具有典型的"高速"、"远程"特征。分析得到2点结论:①泾阳南塬典型高速远程黄土滑坡运动过程可分为3个阶段,即,冲击置换的加速阶段(0～2.9 s)、滑覆铲刮的减速阶段(2.9～5.7s)与堆积推覆的慢速波动阶段(5.7～84 s);②滑体速度场变化特征明显,也可划分为3个阶段,即,加速阶段(0～2.9 s)、减速阶段(2.9～5.7 s)以及慢速波动阶段(5.7～84 s)。     

某露天矿山1号滑体变形机理的分析

依据河北省某露天矿山南采区1号滑体位移监测结果与分析,得出了该滑体位移(u)与时间(t)及位移速度(V)与时间(t)的关系曲线。据此,将该体滑体的变形过程划分为性质不同的三个阶段;并结合岩石的蠕变特征,对其进行了分析。     

库水作用下含挡墙滑坡的抗滑桩加固空间位置优化研究

库水变动条件下,以滑坡体、挡墙和抗滑桩为优化系统,利用有限差分法对抗滑桩的空间位置进行优化。通过数值模拟计算滑体和支护结构不同点的位移,根据位移曲线将其划分为三个阶段,即稳定阶段、加速变形阶段和破坏阶段。稳定阶段表明了抗滑桩支护作用的有效性,加速变形阶段和破坏阶段表明了抗滑桩防治效果逐渐失去有效性,因此需要将抗滑桩布置在滑体的前部。除了发挥抗滑桩的抗滑作用还能够使挡墙起到一定的支护作用,保证了滑体的稳定性。基于此,利用强度折减法求取不同桩墙间距下的含挡墙和抗滑桩结构的滑坡安全系数,研究发现在间距较小时滑坡安全系数较大,间距较大时安全系数减小且保持在一定的范围内;这既表明了抗滑桩布置在滑体前部的合理性,又保证桩墙间距为20 m时滑体稳定性最高。因此,将抗滑桩布置在桩墙间距20 m附近是最优的,这也适用于孕育期剧动牵引式人工水库泄水渗透压力型滑坡,为该类滑坡的防治提供理论依据。     

风沙流中基于宏观颗粒模型的沙粒浓度分布

风沙侵蚀是造成土地沙化和干旱区地貌的主要原因,其中沙粒的浓度分布是研究输沙量、颗粒碰撞、风沙流结构等特征的主要影响因素,也是了解颗粒碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要研究内容。为了考虑沙粒与气流的力平衡、阻力和扭矩的变化、碰撞及摩擦等影响,运用了一种新的宏观颗粒模型(macroscopic particle model, MPM)研究沙粒在气流中的运动。与前人研究结果进行比较后发现,宏观颗粒模型在不需要任何附加模型的前提下,能实现风沙两相耦合的准直接数值模拟,根据沙粒运动速度云图所示的风沙流运动状态的不同,沙粒浓度的垂向分布会出现结论不一致的现象。颗粒流系统的内在非线性是造成风沙流运动状态不均匀、不一致的主要因素。数值模拟结果表明,利用MPM模型中的离散颗粒追踪、颗粒速度和位置等信息能够研究多相流条件下的风沙运动机理。     

基于智慧集料运动特征的级配碎石剪切破坏机理

为深入了解级配碎石混合料剪切破坏机理,本文研发了智慧集料传感系统,结合级配碎石三轴剪切试验,进行智慧集料运动特征指标与级配碎石剪切行为的关联分析。基于剪切破坏位置,选择了智慧集料埋设位置;以x, y, z三轴方向加速度和角度指标表征智慧集料运动特征。研究结果发现：智慧集料加速度和角度响应规律与级配碎石剪切破坏三阶段变化规律吻合：级配碎石剪切破坏过程中,智慧集料加速度响应经历了由运动缓慢,运动加快到运动突变稳定的变化;且y, z轴方向加速度变化更快。智慧集料角度响应证明了集料颗粒接触各向异性存在,x, y, z三轴方向角度响应差异性大;颗粒转角运动主要体现在x, y轴方向上。     

