基于三维离散元方法研究热点的位置和温度对奥克托今颗粒点火燃烧的影响

炸药的点火燃烧特性与炸药的安全和使用密切相关,其一直是研究者重点关注的问题之一.普遍认为,凝聚炸药起爆的关键是热点.基于此,本文采用三维离散元方法,以奥克托今(HMX)颗粒为研究对象,探究了HMX颗粒中不同位置和初始温度的热点对其燃烧过程的影响.结果发现,热点的不同初始温度和位置都会对HMX炸药颗粒的燃烧特性造成影响.由于处于炸药内部分散位置的热点表面积较大,其相比集中的热点更有利于HMX炸药颗粒的起爆.并且研究发现,并不是热点的温度越高越有利于炸药的起爆,这也取决于炸药颗粒的含量.本文的研究工作对炸药的实验研究以及军事应用提供了一定的参考.     

重力作用下颗粒介质应力链的离散元模拟

用离散元的方法模拟了仅有重力作用的二维颗粒系统内部力的分布情况,并根据力的大小得到颗粒之间的应力链.模拟结果与颗粒介质研究中的两个著名模型q模型和α模型作了对比,并与光弹实验的结果作了比较.对比结果表明,模拟结果与实验相似,而与两个概率模型有一定的差异.另外计算结果还表明,颗粒介质中力大小的概率分布极为不均匀,较大的力概率呈指数衰减,应力链的分布具有分形特征. 关键词： 颗粒介质 离散元 应力链 光弹实验     

带有点缺陷的二维颗粒系统离散元模拟

首先用离散元方法研究了颗粒系统在各向同性挤压和纯剪切状态下粒子间力的分布情况,并与相同条件下的实验结果进行对比. 然后模拟了带有不同数目点缺陷的二维颗粒系统在各向同性挤压和纯剪切时粒子间力的分布情况,并与无缺陷的情况做了比较,发现了点缺陷对颗粒系统的影响规律. 关键词： 颗粒系统 离散元 点缺陷 力概率分布     

颗粒分层过程三维离散元法模拟研究

采用软球干接触模型对球形及非球形颗粒的分层过程进行了三维离散元法模拟研究,从颗粒间作用力、转动力矩和能量变化的角度分析了颗粒分层机理,讨论了颗粒的粒度比对分层速度的影响规律.结果表明,分层过程中,大颗粒比小颗粒活跃,非球颗粒由于具有较高的动能而比球颗粒活跃,在一定程度上弥补了颗粒形状对分层过程的影响.大颗粒间的平均法向、切向作用力、平均力矩及平均动能均大于小颗粒.颗粒分层速度随着粒度比的增加而显著增大,当粒度比大于临界粒度比3时,分层速度的增幅减缓.     

受碾区域内颗粒轴向流动特性的离散元模拟

为探讨受碾状态颗粒的稳定流动, 在碾辊轴与筛筒组成的受碾区域内, 建立了轴向运动的颗粒流离散元物理模型. 研究结果表明: 受碾区域内各颗粒沿轴向运动能力的差异造成了颗粒流密度不均匀; 颗粒与筛筒间的静摩擦系数影响颗粒轴向流动的形态、速率及集散程度, 受碾区域内单层颗粒的轴向均方偏差与流动时间的平方正相关, 属于“super”扩散; 整体分析受碾区域发现, 颗粒的轴向平均速度沿轴向坐标逐渐增大, 而颗粒的三轴合成平均速度沿轴向坐标逐渐降低; 受碾区域内各轴向位置处颗粒运动的剧烈程度不同, 沿轴向坐标颗粒的波动速度平方呈现先增大后降低而后又增大的趋势; 单颗粒的碰撞总能量损失能谱也表明了颗粒运动程度不同, 即轴向流动时在受碾区域的前半段碰撞剧烈, 能量损失多, 在后半段碰撞程度弱, 能量损失较少. 通过对受碾区域内颗粒流动的数值模拟分析, 明晰了颗粒在受碾条件下稳定流动特性, 有益于碾磨工业对产品品质控制及设备参数优化的研究.     

