颗粒物质与颗粒流

第30卷第5期2003年9月

浙　江　大　学　学　报(理学版)

Journal of Zhej i ang Un iversity (Sc ience Edition )

V o l .30N o .5Sep.2003

颗粒物质与颗粒流

鲍德松,张训生

(浙江大学物理系,浙江杭州310027)

收稿日期:2002212204.基金项目:国家高技术“八六三”计划惯性约束聚变技术主题资助项目(2002AA 84ts 06);国家自然科学基金资助项目(10274071).作者简介:鲍德松(1964—),男,高级工程师,主要从事凝聚态物理的研究.

摘　要:颗粒物质研究是当前物理学研究的热点之一.在我国,对颗粒物质的研究才刚刚起步.本文主要是简单介绍颗粒物质的基本概念以及颗粒物质研究对工农业生产的意义,同时介绍国内外最近几年在颗粒物质方面的研究进展,再报道作者在颗粒物质研究方面的一些初步结果.关　键　词:颗粒物质;颗粒流

中图分类号:O 469 文献标识码:A 文章编号:1008-9497(2003)05-514-04

BAO D e 2song ,ZHAN G Xun 2sheng (D ep art m ent of P hy sics ,Z hej iang U niversity ,H ang z hou 310027,Ch ina )Granular matter and granular f low

.Journal of Zhejiang U niversity (Science Editi on ),2003,30(5):514-517Abstract :Granular m atter exists ubiquitous in our daily lives and the granular m aterials behave differently from any of the o ther standard and fam iliar fo r m s of m atter :so lids ,liquids o r gases ,and should therefo re be considered an additi onal state of m atter in its ow n righ t .T hey p lay an i m po rtant ro le in m any of our industries ,such as m in 2ing ,agriculture ,civil engineering and phar m aceuticalm anufacturing .So ,there has been a resurgence of interest in the granular m atter in recent years w ith in physics .But ,the study of the granular m atter is touch ing now in our country .In th is paper ,the study in th is field in recent years is described and autho rs’w o rk is introduced .Key words :granular m atter ;granular flow

颗粒态在自然界广泛存在,颗粒尺度在Λm ～104m 范围的物质都可称为颗粒物质.所以沙石、浮

冰、矿石、粮食以及药品都是颗粒物质.在日常生活

中遇到的交通流、人流、散态物料输送、雪崩和泥石流都属于颗粒流.关于颗粒物质的研究可以追溯到18世纪,当时Cou lom b [1]通过对固体间摩擦力的研究提出了大家熟知的关于固体间摩擦力的有关定律,即固体间摩擦力正比于彼此间的正压力,而且固体间静摩擦系数大于滑动摩擦系数.其实人们在日常生活中早就发现,如果在一个圆筒型容器填充颗粒物质时,容器底部的压力不随颗粒高度线性增加,而是当颗粒高度达到一定值时,容器底部压力趋于饱和,这和液体在容器中所表现的性质完全不同,这就是著名的粮仓效应.1895年H .Jan ssen [1]就提出了解释粮仓效应的模型:即粮仓底部压力趋于饱和的主要原因是由于颗粒之间的相互作用,垂直方向的力被分解到水平方向,由于摩擦力的存在,容器器

壁支撑了颗粒的重量.另外,在较早的时候人们就用沙漏来作为计时工具,这是因为在实践中发现颗粒从漏斗口流出时流量基本保持不变,颗粒流出漏斗口的流量仅与颗粒密度及漏斗开口有关而与颗粒在漏斗内的高度无关.颗粒流量可表示为:Q =C Θb

g D 05 2

;其中,C 为常数,Θb 为颗粒密度,g 为重力

加速度,D 0为漏斗开口尺寸.对颗粒物质研究较多的还是对沙堆的力学结构的研究.研究发现沙堆在堆积过程中存在一静止角,而且采用不同方法形成的沙堆其力学结构有明显区别.采用点流源(local 2ized sou rce )方法形成的沙堆正中处存在一压力凹陷,而用落雨(rain ing )方法形成的沙堆就没有压力凹陷[2].这说明沙堆是否存在压力凹陷与沙堆形成的历史有关.颗粒物质还有一个有趣的现象就是振动成堆与对流[1～5],颗粒在容器中作垂直振动时,选择适当的加速度和频率,颗粒表面会形成不同的斑图[2～5],而且两个尺寸相同而重量不同的颗粒在振

