竖冷设备中烧结矿石偏析行为的GPU高性能模拟

随着钢铁工业流程和技术的不断优化及节能减排要求的不断升级,如何高效回收利用各生产工序中的工业余热成为钢铁工业面临的重要课题.竖冷设备既可以有效回收烧结矿石的显热,大幅提高能源的利用率,又可以有效减少烧结工序中的粉尘,降低烧结工艺的环境污染,因此得到了高度重视.但现有竖冷设备容易出现烧结矿石的偏析问题,严重影响了显热回收的效率和设备运行的稳定性.为此,采用离散元法(discrete elementmethod,DEM)研究竖冷设备中烧结矿石的偏析,重点针对不同结构进料管对烧结矿石偏析的影响.研究发现,虽然缓冲仓内每次加入的烧结矿石皆混合均匀,但由于不同粒径的烧结矿石在进料过程中存在动量差异,导致了竖冷设备内明显的颗粒偏析,在料堆堆尖处呈现小颗粒多大颗粒少的现象,并且料层主体的偏析与进料管的结构密切相关.由于进料管的结构是进料过程的决定性因素,因此提出了通过改变进料管的结构抑制竖冷设备内烧结矿石偏析的可能途径,对提高烧结矿石的显热回收效率具有参考意义.      

THE EFFECT OF THE CHUTE ON THE PARTICLE SIZE SEGREGATION IN A BELL-LESS TOP BLAST FURNACE

为研究溜槽对高炉无料钟布料偏析的影响,采用离散元方法模拟了无料钟卸料过程,得到了溜槽上颗粒的速度分布,布料结果的径向、周向粒度分布,并分析了溜槽内表面的键槽、截面形状和倾角对粒度偏析的影响规律,结果表明:(1) 溜槽上的键槽会引起布料结果周向偏析;(2) 溜槽方形截面较圆形截面更有利于精确的径向布料;(3) 不同溜槽倾角下,径向偏析不同, 结果为高炉布料工艺的设计及炉料分布的精确控制提供科学依据.     

粉末注射成形中偏析效应及其影响的数值模拟

在金属或陶瓷粉末注射成形中,由于粉末与粘结剂的密度差异,二者在高速充模的过程中会产生局部比例变化,即偏析现象.针对偏析现象,采用两相流注射模型,将注射喂料视为由粉末相和粘结剂相组成的混合流体,预测注射成形坯件中粉末相和粘结剂相的分布.将结果引入到后续的烧结模拟中,宏观烧结模型采用基于热弹粘塑性的本构关系.据此模拟产品在烧结过程中发生的收缩和变形以及预测产品在烧结过程中现场强度(In-situ strength).模拟结果说明注射坯件的非匀质性导致产品的烧结过程中产生非均匀收缩和内部应力的大幅度上升,影响产品的精度和性能.这种从注射到烧结的模拟体系可用于优化粉末注射成形工艺的喂料设计、模具设计以及注射和烧结工艺参数的选取.     

结构优化中的建模方法概述

建立优化模型是结构优化前的最佳选择. 由于工程实际问题的复杂性, 很难建立显式表达的模型, 即使少数问题能够建立显式表达的模型, 也难以求解. 因此需要借助近似方法建立模型, 为了便于求解或提高求解效率, 通常还要对模型进行变换. 文中列举了结构优化中常用的近似建模方法, 并根据建立近似显式的途径和敏度分析的方法对其进行分类, 详细介绍了近几年来广泛应用的样本点构造方法, 然后描述了它们在结构优化中的应用和具体实现过程, 分析了它们的优缺点和应用范围, 指出了结构优化建模方法今后的发展方向.      

不同属性肋片对复杂方腔自然对流影响的数值分析

采用二阶全展开Euler-Taylor-Galerkin分裂步有限元方法,在指定的网格密度条件下,在流动对应的普朗特数取为0.71,雷诺数取为104的情况下,数值分析了热肋、冷肋、上绝热肋、下绝热肋等四种不同属性肋片对封闭方腔内典型自然对流流动的影响.计算结果表明,肋片的存在对封闭方腔内的自然对流及相应的传热效率具有较强的影响,对流流动结构以及平均Nusselt数随肋片的属性发生较大的改变.     