异重流在不同粗糙底床上运动特性的实验研究

进行一系列开闸式异重流水槽实验,考虑三种不同底床粗糙度对异重流运动特性的影响.通过高速摄像机拍摄异重流的运动过程,并利用粒子图像测速技术(PIV)记录局部流场结构.结果表明:异重流运动过程分为滑塌阶段和自相似阶段,底床粗糙度可以改变异重流的运动状态,尤其是通过底床附加阻力降低异重流头部速度并迫使其更早进入自相似阶段,但是对滑塌阶段速度影响不显著.异重流的弗劳德数在滑塌阶段变化不显著,而在自相似阶段呈现递减趋势;掺混系数随头部位置和理查德森数增大均呈现递减趋势,而粗糙底床可以加强掺混,增大掺混系数.异重流上界面与环境水体掺混形成正涡度带,下界面由于底床无滑移条件和底床流场结构的多方向性形成正负涡度带交错的现象,并且异重流剖面速度峰值会出现抬升现象.     

浮冰群在波浪作用下纵向运动规律的试验研究

采用石蜡非冻结模型冰,通过试验模拟真实冰况中浮冰尺寸分布,对浮冰群在不同波长规则波中的运动响应进行了测量,总结了其纵向及垂荡运动响应规律,并与孤立浮冰在波浪中的运动响应规律进行了对比.结果显示:浮冰群在波浪中的纵向运动表现出短波区间内不规则运动与长波区间内规则运动两种运动状态;不同尺寸浮冰的纵向运动响应参数未发现有规律...     

大颗粒流态化特性的实验研究

通过对大颗粒流化曲线及床层高度的测试对大颗粒流化床的流化过程进行了研究结果显示，大颗粒的流态化过程是一个渐进的过程，整个流化过程可以分为：床层高度恒定、颗粒位置调整、表面颗粒运动、节涌波动和完全流化5个阶段。由于颗粒自身特性的影响，导致大颗粒流化过程中的各个特征速度(如起始鼓泡流化速度和完全流化速度)产生了有别于小颗粒流化床的特性。     

散体颗粒在滚筒内运动特性的实验研究与数值模拟

通过实验方法研究了不同转速下丝状散体颗粒在滚筒内的运动状态,并采用烟丝作为实验材料,测量其在滚筒内的停留时间.实验结果表明:滚筒烘丝机转速越大,颗粒在抄板的提升作用下运动越剧烈,做圆周运动的时间越少,从而导致颗粒在滚筒内的总停留时间越短.在该实验基础上利用"虚拟颗粒团"方法对滚筒内散体颗粒的运动过程进行数值建模,得到的模拟结果与实验数据吻合较好.因此,采用此数学模型模拟不同滚筒倾角条件下丝状颗粒在滚筒内的运动过程,模拟结果显示:滚筒倾角越大,丝状散体颗粒在抄板和滚筒壁面的综合作用下,纵向运动时间越少,颗粒在滚筒内停留时间越短.     

云南头寨滑坡全程流体动力学机理分析

云南昭通头寨沟于1991年9月23日突然发生大型高速滑坡,总方量约1 800×104 m3的滑体高速下滑,在2～3 min的时间内冲入盘河.文中用流体动力学理论分析了头寨滑坡全程各个活动阶段的动力学机理,并得出了几点结论.启程阶段由于孔隙水压力及水汽垫层的共同作用,使作用在滑动面上的有效应力显著降低,从而导致滑带土抗剪强度减小;近程阶段高速飞行的滑坡体会产生机翼效应,使滑体势能更多地转化为动能,高速滑体可越过小山包且凌空飞行时间更长,飞行距离更远;远程阶段高速运动的碎屑体与周围空气之间产生复杂的空气动力学现象.产生的高速运动的垂直向上的气流和旋转向前的高速涡流的共同作用是碎屑流高速远程运动的根本原因.     

基于物质点法的远程滑坡碎屑流运动过程模拟及特征分析

目的 研究远程滑坡碎屑流运动过程以及运动过程中速度、滑动距离、动能变化,为滑坡碎屑流灾害的预防和治理提供参考。方法 基于物质点法,以塔合曼和乱石包两个远程滑坡碎屑流工程实例为背景,对两个滑坡碎屑流的运动过程进行数值模拟;并对塔合曼滑坡碎屑流运动过程中水平、垂直方向运动速度分布,内摩擦角对运动过程的影响,以及乱石包滑坡碎屑流铲刮效应对堆积形态、动能变化的影响进行分析。结果 两个滑坡碎屑流最终堆积形态模拟结果与实测结果吻合良好,验证了数值模拟结果的有效性;塔合曼滑坡碎屑流随着内摩擦角从18°增加到33°,动能峰值降低71.4%,最终势能增加54.4%,滑坡碎屑流的能量耗散减小47.8%;在乱石包滑坡碎屑流实例的模拟中,速度云图呈现了滑体速度场的层状分布特征。结论 内摩擦角对滑坡碎屑流的动力过程影响十分显著;乱石包滑坡碎屑流的滑体在高速滑移阶段存在强烈的内部剪切作用,并且铲刮效应对滑坡碎屑流的运动起到了一定的阻碍作用。     

