基于细观结构的颗粒介质应力应变关系研究

用DEM数值计算了一个颗粒介质的双轴压缩试验, 分析了颗粒介质在等向压缩与剪切过程中颗粒细观结构的变化规律, 推导出一个基于颗粒细观结构变化的颗粒介质屈服函数, 其形式与修正剑桥模型的屈服面相似. 利用该屈服面方程, 可以通过颗粒接点数按接触角整理的分布变化说明在压缩和剪切过程中颗粒介质的屈服特性, 为从颗粒细观结构的变化规律进一步研究颗粒介质的应力-应变特性提供了一个可行的方法.     

重力对两维液态泡沫点输入强制渗流的影响

液态泡沫由大量气泡密集堆积在微量表面活性剂溶液中形成, 具有高度有序的结构和独特的流变特性, 是典型的复杂系统, 与常见的固体泡沫和多孔介质截然不同. 影响液态泡沫结构和流变特性的惟一重要因素就是泡沫内部的微量液体. 这些微量液体受重力与毛细管力会在泡沫通道上(柏拉图通道和节点, 亦即Plateau border和vertex)发生渗流, 柏拉图通道和节点也往往同时发生几何拓扑变化, 释放表面能. 该自组织过程是由流体耗散趋于极小和泡沫表面能趋于极小两种机制的相互协调控制的. 重力会影响流体耗散趋于极小趋势的强弱, 进而造成不同的自组织过程, 影响泡沫内的渗流. 本文模拟了Hele-Shaw Cell内两维液态泡沫(大小为12 cm×14 cm×3 mm)在8种重力加速度 (从g = 9.8 m/s²到g = 0 m/s²)下点输入的强制渗流, 发现在竖直和水平方向的渗流波传播位置与时间的关系很好地符合幂函数形式, 指数分别为0.536+5.29×10^-3g和0.479-7.27×10^-3g, 在不同重力下两者之和接近常数1.015, 该结果将有助于进一步分析泡沫内部的协调机制.     

转筒颗粒流崩塌前后的颗粒温度和体积分数测量

转筒中的颗粒流在工业生产中广泛应用,准确描述颗粒流规律对于调控生产中的换热效率和混合效率极为重要,颗粒温度和颗粒体积分数是影响颗粒流的主要参数.本文搭建了基于面阵CCD相机的图像测量装置,以及基于线阵CCD相机的同轴双散斑能见度光谱法(Speckle Visibility Spectroscopy, SVS)测量装置,选取均值粒径为0.5 mm的球形颗粒和等效粒径为0.5 mm的不规则颗粒.通过测量转筒中颗粒体系的侧表面轮廓,计算得到颗粒体系崩塌前后的体积分数.发现在崩塌过程中,球形颗粒体系和不规则颗粒体系都发生膨胀;在崩塌前,不规则颗粒体系发生压缩,而规则颗粒体系不发生压缩.进一步,测量了颗粒体系自由表面上不同位置的颗粒温度δv2.发现球形颗粒与不规则颗粒的崩塌发生在同一个位置;不规则颗粒体系的压缩首先发生在体系上半部分,并且在一个崩塌周期时间内,压缩现象仅发生一次.最后,根据颗粒体系的侧表面轮廓和颗粒温度大小,确定了休止角和特征时间参数,发现球形颗粒体系休止角与崩塌时间的关系与Davidson提出的模型一致,并发现崩塌前不规则颗粒体系的压缩会缩短颗粒的崩塌时间.实验结果揭示的转筒内颗粒流规律,为完善工业生产中颗粒材料流动与传热的控制技术提供参考数据.     