分析输液曲管临界流速的迁移矩阵法

提出了一种分析输液曲管临界流速的方法.与其它方法相比,该方法不但容易处理带任意多个中间支承和变刚度、变曲率的输液曲管问题,而且由于对各段位移、内力关系导出了一系列显式,故不管离散段数多少,最终都只需解一个三阶矩阵方程,因此计算量小、精度高.     

纳米增强预浸料缠绕立管参数敏感性分析

复合材料立管结构参数与立管力学性能存在紧密的关联性,掌握设计参数对缠绕立管力学性能的影响规律非常必要．考虑缠绕工艺引起的孔隙缺陷,基于复合材料弹性理论及孔隙微观理论模型,构建了纳米增强预浸料缠绕立管形变模型;其次,采用局部敏感度分析法,分别讨论了缠绕立管应力与位移对孔隙含量、孔隙形状、纳米颗粒含量、纤维体积含量、缠绕层数、缠绕角度及内压的局部敏感性;最终,数值结果表明：孔隙含量对轴向应力的影响局部敏感性较强,在孔隙含量为2.8 %~3.2 %之间时,轴向应力的局部敏感性数值快速从负数增长到正值;而孔隙的引入,使得其它设计参数对立管应力与位移的局部敏感性数值的变化趋势无明显影响,但大大影响了敏感性的数值大小;此外,径向位移对孔隙、纳米颗粒含量等所有参数明显不敏感．     

薄壁管及其泡沫金属填充结构耐撞性的实验研究

对两种AA 6063T6铝合金薄壁空管(方/圆管)结构以及填充泡沫铝的5种不同几何截面的薄壁夹芯管(单方/圆管填充,双方/圆管填充,双方管四角填充结构)分别进行了准静态轴向压缩实验,研究了各种薄壁结构的变形模式和吸能性能,比较了反映不同结构耐撞性的各种参数,如比能量吸收和能量吸收效率因子等。同时,研究了各种填充结构的几何参数对结构耐撞性能的影响,发现填充结构内管的尺寸对结构的耐撞性影响显著。研究结果显示,圆管类型的结构平均压垮载荷、比质量能量吸收、单位行程能量吸收以及能量吸收效率因子都较方管类型结构高。泡沫填充单/双圆管结构由于其较高的压垮力效率和能量吸收效率,能够较平稳高效地吸能,作为耐撞性结构元件具有很大的优势。     

求解一类可分离凸规划的对偶显式模型DP-EM方法

推导对偶目标函数的精确显式表达式,可选用更多成熟高效的求解方法,从而进一步提高了非线性规划对偶理论求解结构拓扑优化问题的效率.研究工作来源于非线性凸规划同其对偶规划的间隙为零,可以等价转化为对偶问题求解,通常可以大大地缩小问题的规模,可是二者不具有显式关系却影响了对偶解法的应用.所幸的是,结构优化当中一大类问题包括连续体结构拓扑优化问题,不仅具有凸性,而且具有变量可分离性,于是原变量和对偶变量之间有了显式关系,因此,对偶解法成了38年来被应用的有效方法之一.然而长期以来,对偶问题的目标函数并不是显式,这缘于含参数的极小化问题导致目标函数为隐式表达,常见的显式化方法是进行二阶近似.本文突破了对偶问题难以显式化只能采用近似显式的定势,将我们提出的"对偶规划-显式模型"(DP-EM)方法应用于连续体结构拓扑优化,并与对偶序列二次规划(DSQP)算法及移动渐近线(MMA)算法为求解器的方法进行计算效率对比,结果显示:(1)MMA算法比DP-EM算法和DSQP算法的外部迭代次数均多;(2)DP-EM算法与DSQP算法外循环次数相同,而内循环数显著减少.说明了DP-EM算法具有显式对偶函数的优势.     

集成单元边界元法及其在主动冷却热防护系统分析中的应用

随着高超声速飞行器的快速发展,飞行器及发动机所面临的热防护压力越来越大. 传统的被动热防护系统已很难满足设计要求,因此主动冷却热防护系统受到了越来越多的关注. 主动冷却热防护系统因为管道密布、结构复杂,传统的分析方法需要花费大量的精力和时间来建模和计算分析. 针对管道阵列排布的主动冷却系统,提出了一种用边界元法求解空间周期性结构的集成单元法,并将其用来分析具有冷却通道的热防护系统的传热与受力变形问题. 此方法求解空间周期性结构问题,仅需要针对一个胞元建立边界元胞元方程,并由其形成由指定胞元数组成的集成单元,然后由集成单元组集成总体系统方程组. 提出的集成单元法既有常规子结构法的消元思想,又有传统有限单元、边界单元易于组集的特征,便于大型空间周期性结构的快速分析. 由于集成单元的系数矩阵只需形成一次,且最终方程只含边界节点未知量,计算效率显著提高. 论文最后用功能梯度平板和主动冷却燃烧室算例验证了本文所述算法的正确性和计算效率.      

