PARTICLE SIZE DISTRIBUTION IN A PLANAR JET FLOW UNDERGOING SHEAR-INDUCED COAGULATION AND BREAKAGE

A CFD simulation is performed for a particle-laden planar jet flow.The Reynolds number is 8300,and the initial particle diameter is 1 μm.Large Eddy Simulation(LES) is employed to calculate the flow field,and the Taylor-series expansion moment method(TEMOM) is adopted to deal with the balance equation of particle coagulation and breakage.The shear-induced coagulation kernel,power-law breakage kernel and symmetric fragment distribution function are involved.The prediction of the distribution of the mean streamwise velocity of the jet is in good agreement with experimental data.The evolution of particle number concentration,volume concentration,polydispersity,particle diameter and standard geometric deviation is discussed in detail.The results show that as the jet travels downstream,the particle number concentration and volume concentration decrease,while their spans become wider.The polydispersity and particle diameter are very large in the shear layers at the upstream and in the core of vortex structures at the downstream.The particle standard geometric deviation changes within the range of 1.32 ≤σg≤ 1.96,and increases sharply in the shear layers.All variables approach the steady-state as time progresses.     

NUMERICAL SIMULATION OF NANOPARTICLE COAGULATION IN A POISEUILLE FLOW VIA A MOMENT METHOD

Numerical simulations of coagulating nano-scale aerosols in a two dimensional Poiseuille flow between fixed plates are performed. Evolution of the particle field is obtained by utilizing a moment method to approximate the aerosol general dynamic equation. A moment method is used, which assumes a lognormal function for the particle size distribution and requires knowledge of the first three moments. A Damk？hler number is defined to represent the ratio of the convection time scale to the coagulation time scale. Simulations are performed based on three Reynolds numbers, 100, 500 and 1000, and on three initial particle volume fractions corresponding to Damk？hler numbers 0.1, 0.2 and 1.0. Spatio-temporal evolution of the first three moments along with the geometric mean volume and standard deviation are discussed.     

不同含液量下颗粒间液桥力及形态的试验研究

对液桥力的研究有助于从根本上揭示非饱和土持水特性的内在机理。以等径球体颗粒间的液桥为研究对象,利用纳米多功能试验机及CCD数码相机分别测量并记录了三种粒径、六种含液量下液桥拉伸过程中力值及形态的变化,并将试验结果与理论计算结果进行对比,同时对不同类型液桥拉伸曲线产生的原因提出了猜想。结果表明:液桥力-位移曲线可以分为上升段、平稳下降段以及突然跌落段三部分;不同含液量下液桥的初始形态不同,钟摆状液桥主要出现在饱和度较低且重力影响可以忽略的条件下,随着饱和度的增加液桥初始形态变为圆柱状以及外凸状;最大液桥力与粒径及含液量成正比,断裂距离与含液量成正比与粒径成反比,且粒径对最大液桥力以及断裂距离的影响更为显著;不同研究者观测到的两类液桥力-位移曲线可能是试验初始点不同导致的。     

沉积物粒度参数求解方法的对比

 沉积物粒度参数是描述粒度分布特征的数值,包括平均粒径、分选系数/标准偏差、偏度（偏态）和尖度（峰态）等。简要介绍了粒度参数的两种计算方法（图解法和矩算法）,并对两者进行了对比研究。结果显示,两种方法计算的平均粒径几乎相同;分选系数能够相互替换;偏态值具有一定的可比性,可以互相换算;峰态值离散程度很大,没有明显的相关趋势,不具有可转换性。最后提出了一种基于Mastersizer2000激光粒度仪的实现粒度参数求解的简便易行方法。     