动中的表现往往出乎习惯的想象.在水平振动的实验中也发现不同质量或不同尺寸的颗粒在振动中会发生有一定规则的分离[7].例如有时在合适的振动频率和加速度下,相同性质的颗粒会逐渐融合形成几个宽带结构等等.颗粒物质所表现的超乎常规的现象还有许多,而所表现的这些现象到目前为止还没有一套完整的理论加以描述,还有待于进一步研究.因为颗粒物质的普遍存在,如自然界中的崩塌、在医药制药工业等方面的重要应用,所以对颗粒物质的研究有着重要的意义,对颗粒物质的研究近年也成了凝聚态物理研究的热点之一.

1　颗粒物质研究的最新进展

如今对颗粒物质的研究成为国际物理学的前沿热点之一,这主要是由于人们对自然现象认识的深入、工业发展的要求以及计算机计算能力的快速提高和现代先进测试仪器的运用.因为颗粒物质所表现出的各种奇特的现象都是因为颗粒物质的相互作用是一个能量耗散系统,而颗粒物质所表现的各种复杂的特性都强烈依赖于颗粒之间的力的相互作用,颗粒之间的相互作用可以归纳为颗粒之间的非弹性碰撞和摩擦力.所以到目前为止,对颗粒物质的研究主要是研究颗粒物质的力学性质,并在此基础上提出相应的解释模型.对颗粒物质的研究由于颗粒数量大、运动规律复杂,大量地采用了计算机模拟技术.如对沙堆崩塌现象的研究,P.B ak,C.T ang和K.W iesenfeld[8]提出了著名的B TW元胞自动机模型,认为沙堆崩塌是一个自组织临界现象(SOC),但是B TW模型只适合解释小尺度的沙堆崩塌.所以在B TW模型基础上提出了许多修正模型用于解释沙堆的崩塌现象,但到目前为止还没有一种模型能完全解释沙堆崩塌现象.对于沙堆底部压力凹陷的研究也提出了多种模型[9～12],如Edw ards将沙堆底部的压力凹陷归结于沙堆内部颗粒的成拱,而J.P. Bounchaud提出了FPA连续近似模型.这些模型在一定范围内都能解释沙堆底部的压力凹陷,但不管哪种模型都有其不成熟之处,关于沙堆底部压力凹陷也还有待于进一步研究.最近关于二维颗粒流的研究已经引起了广泛地关注[12～14],这主要是随着交通问题的出现,而交通流正是二维颗粒流,所以对二维颗粒流的研究意义变得十分重大.在高速公路上的交通流,车辆流量与车速及车流密度呈复杂关系.在车辆密度小于约20辆 km时,流量与密度成正比;而当密度再增加时,则由于车速减小导致流量降低,形成自由流到同步流的相变[12,13].所以可以通过对二维颗粒流的研究,找出交通流中某些最基本的规律,尽可能减少由于交通阻塞而带来的经济损失.另外,因为浮冰、泥石流等自然灾害也是属于二维颗粒流,所以作者的主要工作是对二维颗粒流进行研究.

2　对颗粒物质研究所得到的一些结果

对颗粒物质的研究主要包含如下两方面的内容:一是通过实验研究二维传送带上圆片颗粒运动与开口大小及传送带速度的关系[14],其目的是想模拟车辆及人流的阻塞行为.实验装置结构示意图如图1所示.对二维传送带上颗粒流流动行为的研究发现二维颗粒流通过瓶颈口时其流量主要受传送带的速度以及瓶颈开口大小的影响.当开口尺寸d固定时(d=R D,是以颗粒直径归一化的开口大小),对于颗粒流量存在临界速度v c,在v

.