基于支持向量机回归的结构系统可靠性及灵敏度分析方法

提出了一种基于支持向量机回归近似极限状态方程的系统可靠性分析方法,所提方法首先由支持向量机拟合系统各失效模式的极限状态方程,将复杂或隐式极限状态方程近似等价为显式极限状态方程,然后根据系统各个失效模式的逻辑结构,由高精度的显式极限状态方程方法计算系统的失效概率和参数灵敏度.与线性展开和响应面法近似极限状态方程相比,文中方法由于采用了基于结构风险最小化原理的支持向量机回归,因而在拟合非线性极限状态方程上表现优越,计算精度高.与直接蒙特卡洛模拟相比,由于该方法采用较少的样本即可近似出概率等价的显式极限状态方程,因而计算效率大幅提高.工程实例表明:所提方法可以处理串联、并联和混合系统的可靠性与可靠性灵敏度分析,具有工程运用价值.     

垂直管中双尺寸颗粒群的混合及分离规律研究

深海能源的开发利用近年来受到各国关注,而深海矿石是深海能源的重要组成部分.文章以深海采矿的垂直管水力输送为研究背景,其管道内流的典型特征是颗粒级配宽且颗粒浓度高.宽级配特征下,管道内存在粗细颗粒混合及分离的现象,可能导致颗粒局部浓度增加,危害输送安全.因此,文章研究垂直管内双尺寸颗粒群的混合及分离机理.采用计算流体力学-离散元方法 (CFD-DEM)开展数值模拟,针对粗细颗粒尺寸差异大导致体积浓度计算不准确的问题,提出颗粒群体积浓度计算修正模型以及欧拉场到拉格朗日场的数据映射模型,并进行程序实现及模型验证.研究发现粗细颗粒混合及分离过程会造成颗粒群前后出现间断,并且增加颗粒群局部体积浓度及颗粒碰撞频率.还定义无量纲颗粒碰撞应力和流固相互作用应力,表征颗粒碰撞强度和流固相互作用强度.颗粒群混合到分离过程中颗粒碰撞应力显著增加,因此可通过颗粒碰撞应力曲线确定初始混合到完全分离的时刻.此外,流固相互作用的差异是引起粗细颗粒分离的根本原因.     

热湍流研究的新十年:从聚焦传统到延伸拓展

热湍流(浮力驱动湍流)作为一种典型的湍流现象,广泛存在于自然界和工程应用中. Rayleigh-Bénard (RB)湍流是从众多自然现象中抽象出来研究热湍流的经典模型, RB湍流的典型特征是系统中存在大尺度环流和羽流等不同尺度的湍流结构,这些结构通过作用于边界层,影响RB湍流的输运效率.因此,明确不同尺度湍流结构的生成、演化和作用机理,对理解RB湍流的输运特性至关重要,也是通过控制湍流结构调控输运效率的科学基础.本文重点从湍流结构的时空演化规律、输运特性、湍流调控和热湍流在其他领域的拓展四个方面评述近十年来RB湍流研究所取得的新进展,并对今后的研究方向做出展望.     

Measurement techniques of grain motion and inter-grain structures in dense granular materials

颗粒材料由大量粗颗粒堆积形成, 是复杂的多体相互作用体系, 呈现出颗粒尺度的结构不均匀和动力学不均匀性的基本特征, 这决定了颗粒材料具有很多独特的宏观性质. 借鉴学科历史的发展途径, 基于统计力学, 从颗粒结构和动力学开始建立颗粒材料体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径.但是, 颗粒材料的基本特征决定了从基本理论到实验手段上, 表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性都极其困难.这是由于现有测试分析手段所描述的颗粒系统组织结构过于简单化, 缺乏对颗粒结构和动力学的真正认识, 从而制约了颗粒物质研究的发展.因此, 开展颗粒体系结构和动力学性质的测量, 是理解和认识颗粒材料重要物理和力学问题的基础和依据.笔者来自不同的科研院所, 近十年来开展了颗粒体系结构和动力学性质的测量研究, 主要集中于以下两个方向: (1)数字图像测速法、散斑能见度光谱法和X射线- CT等非侵入式测量技术在颗粒运动方面的应用; (2)体积响应谱、力学谱(有效质量和内耗等)和声速测量技术等直接或间接测量颗粒接触力和颗粒结构技术.本文综述了这些实验手段的基本原理及其特点、取得的主要成果, 以及国际最新进展和困难. 最后是对全文的总结, 结合笔者开展测量的经验和教训, 提出了自己的看法, 并试图展望颗粒材料测量技术研究的前景.     