风化模型在粗粒土颗粒破碎研究中的应用

对古水面板堆石坝玄武岩筑坝粗粒土堆石料进行了颗粒破碎试验。依据试验前后试样的颗粒级配曲线,研究了风化模型参数与颗粒破碎之间的关系。研究结果表明,风化模型能够很好地拟合试验前后土体的颗粒级配曲线,对于大粒径颗粒（大于5 mm）的级配拟合效果远优于分形几何模型;风化模型参数本质上反映了土体颗粒级配曲线与土体最大颗粒粒径线围成面积的大小及其分布状态;相对破碎参量Br是风化模型参数的函数,可以直接通过试验前后土体颗粒级配曲线的风化模型参数求出。     

基于最大熵原理的泄洪雾化雨滴谱研究

水电站在泄洪期间,会在下游空间形成大量的粒径大小各异的运动水滴,就构成了泄洪雾化液滴粒径的分布问题。目前泄洪雾化液滴粒径分布采用Gamma函数来描述,属于经验函数的方法,缺乏实际的物理意义。本文将最大熵原理应用于水电站泄洪雾化液滴粒径分布研究中,对挑流泄洪产生的液滴粒径分布进行了研究。研究结果表明：（1） Gamma分布计算的雾化液滴滴谱分布结果存在削峰特征,滴谱分布的众值直径（数量概率密度最大对应的直径）偏向于小粒径方向,且计算的峰值比实验值偏低。（2）仅通过质量守恒为约束推导的最大熵MEM分布的计算的滴谱分布的众值直径明显偏向于大粒径方向,且计算的峰值比实验值偏高。（3）本文构建的MEP分布模型计算的结果与Gamma函数和MEM分布计算结果相比较,均方根误差最低,决定系数最高,更加符合实测数据的变化趋势。     

级配特征对筑坝砂砾料填筑标准的影响

筑坝砂砾料填筑标准具有级配相关性,在砂砾料筑坝施工质量控制中,目前仅以含砾量来表征级配对碾压干密度的影响,未考虑级配形状和最大粒径不同对砂砾料填筑标准的影响。为了研究这种影响,评估目前单一依靠含砾量来表征级配特征对干密度影响的合理性,设计了含砾量相同而级配曲线形状和最大粒径不同的两组级配曲线,结合实际施工振动碾压条件,通过现场密度桶法,研究了含砾量相同时不同级配形状特征和最大粒径对原级配筑坝砂砾料填筑标准的影响。研究表明,控制含砾量相同时,级配曲线形状对砂砾料最大、最大小干密度有一定影响,随级配参数m和b的增大,砂砾料的最大、最小干密度均呈现减小的趋势。在含砾量和级配参数m相同时,不同最大粒径级配的砂砾料的最大、最小干密度也有差异。表明不同级配特征和最大粒径对筑坝砂砾料填筑标准的确定有一定影响,建议结合具体工程进一步对级配特征和最大粒径对筑坝填筑标准影响的敏感性及对施工质量控制带来的影响进行评估。     

膨胀岩工程特性试验研究

为研究南水北调中线工程膨胀岩的工程特性,选取新乡潞王坟段的代表性岩层——强风化黏土岩和泥灰岩的原状样及扰动样,进行了物理性质试验、击实试验、力学性质试验以及膨胀特性试验。试验成果表明:对扰动样的标准击实基本上很难达到天然状态下的干密度状态,土体的结构性在击实过程中不能得到较好的恢复;初始含水率越小,吸湿能力越大,其强度降低程度越大,饱和强度参数越小;含水率低的试样,其破坏强度大,但破坏应变小;相同的压实度下,含水率越低试样的软化现象越明显;相同压实度的土样,含水率越大,其初始切线模量越小;压实度在90%~98%,压实度越大,膨胀力与膨胀率越大;随着压实度超过98%,膨胀率与压实度关系曲线存在一峰值转折点,而且此峰值点出现在压实度为98%~100%。压力与膨胀率关系曲线分两直线段:一陡降段和一平缓段,各曲线之间近似平行,曲线截距为无荷膨胀率数值。该成果为南水北调中线工程膨胀岩渠坡段的设计施工提供了科学依据。     

