高炉内炉料流动模式及力链分布的离散元模拟

基于离散元数值计算方法,建立了高炉内炉料颗粒尺度运动行为的数学模型,主要研究固体炉料的运动模式和颗粒间相互作用力链的分布.结果表明:建立的离散元模型计算获得了炉内颗粒间的介观力链结构,炉底中心部位存在强力链结构支撑高炉料柱,最强力链结构对应于死料柱区,而且离散元模拟也给出炉内固体料运动模式由四个区域构成,分别为死料柱区、活塞流区、准静态滑流区和沟流区,而沟流区的力链最弱.     

三维受压剪切颗粒体系的力链结构

为了定量描述三维受压剪切颗粒体系的力链结构,用离散元法计算了长为n个颗粒的力链数N。二者用以n为指数的函数拟合相关系数大于0.99,从概率角度分析了此规律,指出了拟合公式中常数的物理意义。统计了强法向力方向分布,计算了成链概率,讨论了力链随时间的演化规律。概率分布和判据结果、实验结果一致。力链提取方法可用于分析力链的断裂重组以及向位移链、剪切链推广。     

颗粒物质力学几个关键问题的思考

颗粒物质是由大量离散固体颗粒相互作用而形成的复杂体系,其平衡和运动规律及其应用是颗粒物质力学的主要研究内容．颗粒物质具有广泛的应用背景和丰富的物理内涵,是工程应用和凝聚态物理研究较为活跃的学科,但是进展非常缓慢,目前很多基础问题尚不够清晰．结合作者近10年的研究工作,对颗粒接触力学的难点、接触力简化存在的问题予以分析,并基于颗粒物质内部结构特点提出了以力链为核心的多尺度力学研究框架,最后对颗粒物质典型应用例子之一——泥石流运动基础研究提出新的见解．     

二维函数光子晶体的点缺陷及本征场分布

用COMSOL Multiphysics仿真软件研究含点缺陷二维函数光子晶体的带隙结构、 缺陷模式及缺陷模式的本征场分布. 介质柱介电常数的线性函数形式： ε(r)=k·r+b, 由电光效应和Kerr效应, 通过对介质柱施加外电场和光场改变其折射率.  计算结果表明, 改变点缺陷介质柱介电常数的参数和点缺陷个数, 均可调节二维函数光子晶体的带隙结构和位置, 以及缺陷模式及缺陷模式的本征场分布.     

圆锥探头在准二维颗粒介质中匀速穿行的受力研究

 研究圆锥状探头匀速压入准二维颗粒介质过程中所受阻力随深度的变化,发现阻力曲线在不同深度区域呈现不同的变化规律,存在凹—凸—凹的转变。针对本实验条件下观测到的现象,分析并讨论曲线凹—凸—凹转变中出现两个拐点的物理机制,认为阻力曲线的变化来源于侵入物自身的体积效应和容器底部对颗粒结构的影响。研究表明,一般流体的静水压力描述并不适用于颗粒介质的慢速阻力行为,颗粒介质存在自身的结构规律。     

点缺陷对表面生长行为的影响

采用动力学重整化群方法,研究生长表面中存在的点缺陷对表面生长行为的影响,得到了相应的粗糙度指数X和动力学指数z,结果表明,点缺陷的存在会使生长表面粗化,并缩短达到稳定生长阶段的驰豫过程。     

基础颗粒数量组合对颗粒黏结模型精度的影响

针对矿石破碎模型与实际矿石性质差异造成的破碎仿真不准确及磨矿工艺参数难以确定的问题,采用离散元法建立矿石颗粒黏结模型,重点研究基础颗粒的数量组合对颗粒黏结模型精度的影响.依据落重试验破碎的63～53 mm粒级矿石,构建了5组不同粒径颗粒的数量组合及对应的颗粒黏结模型.通过对颗粒黏结模型的破碎仿真及实际矿石的破碎试验,得...     