密集颗粒体系的颗粒运动及结构测量技术

颗粒材料由大量粗颗粒堆积形成,是复杂的多体相互作用体系,呈现出颗粒尺度的结构不均匀和动力学不均匀性的基本特征,这决定了颗粒材料具有很多独特的宏观性质.借鉴学科历史的发展途径,基于统计力学,从颗粒结构和动力学开始建立颗粒材料体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径.但是,颗粒材料的基本特征决定了从基本理论到实验手段上,表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性都极其困难.这是由于现有测试分析手段所描述的颗粒系统组织结构过于简单化,缺乏对颗粒结构和动力学的真正认识,从而制约了颗粒物质研究的发展.因此,开展颗粒体系结构和动力学性质的测量,是理解和认识颗粒材料重要物理和力学问题的基础和依据.笔者来自不同的科研院所,近十年来开展了颗粒体系结构和动力学性质的测量研究,主要集中于以下两个方向:(1)数字图像测速法、散斑能见度光谱法和X射线-CT等非侵入式测量技术在颗粒运动方面的应用;(2)体积响应谱、力学谱(有效质量和内耗等)和声速测量技术等直接或间接测量颗粒接触力和颗粒结构技术.本文综述了这些实验手段的基本原理及其特点、取得的主要成果,以及国际最新进展和困难.最后是对全文的总结,结合笔者开展测量的经验和教训,提出了自己的看法,并试图展望颗粒材料测量技术研究的前景.     

密集颗粒体系的颗粒运动及结构测量技术

颗粒材料由大量粗颗粒堆积形成, 是复杂的多体相互作用体系, 呈现出颗粒尺度的结构不均匀和动力学不均匀性的基本特征, 这决定了颗粒材料具有很多独特的宏观性质. 借鉴学科历史的发展途径, 基于统计力学, 从颗粒结构和动力学开始建立颗粒材料体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径.但是, 颗粒材料的基本特征决定了从基本理论到实验手段上, 表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性都极其困难.这是由于现有测试分析手段所描述的颗粒系统组织结构过于简单化, 缺乏对颗粒结构和动力学的真正认识, 从而制约了颗粒物质研究的发展.因此, 开展颗粒体系结构和动力学性质的测量, 是理解和认识颗粒材料重要物理和力学问题的基础和依据.笔者来自不同的科研院所, 近十年来开展了颗粒体系结构和动力学性质的测量研究, 主要集中于以下两个方向: (1)数字图像测速法、散斑能见度光谱法和X射线- CT等非侵入式测量技术在颗粒运动方面的应用; (2)体积响应谱、力学谱(有效质量和内耗等)和声速测量技术等直接或间接测量颗粒接触力和颗粒结构技术.本文综述了这些实验手段的基本原理及其特点、取得的主要成果, 以及国际最新进展和困难. 最后是对全文的总结, 结合笔者开展测量的经验和教训, 提出了自己的看法, 并试图展望颗粒材料测量技术研究的前景.      

原位生成MoB增强Cu-Sn-Al合金复合材料的摩擦学性能研究

采用快速热压烧结方法成功制备了原位生成MoB增强的Cu-Sn-Al合金复合材料,研究了增强体添加含量对复合材料体系摩擦学性能的影响,并对其摩擦磨损机制进行了分析. 研究表明:在Cu-5Sn合金基体中添加MoAlB陶瓷颗粒后,烧结过程中,层状结构MoAlB陶瓷中的Al元素能够扩散到基体中,生成原位MoB增强Cu-Sn-Al合金复合材料. 此外,复合材料体系的硬度随着MoAlB添加量的增加逐渐提高,与Cu-5Sn合金相比,当添加MoAlB质量分数为30%时,复合材料硬度值提高了约5倍. 同时,随着添加MoAlB陶瓷颗粒含量的增加,复合材料体系摩擦系数和磨损率逐渐降低,当添加的MoAlB陶瓷颗粒质量分数为30%时,复合材料摩擦系数和磨损率分别低至0.33和5.4×10?5 mm3/(N·m). 由于原位生成MoB颗粒的钉扎效应,在摩擦过程中能够抑制基体材料的塑性变形,使得材料体系的硬度显著提高,磨损率明显降低,摩擦过程中表面生成的摩擦氧化物,能够降低材料体系的黏着磨损和二体磨粒磨损,可以起到优异的抗磨减摩效应.      