图1　实验装置示意图

L—传送带宽度,v—传送带速度,R—开口尺寸

F ig.1　Schem atic diagram of the experi m ent

setup

图2　临界速度v c与开口大小d的关系

F ig.2　T he critical speed v c relati on to d,w here

d≡R D is the opening in units of disk diam eter

在区域 ,颗粒流量遵从Q=ΘvR规律,而在

515

　第5期鲍德松,等:颗粒物质与颗粒流

区域 ,则近似遵从:Q =C Θv Β(d -k )3 2

规律,Θ为颗粒密度,d 为归一化颗粒直经,k 和C 为常数.从图2可以看出当速度v 固定时,对应有一临界开口,所以对应不同速度v ,必然有相应的不同的临界开口

d c .即改变颗粒运动速度v 或改变开口尺寸d 都可

产生颗粒流状态的改变.这是由于开口尺寸或速度变化使颗粒间相互作用发生了变化.对这些现象和规律的认识,可帮助理解交通流中自由流到同步流的转变,以及其他离散态物质流动行为.本文对颗粒流研究的另外一个方面是颗粒在二维斜面上的流动.实验装置结构示意图如图3所示.利用这一实验装置研究了流量随开口和通道宽度的改变而发生的稀疏流到密集流转变.颗粒在流动过程中存在一临界开口,当开口小于临界开口D c 时,颗粒流处于密集流状态,临界开口D c 与颗粒的初始流量和通道宽度有关.如图4所示.颗粒流处于密集流状态时,发现颗粒流流量仅与开口大小有关,可表示为:Q =

aD

3 2

.另外,重点考察和讨论了临界开口D c

的影响

图3　实验装置示意图

A 区—颗粒贮存区,

B 区—颗粒流动通道,W —通道宽度;l —通道长度;D —出口宽度

F ig .3　Schem atic diagram of the experi m ental setup

Part A :a sto re fo r particles ,Part B :channel of the granular flow ,W :w idth of the channel ,L :length of the channel ,D :w idth of the exit

因素,临界开口D c 与颗粒的初始流量和通道宽度

有关.当通道宽度W 一定时,临界开口尺寸D c 近似随初始流量Q 0的平方根增大.在初始流量Q 0一定时,临界开口尺寸D c 随通道宽度W 近似线性增大.D c 与Q 0满足如下关系:

D c

=

e

2

4(1-e )

2

+

Q 0

(1-e )W Θc

2g l sin Η

1 2

W -

e

2(1-

e )W ,其中,e 为颗粒之间碰撞恢复系数,这是由于部分颗

粒在通道出口处受阻而发生碰撞所引入的参数,Θc

图4　初始流量固定为38.0g ?s -1,不同通道宽度

W 时出口流量Q 与出口尺寸D 的变化关系自左向右W 分别为16,20,24,28,32,36,40mm

F ig .4　A t a fixed inflow rate Q 0,the relati on be 2

tw een the outflow rate Q and the exit w idth D in different w idth of channel

F rom left to righ t ,the w idth of channel W is co rresponding to 16,20,24,28,32,36and 40mm

是形成密集流时临界颗粒密度,g 是重力加速度,l

为通道长度,W 为通道宽度,Η为斜面倾斜角.这些结果对很多颗粒态物质流动的实际问题,如颗粒流、人流、浮冰流以及泥石流等,提供了避免和减轻瓶颈拥阻的理论依据.