不同初始损伤白砂岩高温处理后的力学性能研究

通过进行不同初始损伤程度白砂岩在不同等级高温处理后的力学试验,分析了温度和初始损伤对白砂岩的杨氏模量、峰值应力和显微结构等方面的影响。试验结果表明:随着温度的升高,受到初始损伤的白砂岩试件的杨氏模量和抗压强度都呈下降的趋势,初始损伤越大,高温对白砂岩造成的影响越大。通过显微镜观察到随着温度的升高,试块的晶体变小,颗粒的破坏更为破碎,岩屑更多。此外,通过对试验数据的整理,建立了不同初始损伤等级和不同温度等级下白砂岩的本构关系曲线。     

基于随机有限元法的圆形基础沉降最不利波动尺度分析

波动尺度(SOF)是表征土体空间变异性的重要参数,不同的波动尺度可以模拟土体参数的空间变异程度。基于随机有限元(RFEM)和蒙特卡罗模拟,假设弹性模量服从对数正态分布对土体实现非均质性建模,研究不同波动尺度下圆形基础的沉降变形规律。研究结果表明：中心沉降值符合对数正态分布,差异沉降值符合正态分布;随着波动尺度的增加,中心沉降和差异沉降均值基本不变,中心沉降标准偏差先增大最后趋于平缓,差异沉降标准偏差先增大后减少,在其峰值处平均绝对差异沉降达到最大,此时的波动尺度为最不利波动尺度,在勘察数据相对有限的情况下可以对基础沉降概率进行保守估计。     

基于Monte Carlo法的黄土二维微观结构模型构建

从微观尺度研究土的力学行为是揭示其力学机理的一种有效途径,为此首先建立其微观结构模型。目前常通过光学显微镜或者扫描电镜图像获取黄土的微观结构,但将其直接用于二维建模时,存在颗粒悬浮和叠置的问题。基于黄土的颗粒累积分布曲线和实际颗粒形态,提出了一种随机生成其二维微观结构模型的方法。首先将颗粒累积分布曲线按粒径范围分为若干区间,从各区间上随机抽取粒径值,形成满足其粒径分布的粒径数据库;再根据黄土颗粒的微观图像建立颗粒的形态数据库。从这2个数据库中随机抽取颗粒粒径和形态,生成具有随机大小、形态的颗粒库。采用Monte Carlo法将这些颗粒在模型顶端随机投放,建立黄土的二维微观结构模型。该模型为黄土微观力学行为的分析提供了原型。     

变形模量E_(v2)与地基系数K_(30)的相关性分析

以简化试验监测数据、提高施工效率为目标,针对京沪高速铁路控制路基压实指标中的变形模量Ev2和地基系数K30两个力学指标作了相关性分析,结果表明,Ev2和K30的回归曲线相关性较高,利用得出的回归曲线,取规范中规定的Ev2值计算得到的K30值与规范值的偏差较小,说明规范中要求的K30和Ev对路基压实质量的控制标准相当。     

可破碎颗粒材料中螺旋桩贯入特性的离散元模拟

作为一种新型完全挤土桩,螺旋桩在各类工程建设中已得到广泛应用。基于离散单元法,以钙质砂为模拟对象,对螺旋桩在沉桩过程中土体颗粒破碎情况进行数值模拟。颗粒破碎采用碎片替换法,破碎应力判定选取八面体剪应力准则。分析了螺旋桩在不同初始应力、不同贯入转速比条件下桩周土体位移场、速度场、应力场分布及土体颗粒破碎演化规律。数值模拟结果表明:在螺旋桩贯入地基土过程中,土颗粒在高应力诱发下发生破碎,桩端土体破碎严重,桩侧颗粒破碎稍弱;随着贯入深度增加,破碎颗粒数量增加,桩侧土体级配发生演化,发生破碎的地基土中桩尖应力略低于不破碎地基土体;提高初始应力,会导致更剧烈的颗粒破碎,破碎颗粒的散布范围更广,桩尖应力明显减小;提高贯入转速比会增加颗粒破碎的程度,在高转速比条件下,破碎颗粒均匀散布在桩侧,螺纹附近的颗粒速度、位移较大;而低转速比工况下,土颗粒的速度、位移峰值主要集中在桩尖下部。开展可破碎颗粒材料中螺旋桩贯入特性的研究,对分析较脆弱砂土场地上的桩基稳定、保障工程建设的安全具有指导意义。     