亚微米颗粒在汇作用下运动机理的实验研究

当前,城市空气质量的不断恶化,引起了公众的普遍性关注.空气中的悬浮颗粒物,是城市大气环境重要污染源之一,其分布、运动及扩散规律已成为科学领域的研究热点.与连续流体不同,大气中的悬浮颗粒物是离散的,确定颗粒运动的模型是研究大气细微颗粒污染问题的关键.本文拟研究小空间静稳空气中亚微米级颗粒在汇作用下的运动规律,并构建其运动模型.在密闭实验空间中通过燃烧生成亚微米颗粒,利用静电吸附装置模拟颗粒汇,并通过粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)实验和激光多普勒测速仪(lasser Doppler velocimeter,LDV)实验技术测量分析不同空间内亚微米颗粒在大气中的热运动速度和在汇作用下的运动规律,并推导出颗粒物的速度分布经验公式.结果显示:粒子在汇作用下的运动与连续流体汇运动规律类似,但在小空间内颗粒的运动不满足流体连续方程;说明在无气流夹带输运情况下,利用汇作用及颗粒的扩散而发展的颗粒净化技术是可行的.     

声场操控微颗粒图案化实验研究

体声波(bulk acoustic wave, BAW)作为一种典型的声场操控方法,能够实现微颗粒三维方向上的直接排列,并因其优良的生物兼容性,在微小生物目标图案化排列方面展示出巨大的应用潜力.在组织工程和生物3D打印等相关应用领域中,微颗粒图案化排列的效率是最终成型质量的关键因素.尽管已有对图案化排列过程中微粒运动的理论描述,但由于微尺度下无法实施高精度测量,难以构建准确可靠的仿真模型,因此影响图案化排列效率的具体因素尚不明确.为了探究影响图案化排列效率的主要因素及其特征,本研究设计并构建了一套可视化实验平台.通过显微视觉系统,精确观察了BAW作用下微颗粒的运动行为以及单个微颗粒的状态变化,分析了压电陶瓷换能器驱动电压、悬浮液浓度、颗粒尺寸和液体黏度对排列时间的影响规律.结果表明,在特定范围内,微球悬浮液浓度的增加会导致排列时间略微延长,然而这种差异并不显著;对于直径范围在10～100μm之间的微球,其尺寸的增大有助于提高排列效率;相较于其他参数,液体黏度对排列效率的影响最为显著.本研究为基于BAW实现微颗粒图案化研究及相关应用提供了重要数据和设计指导,有助于推动生物医学和材料科学等...     

基于相场模型的金属微波烧结演化机制分析及同步辐射断层扫描实验验证

为了探索不同种类金属材料的微波烧结机制,本文针对钛和铝两种具有不同电磁学特性的金属材料,分析了微波与金属微粒的相互作用。依据经典的麦克斯韦方程,金属表面产生电子涡流和趋肤效应。由P.Mishra和K.I.Rybakov等提出的金属在微波中的加热效率理论,推导出钛金属表面的热效应明显高于铝。因为电子涡流在磁场中产生指向颗粒内部的洛伦兹力这一微波非热效应,阻碍了内部物质向外的扩散,且铝的感应涡流大于钛,故其向心力更大。由于微波的热效应和非热效应导致物质扩散的驱动力不同,得出"钛的微波烧结速率明显大于铝"这一区别于常规烧结的结论。将获得的分析结果引入相场数值模拟,改变相场模型中控制演化过程中的表面和体扩散变量,获得不同的模拟结果,定量分析了烧结颈等微观结构参数随模拟时间的演化曲线。结合同步辐射断层扫描(SR-CT)技术获得的金属在微波烧结过程中的实验参数,与理论分析和模拟结果相吻合,从而验证了分析和模拟的正确性和可行性。上述结果可为研究金属在微波烧结过程中的演化机制提供支持。