3　结束语

到目前为止对于微观粒子可以用量子力学理论解释得十分清楚,而对于宏观世界颗粒物质的各种现象的解释还有一定的困难,这是因为颗粒物质系统是一个复杂系统,颗粒物质本身有其独特的性质,对于颗粒物质和颗粒流有大量现象有待于解释,探索颗粒物质的运动规律对日常生活及工农业生产都有重要的帮助,特别是对自然灾害的防治,如对雪崩、浮冰以及泥石流基本运动规律的研究提供一定的帮助.正是在这一前提下作者建立了颗粒物质实验室.目前工作才刚刚起步,进一步工作将在以下几方面展开:颗粒在平面上的传动,颗粒在二维斜面上的流动以及颗粒的振动与分离.

浙江大学物理系凝聚态物理研究所颗粒物质实验室是在唐孝威院士领导下建立的,在本文的撰写过程中也和唐先生进行了讨论,另外,本工作也得到浙江大学理学院的资助,在此一并表示感谢.

6

15浙江大学学报(理学版)第30卷　

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(责任编辑　涂　红)

715

　第5期鲍德松,等:颗粒物质与颗粒流

FLUENT中两相流多相流中模型的的选择问题

两相流：通常把含有大量固体或液体颗粒的气体或液体流动称为两相流；其中含有多种尺寸组颗粒群为一个“相”，气体或液体为另一“相”，由此就有气—液，气—固，液—固等两相流之分。 两相流的研究：对两相流的研究有两种不同的观点：一是把流体作为连续介质，而把颗粒群作为离散体系；而另一是除了把流体作为连续介质外，还把颗粒群当作拟连续介质或拟流体。 引入两种坐标系：即拉格朗日坐标和欧拉坐标，以变形前的初始坐标为自变量称为拉格朗日Langrangian 坐标或物质坐标；以变形后瞬时坐标为自变量称为欧拉Eulerian 坐标或空间坐标。 一.离散相模型 FLUENT在求解连续相的输运方程的同时，在拉格朗日坐标下模拟流场中离散相的第二相；← 离散相模型解决的问题：煤粉燃烧、颗粒分离、喷雾干燥、液体燃料的燃烧等；←应用范←围：FLUENT中的离散相模型假定第二相体积分数一般说来要小于10-12%（但颗粒质量承载率可以大于10-12%，即可模拟离散相质量流率等/大于连续相的流动）；不适用于模拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题，包括：搅拌釜、流化床等； 颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响未考虑；← 湍流中颗粒处理的两种模型：Stochastic Tracking，应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响；Cloud Tracking，运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道的湍流扩散。通过计算颗粒的系统平均运动方程得到颗粒的某个“平均轨道”← 二.多相流模型 FLUENT中提供的模型： VOF模型(Volume of Fluid Model)←

混合模型(Mixture Model)← 欧拉模型(Eulerian Model)← 1.VOF模型(Volume of Fluid Model) VOF模型用来处理没有相互穿插的多相流问题，在处理两相流中，假设计算的每个控制容积中第一相的体积含量为α1，如果α1=0，表示该控制容积中不含第一相，如果α1=1，则表示该控制容积中只含有第一相，如果0←<α1<1，表示该控制容积中有两相交界面； VOF方法是用体积率函数表示流体自由面的位置和流体所占的体积，其方法占内存小，是一种简单而有效的方法。← 2.混合模型(Mixture Model) 用混合特性参数描述的两相流场的场方程组称为混合模型；← 考虑了界面传递特性以及两相间的扩散作用和脉动作用；使用了滑移速度的概念，允许相以不同的速度运动；← 用于模拟各相有不同速度的多相流；也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流；← 缺点：界面特性包括不全，扩散和脉动特性难于处理。← 3.欧拉模型(Eulerian Model) 欧拉模型指的是欧拉—欧拉模型；← 把颗粒和气体看成两种流体，空间各点都有这两种流体各自不同的速度、温度和密度，这些流体其存在在同一空间并相互渗透，但各有不同的体积分数，相互间有滑移；←颗粒群与气体有相互作用，并且颗粒与颗粒之间相互作用，颗粒群紊流输运取决于与气相间的相互作用而不是颗粒间的相互作用；← 各颗粒相在空间中有连续的速度、温度及体积分数分布。← 怎样选择？ 1. VOF模型适合于分层流动或自由表面流； Mixture和Eulerian模型适合于流动