密集剪切颗粒流中速度波动和自扩散特性的离散元模拟

分析了平行板间密集剪切颗粒流的平均速度、速度波动、区域划分和自扩散特性.为了分析以上问题,建立了平均固体体积分数为0.80剪切平行板间密集颗粒流的离散元物理模型.研究结果表明:间隙间颗粒的平均速度从上到下逐渐增大,波动速度恰好相反;纵向的平均速度、波动速度较小,这一点稀疏剪切颗粒流正相反;根据剪切率和平均速度大小把间隙间纵向区域依次划分为类固体、振荡和类流体区域,并得出了波动速度对剪切率的依赖关系;间隙间颗粒的自扩散主要集中在横向,而稀疏剪切颗粒流在纵向的自扩散同样较突出.通过对流变和扩散特性的模拟分析,直观地反映了颗粒的微观流变特性,有益于密集剪切颗粒流的流变机理的研究.     

颗粒离散元模拟中的阻尼系数标定

离散元模型中所采用的阻尼系数是不确定的,经常凭主观经验设定.为了使得物理模型与现实中的颗粒动力学属性符合更好,通过采用声频采样技术对物理模型中的阻尼系数进行标定,得出与实验符合的阻尼系数应为0.5左右.利用标定后的阻尼系数模拟了一元颗粒在圆柱形容器里的随机堆积过程,得到最终的堆积密度为0.625,与经典的实验结果一致.研究证明,在得到模型阻尼系数的同时,也确认了数值模型的正确性和用声频采样技术进行高精度碰撞时间检测的可行性. 关键词： 颗粒堆积 阻尼系数标定 声频采样 离散元法     

燃料抛撒成雾及其燃烧爆炸的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟研究

燃料在炸药爆炸驱动下形成燃料空气爆炸云团, 进而引燃爆炸, 对目标造成毁伤. 本文在前期提出的光滑离散颗粒流体动力学方法(SDPH)的基础上, 引入描述炸药由爆轰到膨胀整个过程的Jones-Wilkins-Lee状态方程及描述气体快速燃烧过程的EBU-Arrhenius燃烧模型, 建立了求解战斗部起爆、燃料抛撒和燃料二次引燃爆炸问题的新型SDPH方法. 设计了圆环形燃料颗粒在炸药爆炸驱动下运动抛撒的算例进行数值验证, 结果与理论相符; 对燃料空气炸药(FAE)云雾的形成和发展过程进行了数值模拟, 分析了云雾的形态, 并与实验结果进行对比, 符合较好, 同时分析了不同起爆方式对云雾团成型的影响; 最后, 在云雾团成型的基础上, 引入蒸发燃烧模型对FAE的燃烧爆炸过程进行了模拟研究. 结果表明, 本文建立的数学模型和计算方法可以较好的模拟燃料空气炸药抛撒成雾及云雾燃烧爆炸过程, 为该类武器装备的设计研究提供了较好的数值方法.     

颗粒堆内微观力学结构的离散元模拟研究

将离散单元法应用到三维堆积过程的模拟计算,探讨了滑动摩擦及滚动摩擦对堆积形成的影响,得到了颗粒堆内部的应力分布规律,发现颗粒堆的形态是由滑动摩擦和滚动摩擦共同决定的,在堆内颗粒间的作用力基本呈树状结构.在模拟得到的颗粒堆中出现了应力分布奇异现象,在堆积角较大的情况下,颗粒堆与地面间作用力的最大值常发生在距堆底中心不远的环状区域,而并非发生在堆底的中心;在堆积角相对较小时颗粒堆与地面间作用力的最大值较容易发生在堆底的中心.对于一个颗粒堆,具体会发生哪种受力情况具有一定的偶然性. 关键词： 堆积 离散单元法 计算颗粒力学     

炸药落锤实验及样品厚度效应的三维数值模拟

为了研究落锤实验中炸药的概率点火行为以及试样厚度对点火的影响,对脆性炸药PBX-2的落锤实验开展了三维数值模拟。采用有限元与离散元相结合的方法,并考虑了炸药材料的非均匀性,获得了炸药在不同落高下的点火概率分布,落高计算结果与文献报道的实验结果相符。此外,研究了落锤实验中试样厚度对炸药温升过程及点火阈值的影响,拟合得到了压力峰值和点火阈值随试样厚度变化的估算公式,可以为实验设计提供参考。     