基于孔隙尺寸的粗粒土渗透系数计算方法研究

基于颗粒极限堆积状态下的平面孔隙直径和土体粒径组成,采用颗粒随机抽样组合获得了土体各孔隙直径百分含量,并进一步得到了土体最密实和最疏松状态下孔隙直径累计分布曲线CSD-D、CSD-L。通过土体实际相对密度的线性内插方式获得了土中孔隙直径累计分布曲线CSD-R,并得到相应平均孔隙直径Dmc,根据粗粒土渗透试验结果建立了渗透系数K与Dmc关系的经验公式。研究表明:CSD-R曲线同时考虑了颗粒级配和密实度对土中孔隙尺寸分布的影响,所确定的经验公式近似满足多孔介质渗流理论中渗透系数与渗流孔隙呈二次正相关性的规律。对比相关试验结果认为,该方法具有较高准确性,适用于不均匀系数Cu7且有效粒径d109.6 mm的粗粒土渗透系数估算。     

基于单粒压缩试验的堆石料破碎特性研究

堆石料的颗粒破碎是影响其强度及变形的主要因素,但堆石料在受力过程中的颗粒破碎规律仍不明确,缺乏准确判断堆石料颗粒破碎的标准。单粒压缩试验是研究堆石料破碎特性的重要手段,通过可视化单粒压缩试验对920组不同粒径玄武岩堆石料颗粒的破碎过程进行了研究。试验结果表明：玄武岩堆石料单粒压缩破碎的过程大致可分为4个阶段,破碎模式可分为3种类型,破碎程度随粒径的减小而增大;同一粒组的堆石料单粒强度较好地服从 Weibull模型,随着试验样本量的增加,峰值应力分布逐步趋向正态分布;破碎颗粒的级配分布与破碎模式相关,多应力峰值破碎颗粒的碎后粒径级配曲线服从分形分布。     

水沙非均质流水平管道流动临界速度研究

为研究水沙非均质流管道流动的临界速度,在分析前人非均质流管道输沙试验研究成果的基础上,利用数据回归方法建立水沙非均质流管道流动的堆积界限速度计算模型,同时通过分析费祥俊阻力公式,采用求导方式,给出了水沙浆体阻力最小临界速度计算式。然后利用相关学者的若干组数据,对所提出堆积界限速度和阻力最小临界速度的计算值和试验值进行对比。结果表明,作者提出的堆积界限速度和阻力最小临界速度的预测值与实测值的偏差大都不超过15%。最后分析了堆积界限速度和阻力最小临界速度随颗粒粒径、管道直径和浆体输送浓度变化的规律,得出随着颗粒粒径减小,两者差距逐渐变小;随着管道直径变大,两者差距逐渐变大;随着输送浓度变大,堆积界限速度呈略微变小的趋势,而阻力最小临界速度则呈显著增大的趋势。     

Use of ensemble simulations to evaluate the urban effect on a localized heavy rainfall event in Tokyo,Japan