颗粒流介绍

年后 颗粒流（PFC)简介 2009-10-07 11:14:48| 分类：岩土工程| 标签：|字号大中小订阅 注：今天偶然间见到颗粒流的概念，以前一直不了解，今天查了查，贴在这里，以备以 后可以温故知新。 本文内容源自浙江大学罗永先生的博士论文，使得吾辈能花较少的时间看到广博的知 识，在此特向其表示感谢！ 岩土工程数值计算总体上可以分为两大类:一类是基于连续介质力学理论的方法，如有限元法(FEM)和快速拉格朗日法 (FLAC(1tasea，2002))等;另一类是不连续介质力学的方法，如离散元法UDEC(1tasca，2000)、3DEC(Itasea，1998)、PFC(Itasea，2002)和块体理论DDA(石根华，1988)等。离散元方法按其用途又可以分为宏观离散元方法和细观离散元方法，前者主要针对解决规模相对较大的不连续面，如断层节理结构与基础之间的结合面等引起的问题(UDEC，3DEC)，后者则着重于数目众多具有不连续特性的接触面或点，如破碎岩体中的破裂面、砂土中的接触面(点)和材料中颗粒之间的接触面(点)等。PFC(Particle Flow Code)是在著名学者Peter Cundall 主持下采用细观离散元理论(又称为粒子流理论)开发的一种数值计算平台，可以广泛地应用于研究细观结构控制问题。目前，PFC在世界上的应用并不广泛，成果报道也主要集中在PFC国际会议论文集中。

颗粒流PFC2D (Particle Flow Code in 2 Dimensions)平台数值模拟单元有两种:颗粒圆筒和颗粒(disc or particle)，主要用于平面应力和平面应变的特殊情况;颗粒流PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimensions)的数值模拟单元是三维球体颗粒(granular)，主要用于三维受力分析。 Cundall(2002)博士认为PFC在描述岩土体介质特殊特性方面有着其他常用数值方法不可比拟的优势，主要表现在如下方面: (l)能自动模拟介质基本特性随应力环境的变化; (2)能实现岩土体对历史应力一应变记忆特性的模拟(屈服面变化 Kaiser效等); (3)反映剪胀及其对历史应力等的依赖性; (4)自动反映介质的连续非线行应力一应变关系屈服强度和此后的应 变软化或硬化过程; (5)能描述循环加载条件下的滞后效应; (6)描述中间应力增大时介质特性的脆性一塑性转化;