边界摩擦对二维堆积颗粒体系几何结构的影响

颗粒体系在受挤压时的受力情况和滑移通道是一个极其复杂的问题。用实验的方法研究了二维晶格堆积的颗粒体系受挤压推进过程中的力学响应和结构变化情况,观察到颗粒体系在受挤压时将出现结构的坍塌和重组行为。依据实验结果,分析了边界上压力的分布、滑移通道和重组结构与边界摩擦因素和堆积角之间的关系;用静力学理论分别讨论了处于边界和中部颗粒不同的受力机制。研究表明光滑器壁较粗糙器壁容易成为颗粒滑移的通道,这种情况下颗粒体系形成的力链不稳定,容易导致结构坍塌;边壁的摩擦不会对器壁不同高度处应力的分布产生显著影响,力链的重组才是导致不同高度处应力重新分布的主要因素。     

点缺陷对微波介质陶瓷介电性能的影响

从理论方面研究点缺陷对微波介质陶瓷材料介电性能的影响,通过实验分析微波介质陶瓷材料的几种改性机理中点缺陷所发挥的作用,以及工艺因素对点缺陷的影响,得出由于点缺陷的作用使得几种改性可能会产生的结果。     

点缺陷对波导的电场分布的调制

在二维函数光子晶体研究的基础上,进一步研究二维常规光子晶体波导中加入点缺陷介质柱时,二维光子晶体波导的带隙结构与电场分布情况.其中点缺陷介质柱介电常数是空间坐标的函数,其函数形式为εr=kr+b,参数k和b的变化可以通过光学Kerr效应或电光效应来实现.结果表明,通过改变点缺陷介质柱介电常数的参数k和b以及点缺陷半径ra,可以调节光的传播方向和光场分布,从而可以控制光在波导中传播方向.因此当含点缺陷时,二维常规光子晶体波导的光场分布和光的传播方向具有可调性.这些理论为光学器件的设计提供有价值的新的设计思路.     

非规则颗粒与滚筒球磨机相互作用的离散元–有限元耦合分析

非规则颗粒形态显著影响球磨机中颗粒材料的运动行为，同时对球磨机结构产生不同的力学响应。采用超二次曲面方程描述非规则颗粒材料，并发展了离散元（discrete element method,DEM）–有限元（finite element method, FEM）耦合算法以分析非规则颗粒材料与滚筒球磨机间的相互作用。在该算法中，滚筒球磨机被划分为一系列四边形单元，并且超二次曲面颗粒与球磨机间的接触判断可转化为超二次曲面颗粒与四边形单元间的接触判断。将计算得到的碰撞力向节点插值，该节点力作为载荷条件在有限元中进行隐式动力学求解，并通过求解颗粒运动方程和有限元动力方程实现颗粒运动更新和结构力学响应分析。进一步分析了滚筒球磨机中球体、圆柱体和立方体颗粒材料的运动行为以及滚筒球磨机的变形及应力分布规律。研究结果表明：颗粒形状显著影响球磨机研磨效果和球磨机结构位移；立方体颗粒具有最好的研磨效果，而圆柱体颗粒比球体颗粒具有更好的研磨效果；在结构位移上，立方体颗粒有最大的峰值位移，其次是圆柱体和球体颗粒；相比于规则的球体颗粒，超二次曲面颗粒有不规则的表面形状，这会导致更好的研磨效果和更大的结构位移。     

锯切力引起的应力分布

采用有限元法分析计算了金刚石圆锯片锯切岩石时锯切力引起的锯片基体上的应力分布，计算结果表明，在锯切力作用区域，随着圆锯片半径的增加，压应力值增加，随着锯切速率增加，压应力增加，这些结果将有助于锯片的张力处理与锯切参数优化。     

颗粒物质三维直剪实验的数值模拟

为了获取断层物质的受压剪切特性,用离散元法生成5种非规则颗粒单元来模拟自然条件下断层物质的直剪过程,以实验数据为参数,探讨了不同法向应力、摩擦系数、颗粒形状、试样颗粒组构对断层物质的剪应力的影响。结果表明,剪应力随法向应力、摩擦系数、非规则颗粒含量的增加而增大,不同法向应力、颗粒形状、试样组构下孔隙率的变化反映了剪应力的变化。     

三维颗粒堆中力传递实验与分析

对受集中荷载作用的三维颗粒堆中力的传递与分布进行了实验,对其结果进行半定量统计分析,研究了有序对称密实排列颗粒堆中力的传递特征、压痕与压力的关系、颗粒堆传力不均匀性及荷载力概率密度的变化规律,并解释了抛物型曲面传导的原因.     