薄滚筒内二元湿颗粒体系混合行为的离散单元模拟研究

采用所建立的四方程线性弹性-阻尼离散单元模型,同时考虑了液桥力的作用,对填充量为40%、含液量为3%的水平薄滚筒内S型(不同直径颗粒)二元湿颗粒体系混合过程进行了数值模拟,并与同等操作条件下不含液的干颗粒体系的混合行为进行了比较,分析了液体对颗粒体系混合行为的影响. 同时还将计算结果与文献中的实验结果进行了比较. 结果表明,由于湿颗粒间液桥力的牵引作用使不同性质的颗粒不易分离,使部分颗粒聚结成团,减弱了离析作用的影响,使得滚筒内湿颗粒的混合程度高于相同条件下的干颗粒体系,且接触力的分布较干颗粒体系更加均匀. 通过对混合过程的模拟,直观地反映了混合过程中颗粒的微观运动特性和内部的力学结构,为研究湿颗粒体系混合过程机理提供了依据和参考. 关键词： 湿颗粒体系 混合 分离 离散单元法     

3-D finite element modeling of laser cladding by powder injection: effects of laser pulse shaping on the process

This paper introduces a 3-D transient finite element model of laser cladding by powder injection to investigate the effects of laser pulse shaping on the process. The proposed model can predict the clad geometry as a function of time and process parameters including laser pulse shaping, travel velocity, laser pulse energy, powder jet geometry, and material properties. In the proposed strategy, the interaction between powder and melt pool is assumed to be decoupled and as a result, the melt pool boundary is first obtained in the absence of powder spray. Once the melt pool boundary is obtained, it is assumed that a layer of coating material is deposited on the intersection of the melt pool and powder stream in the absence of the laser beam in which its thickness is calculated based on the powder feedrate and elapsed time. The new melt pool boundary is then calculated by thermal analysis of the deposited powder layer, substrate and laser heat flux. The process is simulated for different laser pulse frequencies and energies. The results are presented and compared with experimental data. The quality of clad bead for different parameter sets is experimentally evaluated and shown as a function of effective powder deposition density and effective energy density. The comparisons show excellent agreement between the modeling and experimental results for cases in which a high quality clad bead is expected.     

Finite element formulation of the first- and second-order discrete ordinates equations for radiative heat transfer calculation in three-dimensional participating media

Two finite element methods (FEMs), FEDOM1 and FEDOM2 (standing for the first and the second finite element discrete ordinates methods, respectively), are formulated and numerically tested. The reference second-order discrete equation is modified in its scattering terms and is applied to the problems of absorbing/emitting and anisotropically scattering media by using the FEM. Numerical features of the developed FEMs are compared with one of the discrete ordinates interpolation method (DOIM), which uses a finite difference scheme. Prediction results of radiative heat transfer by these two FEMs are compared with reference solutions and verified in three-dimensional enclosures containing participating media. The results of FEDOM1 and FEDOM2 agree well with exact solutions for the problem of absorbing/emitting medium with various range of optical thickness. Generally, the two FEMs show more accurate results than DOIM. And FEDOM1 shows more accurate results than FEDOM2 in most of the test problems. Both of the developed FEMs show reasonable results compared with published Monte Carlo solutions for the tested absorbing/emitting and anisotropically scattering media. Although the FEDOM2 is not as accurate as the FEDOM1, it shows its own advantages that it reduces CPU time and memory space of dependent variable to half.     

Propagations of Rayleigh and Love waves in ZnO films/glass substrates analyzed by three-dimensional finite element method

Propagation characteristics of surface acoustic waves(SAWs) in ZnO films/glass substrates are theoretically investigated by the three-dimensional(3D) finite element method. At first, for(11ˉ20) ZnO films/glass substrates, the simulation results confirm that the Rayleigh waves along the [0001] direction and Love waves along the [1ˉ100] direction are successfully excited in the multilayered structures. Next, the crystal orientations of the ZnO films are rotated, and the influences of ZnO films with different crystal orientations on SAW characterizations, including the phase velocity, electromechanical coupling coefficient, and temperature coefficient of frequency, are investigated. The results show that at appropriate h/λ, Rayleigh wave has a maximum k~2 of 2.4% in(90°, 56.5°, 0°) ZnO film/glass substrate structure; Love wave has a maximum k~2 of 3.81% in(56°, 90°, 0°) ZnO film/glass substrate structure. Meantime, for Rayleigh wave and Love wave devices, zero temperature coefficient of frequency(TCF) can be achieved at appropriate ratio of film thickness to SAW wavelength. These results show that SAW devices with higher k~2 or lower TCF can be fabricated by flexibly selecting the crystal orientations of ZnO films on glass substrates.