盾构隧道垂直土压力松动效应的颗粒流模拟_朱伟

第30卷 第5期 岩 土 工 程 学 报 Vol.30 No.5 2008年 5月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering May, 2008 盾构隧道垂直土压力松动效应的颗粒流模拟 朱 伟1，2，钟小春2，加 瑞2 （1.河海大学环境科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.河海大学土木工程学院，江苏 南京 210098） 摘 要：通过对比室内三轴试验和颗粒流程序双轴数值试验结果，确定了颗粒流模拟砂土的细观参数；通过对室内挡板下落试验的颗粒流数值模拟，验证了颗粒流模拟土拱效应的可行性。在此基础上对盾构隧道垂直土压力的松动效应进行了颗粒流模拟，分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直径和不同围岩时作用在管片上的土压力、土体位移和土体颗粒接触力的变化情况。结果表明，土拱效应主要发生在隧道上部1～2倍隧道直径的范围内，隧道顶部土体通过土拱效应可大幅度减少作用在隧道上的土压力。 关键词：盾构隧道；垂直土压力；松动效应；颗粒流模拟 中图分类号：TU411.2；U455.43 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2008)05–0750–05 作者简介：朱 伟(1962–)，男，教授，博士生导师，主要从事隧道盾构技术和环境工程研究。E-mail: weizhu@https://www.doczj.com/doc/a410488044.html,。 Simulation on relaxation effect of vertical earth pressure for shield tunnels by particle flow code ZHU Wei1,2, ZHONG Xiao-chun2, JIA Rui2 （1. College of Environmental Science and Technology, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. College of Civil Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China） Abstract: Compared the results of laboratory triaxial tests with those of biaxial tests in the particle flow code, the microscopic parameters were determined, and sand characteristics in particle flow code were simulated. Simulation of soil arching by particle flow code was proven feasible through comparison of the results of trapdoor simulated by particle flow code with those of trapdoor tests. Based on the above study, the model of particle flow code was established for simulation on relaxation effect of vertical earth pressure in shield tunneling, and then was used to analyze the earth pressure on the lining, earth displacement and contact force between soil particles considering the factors of ground loss, buried depth and diameter of tunnels and soil properties. It was indicated that the soil arching mainly took place within the range of soil of 1~2 times the tunnel diameter above the tunnel, and that the earth pressure acting on the tunnel lining decreased greatly because of the soil arching. Key words: shield tunnel; vertical earth pressure; relaxation effect; particle flow simulation 0 引 言 在盾构隧道施工中管片的投资一般占工程投资的30%～40%，是影响施工经济性和结构安全性的重要因素。盾构隧道管片设计时的关键问题是合理地确定作用于衬砌上的土压力，它是衬砌结构设计安全且经济的基本要求。垂直土压力是难以准确计算的荷载，同时会影响到水平土压力和地基反力的确定。由于土拱效应的存在，在埋深较大或较硬土层中，作用在衬砌上的垂直土压力并不是上覆土体自重，而要比上覆土体自重小的多，这已被很多现场实测结果所证实[1]。合理地评价地层的松动效应是确定垂直土压力的关键，目前对盾构隧道垂直土压力松动效应的评价还存在争议。在垂直土压力的计算方面，有的国家采用了太沙基松动土压力，大部分国家仍采用较为保守的全覆土重[2]。周小文[3]对盾构隧道进行了离心模型试验研究，试验得到的土压力比太沙基松动土压力要小。 土体的宏观表现必然与其内在的细、微观特性相关，可从细观角度模拟土体来对土拱效应的机理进行研究。二维颗粒流程序（PFC2D）是一种离散单元法，它可以克服传统连续介质力学模型的宏观连续性假设，将土体微细观结构与宏观力学反应联系起来，可以对盾构隧道垂直土压力松动效应的形成机理有更深入的了解。A. Fakhimi等[4]运用PFC2D对岩石中的开挖问题进行了模拟，研究了圆洞周围的破坏情况。曾庆有和周健[5]用二维颗粒流程序对各种移动模式的刚性挡墙被动土压力进行了模拟，将计算结果与试验结─────── 收稿日期：2007–05–18