煤矿综采液压支架三维图形仿真及运动分析

按工程实际建立综采液压支架的三维实体模型,并装配成虚拟样机,应用ADAMS软件,通过计算机图形真实地显示了综采液压支架上升运动过程中各零部件及结构件的相互位置关系.通过计算机图形模拟综采液压支架运动,实现了综采液压支架工作过程中运动状态的仿真,得出了在动力油缸变化速度输入条件下,综采液压支架主要部件的质心速度、加速度的变化情况及计算结果.     

水平固液两相管流平衡砂床高度计算的概率模型

根据水流紊动理论 ,将砂床表面流体瞬时流速视为正态分布的随机变量 ,将颗粒运动状态转换视为随机事件 ,分析了状态转换事件概率及最终状态概率的数字特征。根据最终状态概率代表颗粒运动趋势的原理 ,砂床高度的变化应是床层表面颗粒运动状态转换的结果。根据平衡砂床高度与摩阻流速和平均流速的关系 ,建立了计算水平固液两相管流平衡砂床高度的概率模型。该模型的计算结果表明 ,砂床高度随排量变化的曲线在管子中心点位置处均出现明显的拐点。将计算结果与实验结果进行了对比 ,平均相对误差为 8.4 8% ,能够满足工程计算要求。     

泥浆影响下粗颗粒坡面运移数值模拟与分析

在实验测定泥浆力学参数基础上,利用PFC3D离散单元法,模拟粘性碎屑坡面运动全过程,跟踪记录代表不同部位特定颗粒空间运移轨迹、运动速率变化过程。初步分析不同位置颗粒空间运移轨迹的差异及其对运动速率的影响。结果表明,PFC3D离散单元法能很好再现粘性碎屑流坡面启动、运移和堆积全过程;颗粒碰撞使其沿坡面横向扩展,增大其致灾范围;前端颗粒运动加速时间早,受周围颗粒影响小,具有较高的运动速率和冲击动能。为粘性碎屑流坡面运移过程分析提供新途径,为此类灾害防治提供参考。     

重质大颗粒在非均匀布风流化床内停留时间

用电容层析成像(ECT)示踪法研究了单个球形重质大颗粒在流化床密相区的停留时间分布特性及随流化风速变化时运动状态的演化过程。通过对实验结果的概率统计分析和对大颗粒受力特征的分析,揭示了大颗粒在床内运动行为的统计规律性和随机性。研究发现:大颗粒在床内的平均停留时间随流化风速的降低先缓慢增大,当流化风速低于某一临界值后,停留时间急剧增大,并过渡到以一定的概率到达布风板低侧,直至最终滞留在床中间;大颗粒密度越大,演变过程对应的流化风速越大。由于周围两相流压力场、速度场随时间的随机脉动性,大颗粒在床内的停留时间分布很宽。     

管壁流体滤失条件下水平圆管中平衡砂床运移模拟

根据水流紊动理论和颗粒运动特征,将床层表面水流速度视为正态分布,得到床面颗粒的各运动状态概率。根据颗粒状态概率代表运动趋势的原理,建立了圆管中砂床平衡高度的计算模型,可以用于存在管壁流体正滤失、负滤失和无滤失条件下圆管砾石充填过程中砂床形成和运移过程的可视化模拟。     

块石胶结充填颗粒离析机理

通过建立块石颗粒采场运动模型得到充填后采场的块石颗粒离析分布状态。该模型将颗粒的运动分为2个阶段,通过力学分析得到颗粒在关键节点的运动状态,最终得到颗粒水平运动距离的解析表达式。采用此模型对影响离析的相关因素进行分析计算。计算结果表明:通过调整块石最大粒径和充填井倾角等参数,可以达到控制块石颗粒离析程度的目的。研究结果可以应用于矿山块石充填技术的研究。