Recently, localized heavy rainfall over highly urbanized areas has caused severe damage in Japan. Although studies have indicated that the presence of urban areas can intensify rainfall, the chaotic noise caused by differences in initial conditions can change the urban effect. Therefore, the usability of ensemble simulation methods for urban effects on a single localized heavy rainfall event must be clarified to synthesize state-of-the-art observations and numerical model studies. This study examined the difference in a localized heavy rainfall event under different initial conditions. We demonstrated the advantage of ensemble experiments using a cloud-resolving model to evaluate the urban effect. In this study, we focused on a localized heavy rainfall event that occurred over Tokyo on 5 August 2008 and killed five people working in a drainpipe. Two ensemble experiments were performed according to the lagged average forecasting (LAF) method. Each experiment had six members, with initial conditions spanning 6 h from 02 to 07 Local Standard Time (LST) on 5 August 2008. The model was integrated continuously through 18 LST for each run. The model had a horizontal grid resolution of 2 km. The first experiment (CTRL) used the actual land cover, anthropogenic heat, and geometric structures. The second experiment (PDDY) used an imaginary land cover in which the urban area was changed to paddy fields. Comparison of the ensemble means showed that the peak value of the maximum hourly rainfall decreased and the peak time was delayed in PDDY compared with CTRL. The smaller peak value and delayed peak time of rainfall in PDDY seemed to be caused by the weaker updraft associated with near-surface convergence, which was caused by weaker surface heating. Regardless of the difference caused by the initial conditions, the decrease in the peak value and the delay in the peak time were significant according to the t-test. Although the area was limited compared with near-surface temperature and horizontal wind convergence, a significant reduction in rainfall was also seen over the heavily urbanized area of Tokyo in the horizontal distribution of the difference in accumulated rainfall. These results indicate that although differences in the initial condition can change the modeled urban effect on rainfall, ensemble simulation methods can be used to examine the significance of the urban effect on a single localized heavy rainfall event.     

河湖淤泥絮凝沉降特性试验研究

絮凝沉降性能是河湖疏浚淤泥资源化处理中重要且未完善的研究课题。以武汉沙湖、官桥湖及南湖3种淤泥为研究对象,通过沉降筒试验,利用清浑交界面沉降速度和上清液浊度研究了粒径分布、初始含沙量及高分子聚合物对河湖淤泥絮凝沉降特性的影响规律,并探讨了沉降筒尺寸对试验结果的影响。试验结果表明:河湖淤泥粒径越小,淤泥絮凝沉降越慢,上清液浊度越小;随初始含沙量的增加,河湖淤泥整体沉降速度变小,但当初始含沙量增加到一定值后,初始含沙量的影响作用开始变弱;高分子聚合物会促进河湖淤泥絮凝沉降;沉降筒尺寸虽然对试验结果略有影响,但对于分析河湖淤泥絮凝沉降特性无较大影响。研究河湖淤泥絮凝沉降特性对于河湖通航、蓄洪、水质修复、疏浚淤泥的处理均有重要意义。     

基于图像识别技术的土石料级配检测系统

本文开发了一种基于图像识别技术的土石料粒径级配检测系统。该系统修建在土石料填筑现场,通过对车辆运送的土石料进行拍照,将图片传输到识别系统,采用图像识别技术,分析土石料粒径并绘制级配曲线以判断土石料是否满足设计包络线要求。在此基础上,设计建造了一个小型土石料粒径识别系统样机,选取不同粒径范围的石英岩土石料,将图像识别得到的级配曲线与传统人工筛分法得到的级配曲线进行对比,发现二者级配曲线吻合度较好。表明本文开发的土石料级配检测系统是稳定可靠的,可以运用于现场坝料级配检测。     

输沙管道高含沙水流阻力特性探讨

根据对实测资料的分析,得出了输沙管道高含沙水流沿程和局部阻力系数的变化规律及确定方法,提出了管道综合泥沙因子和综合阻力系数的相关关系,同时指出细颗粒组成对高含沙水流的阻力特性有很大影响。分析表明:随着含沙量的增大,悬沙级配的粒径分布范围变宽,细颗粒在悬沙中所占比重减小,当细颗粒增加到一定程度时,单位体积水流可以挟带大量的粗颗粒泥沙;在输送高含沙水流时,应确定其最优细颗粒含量,以降低水流阻力,提高输沙效率。