颗粒形状对类砂土力学性质影响的颗粒流模拟

第30卷第10期岩石力学与工程学报V ol.30 No.10 2011年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2011颗粒形状对类砂土力学性质影响的颗粒流模拟 孔亮1，2，彭仁2 (1. 青岛理工大学理学院，山东青岛 266033；2. 宁夏大学物理与电气信息学院，宁夏银川 750021) 摘要：通过颗粒流软件PFC2D中的clump命令，生成4种不同外轮廓特征的颗粒组，并结合颗粒材料变形机制，定义构建基于颗粒圆度与凹凸度的形状系数。用形状系数与粒间摩擦因数分别反映颗粒的外轮廓特征和表面粗糙度。用PFC2D模拟颗粒堆积试验、双轴试验和直剪试验，探讨颗粒形状对类砂土材料宏观力学特性的影响。试验结果表明：在颗粒堆积试验中，颗粒外轮廓的不规则以及颗粒间摩擦因数的增大会导致自然休止角和天然孔隙率增大；在双轴试验中，材料的峰值强度与形状系数的变化规律可用线性函数很好地进行拟合，内摩擦角随形状系数的减小而增大；在直剪试验中，材料的抗剪强度有随形状系数的减小而增大的趋势，颗粒形状的不规则还导致强力传递链数目的减少和速度场分布的不均匀。 关键词：土力学；颗粒形状；类砂土；微观参数；形状系数 中图分类号：TU 44 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)10–2112–08 PARTICLE FLOW SIMULATION OF INFLUENCE OF PARTICLE SHAPE ON MECHANICAL PROPERTIES OF QUASI-SANDS KONG Liang1，2，PENG Ren2 (1. School of Science，Qingdao Technological University，Qingdao，Shandong266033，China； 2. School of Physics Electrical Information Engineering，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia750021，China) Abstract：Four particle groups with different outlines are generated by the command of clump in PFC2D. Combining with deformation mechanism of granular materials，a shape coefficient is defined based on roundness and unevenness. The shape coefficient and friction coefficient are used to reflect the characteristics of particle outline and surface roughness respectively. The particle stacking test，biaxial test and direct shear test have been simulated with PFC2D，and how the shape of the particles affect the macro-mechanical properties of granular materials has been discussed. The results show that particle shape plays an important role in the macro-mechanical properties of these tests. In the particle stacking test，the natural angle of repose and natural porosity increases with the irregular outline of particles and the friction coefficient between particles. In the biaxial test，peak strength and shape coefficient can be fitted with linear functions well，and the internal friction angle increases with the decrease of shape coefficient. In the direct shear test，the shear strength of materials increases with the decrease of shape coefficient；the irregularity of particle shape also results in the decrease of strong force chain and the inhomogeneity of velocity field. Key words：soil mechanics；particle shape；quasi-sands；microscopic parameters；shape coefficient 收稿日期：2011–05–18；修回日期：2011–06–21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50979037，51008166)；山东省自然科学杰出青年基金资助项目(JQ201017) 作者简介：孔亮(1969–)，男，博士，1991年毕业于西北农业大学农业工程专业，现任教授，主要从事岩土力学与城市地下工程方面的教学与研究工作。E-mail：kongliang@https://www.doczj.com/doc/a410488044.html,