颗粒材料热力学理论在简单剪切流中的应用

颗粒物质由大量离散的粗大固体颗粒聚集而成,在外界作用下可能发生准静态变形、变形局部化和破坏,直至流动,其中采用固体力学和流体力学对准静态变形和流动开展的研究较为系统,而变形局部化和破坏的研究非常薄弱．分析内部结构演化规律,建立颗粒体系非平衡态热力学,统一描述颗粒体系力学行为是重要的基础研究课题,Granular Solid Hydrodynamics（GSH）理论为该研究提供了基础．本文完善了该理论涉及的颗粒温度表达式,确定了相应参数数值;与动理学理论和离散元模拟一起对恒定体积简单剪切流进行了分析,对比了三种方法得到的正应力与颗粒体积分数的关系,发现由于基本假设的限制,动理学理论只能适用于稀疏颗粒流,而完善后的颗粒体系热力学理论比动理学涵盖范围更广,可以从稀疏体系到密集体系．这样该理论可以连贯地描述颗粒体系准静态变形、变形局部化和破坏,直至流动的力学行为．     

汶川地震唐家山堰塞湖泄流过程的数值模拟

“5.12”汶川特大地震造成了重大人员伤亡和财产损失, 而山体滑坡形成的堰塞湖不稳定而易于发生溃决, 造成洪水灾害, 是震后急需防御的次生灾害重点和难点. 除了大量的现场勘测外, 对泄流及堰塞体冲刷过程的研究, 是制定下游避险、抢险方案的关键. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室曾为规模最大、威胁最严重的唐家山堰塞湖抢险提供了及时的技术支持, 本文是部分工作的总结. 针对唐家山堰塞湖特定的泄流动力学过程, 开发了平面二维水沙数学模型, 扩展了基本方程, 考虑了堰塞体形成的河床变形对水流运动的影响, 提出了高精度且高效率的边界跟踪算法, 分析了堰塞湖泄流过程以及堰塞体冲刷发展的机制. 结果表明, 河床变形对泄流影响较大, 堰塞体以溯源冲刷为主, 计算得到的泄流流量、堰塞湖水位与 实际观测值吻合较好, 这些结果已经很好地服务于唐家山堰塞湖下游应对方案的确定.     

低浓度固液两相流Boltzmann方程的同伦分析方法解

同伦分析方法（Homotopy analysis method,HAM）是求解强非线性问题的有力手段.针对两相流动理学理论中的非线性微分积分方程——Boltzmann方程,本文采用HAM方法选取Maxwell速度分布函数作为初始猜测解,求解得到了低浓度固液两相流的BGK模型Boltzmann方程的一阶近似解,与传统的Chapman-Enskog方法得到的一阶近似解表达式的结构一致,显示了HAM方法求解Boltzmann方程的有效性,为一般Boltzmann方程的HAM方法求解奠定了基础.     

临界状态下非饱和土裂缝开裂间距

非饱和土体的蒸发开裂机理复杂, 开裂间距的确定较为艰难. 本文提出了初次开裂后, 随着水分的继续损失, 当土体达到临界条件时发生二次开裂的概念, 进而将裂缝间距分为二次开裂间距和二次趋势开裂间距, 理论推导了相应的间距公式. 通过与现有实验的对比发现, 该公式计算结果与实测结果符合很好. 最后研究了泊松比对开裂间距的影响, 在[0.30, 0.35]区间时, 泊松比与开裂间距成线性关系, 泊松比对开裂的间距有较大影响, 应当精确测量.     

基于磁定位技术的冲击侵彻尺度的测量

在小天体的探测任务中，探测器需要应对小行星表面特殊的风化层地貌环境。而人们目前对于风化层与探测器间的多尺度、强非线性的复杂动力学行为认知尚不充分，且对于撞击侵彻参数的测量缺乏合适的方法。为了掌握着陆过程中探测器的侵彻尺度关系，提出了一种实验室环境下基于磁偶极子模型的撞击动力学测量系统，通过迭代标定和GA-LM最优化算法提高了定位精度。将其应用于斜坡的撞击实验中，测量了撞击过程中撞击物2个方向的侵彻深度数据。结果表明：通过迭代标定算法和GA-LM算法平均提高了三轴31%的定位精度，使得最终的单轴定位误差小于3 mm；撞击斜坡过程中存在Y方向垂直穿透和Z方向横向滑动两种侵彻过程。Y方向的垂直穿透与下落高度符合1/3的幂律关系，而Z方向的滑动位移的标度规律并不稳定，原因是存在颗粒层崩塌的影响，并使得该位移与下落高度呈现非线性增加特征。