利用原子力显微镜研究晶体缺陷

首次利用原子力显微镜研究晶体表面缺陷，给出了经腐蚀后的KTiOAsO4晶体表面铁电畴和位错蚀坑的清晰照片和定量信息。对实验结果和方法进行了讨论。指出这种实验方法具有放大倍数高，分辨率可达原子量级，可以给出物质表面结构的定量信息和立体图像等特点，并且具体探讨了利用原子力显微镜研究晶体表面缺陷的一些实验技术问题。     

中心口锥底料罐中离散颗粒卸料特性的实验与仿真研究

为了研究颗粒物料在中心口圆锥底料罐中的卸料特性,采用离散单元法建立颗粒力学模型,在EDEMTM软件平台上构建半罐模型进行仿真分析,并通过实验来检测其精度。在此基础上进行整罐卸料仿真,研究料罐半锥角、颗粒形状和材质等因素对卸料过程的影响。结果表明,所建的离散单元力学模型和仿真模型比较准确地描述了颗粒卸料过程;随着料罐半锥角的减小,颗粒间的挤压力逐渐增大,颗粒轴向速率逐渐加快,相应缩短了卸料时间;球形颗粒密度越大时,颗粒间挤压力越大,卸料速率也越高;与球形颗粒相比,立方体颗粒间的挤压力更大,其在卸料口处的轴向速率相对较慢,所需卸料时间更多。     

颗粒堆中轴向静荷载力传递实验分析

对三维有序对称排列的颗粒堆中力传递进行了较为详细的实验与分析,运用随机理论定量分析实验数据,分析在轴向静力荷载作用下荷载力下传规律、力的分布特征及边界效应等因素的影响,并给出了荷载力与颗粒自重共同作用下引起的内力竖向传递的随机方程.     

Discrete element simulations of two wetting effects on granular materials

To explore the microscopic responses of granular materials to wetting,the inter-particle lubrication effect and particle breakage in an odometer were simulated using a two-dimensional discrete element method.The lubrication effect was modeled by reduction of the inter-particle friction coefficient and particle breakage was initiated by decreasing the particle strength.Once the strength of the particles decreased to a threshold value,the particles began to break so that new contacts could be established to transfer the external loads.Numerical simulations successfully reproduced the additional compaction of the material and the intensification of the horizontal stress in addition to the microscopic responses of the granular assemblies.The microscopic interpretation of the earth pressure coefficient at rest and the evolution of the grain number distribution during particle breaking were also investigated.     

基于水平集接触算法的任意形态颗粒材料球谐离散元方法

为对自然环境或工业领域中非规则颗粒材料的力学特性进行精确计算,本文采用球谐函数发展了可描述任意几何颗粒形态的球谐离散元方法.考虑球谐单元的凹凸形态及多点接触特性,发展了基于水平集方法的任意形态接触算法,以准确计算单元间的接触方向和重叠量.该算法将不同形态的球谐单元离散为由一系列点组成的零水平集函数和空间离散水平集函数,并将单元间的接触问题转化为两个水平集函数间的求解问题.通过将一系列零水平集点代入邻居单元的空间离散水平集函数中进行三线性插值,可确定两个接触单元间的多接触点及作用力.为检验基于水平集算法的球谐离散元方法的可靠性,对单颗粒与刚性壁面的弹性碰撞、单颗粒自由下落和多颗粒动力堆积过程进行了离散元模拟,研究了颗粒的平动和转动动能随时间的变化规律.计算结果表明,基于水平集算法的球谐离散元方法可准确地计算单元间的接触碰撞作用,并可保证弹性碰撞时颗粒系统的能量守恒及非弹性碰撞时颗粒系统的能量衰减直至动能为零.在此基础之上进一步分析了不同表面凹凸特性对颗粒堆积中体积分数和平均配位数的影响,为任意形态颗粒材料的数值模拟提供了一种有效的离散元方法.     

离心力场中浮选的先进性和缺陷

在离心力场中进行煤炭浮选是一项先进的技术。离心力场强化煤泥的分选效果，提高浮选速度，改善精矿中高灰细泥的夹带现象。离心浮选设备具有占地面积少、节约生产费用等许多优点。但在离心力场中浮选也存在许多被制约的条件，如入浮粒度不能太粗，离心强度不能太大等。本文从理论上研究分析了离心力场浮选技术的先进性和缺陷，以期对研制实用的离心浮选设备有所帮助。