颗粒流研究最新进展与挑战

颗粒流研究最新进展 以及催化装置内颗粒流模型的建立 摘.要:..本文从颗粒流态出发,探讨颗粒不同流态特征及其转化机制,并分析了颗粒流动 过程中的应力本构关系,总结了非均匀颗粒流动特殊分选现象的研究成果,以点带面方式分析颗粒流研究的重要进展.同时,本文还分析了颗粒流研究所面临的挑战.催化裂化提 升管反应器内原料油和催化剂颗粒间存在强烈地传质、传热和动量传递,同时进行着复杂地裂化反应。描述流化状态的催化剂颗粒流动特征非常困难,而它对裂化反应的影响又至关重要,因此本文从颗粒速度分布函数出发,推导出催化剂颗粒相流动方程结合油气湍流流动,耦合集总动力学模型,得到了催化裂化提升管反应器数学模型,为进一步研究 提升管内的反应特征和反应历程提供了有力手段。 关键词: 颗粒流;.应力;.分选;催化裂化;.提升管反应器;.颗粒动力学模型;.数学模型;.数 值模拟 1.引言 颗粒流是大量颗粒物质在外力作用和内部应力发生变化时产生的类似流体的运动 状颗粒流的存在范围很广,自然界中,滑坡、泥石流、雪崩、沙丘演化都是典型的颗粒流例子;.工农业生产过程中,制药、陶瓷、水泥、冶金、食品、能源和环保等领域都会遇 到颗粒流问题.颗粒流动过程中表现出了各种复杂的物理特性,对它的研究已成为国际物理前沿热点之一.虽然颗粒流是一种流动现象,但它具有区别于液态和气态流动的特点, 在不同边界条件和外力作用下会呈现出不同的流态,不同流态的颗粒流在其内部结构和应力上存在很大的差别,并由此引发出各种特殊的流动现象.了解颗粒在不同流态的产生条件及转化机制,探究颗粒在不同流动状态下的内部结构和应力状况,对解释颗粒流动机理以及流动过程产生的特殊现象,具有十分重要的理论和现实意义.文章拟从颗粒流流态、颗粒应力本构关系以及颗粒流动的特殊现象.流动分选三个重要内容出发,对颗粒流研究的现状和进展进行分析,以期以点带面的挖掘颗粒流研究进展的重要信息,促进颗粒流的后续研究. 催化裂化是一项重要的石油加工工艺,其总加工能力已列各种转化工艺的前茅,其技术复杂程度也居各类炼油工艺首位。由于催化裂化反应过程的原料油组成和化学反应 非常复杂,反应过程受各种操作条件及催化剂活性、选择性、失活的影响,所以建立能比较精确完整地描述该反应体系的数学模型十分困难。目前开发出的数学模型基本分为 2种:.关联模型和集总模型。[1]关联模型实际上是对大量实验数据和生产实测数据进行回归,整理得到计算产率和有关性质的关联式。集总模型是考察催化裂化反应的有效途

砂土双轴试验的颗粒流模拟_周健

砂土双轴试验的颗粒流模拟＊ Simulation of biaxial test on sand by particle flow code 周　健,池毓蔚,池　永,徐建平 (同济大学地下建筑与工程系,上海　200092) 摘　要:采用颗粒流程序,对砂土试样的双轴试验进行了数值模拟。将数值计算结果和室内试验实测结果进行了比较,发现颗粒流方法能较好地模拟室内试验。通过改变计算模型中颗粒单元的性质,给出了在不同颗粒单元参数时砂土试样的宏观性质,其结果对研究土体的本构模型有一定的应用价值。 关键词:颗粒流;砂土;双轴试验;本构模型 中图分类号:TU411 文献标识码:A 文章编号:1000-4548(2000)06-0701-04 作者简介:周　健,男,1957年生,1988年获得浙江大学土木工程系岩土工程专业博士学位,现任同济大学地下建筑与工程系教授,主要从事岩土工程数值分析和土动力学方面的研究工作。 ZHOU Jian,CHI Yu-wei,CHI Yong,XU Jian-ping (Department of Geotechnical Engi neering,Tongji University,Shanghai200092,China) Abstract:The paper si mulates biaxial tests of sand by particle flow https://www.doczj.com/doc/a410488044.html,parison between the results of nu merical simulations and laboratory tests shows good agreement between them.Macro properties of sand samples under various input parameters of particle elements are presented, and the results are valuable for developing soil constitutive models. Key words:particle flow code;sand;biaxial test;constitutive model 1　引 言 离散元法由Cundall在70年代提出[1],作为离散元的一种,二维颗粒流程序(PFC2D—particle flow code in 2-dimensions)[2]是专门用于模拟固体力学大变形问题及颗粒流动问题的计算方法,它通过圆形离散单元来模拟颗粒介质的运动及其相互作用。由平面内的平动和转动运动方程来确定每一时刻颗粒的位置和速度。作为研究颗粒介质特性的一种工具,它采用有代表性的数百个至上万个颗粒单元,通过数值模拟实验可以得到颗粒介质本构模型。PFC2D潜在的应用很多,如岩石与土体的开挖问题;模拟颗粒间的相互作用问题、大变形问题和断裂问题等;槽、管、料斗和筒仓中的松散物体流动问题;动态冲击问题;以及介质基本特性研究,例如屈服、流动、体变等[3]。 本文充分利用颗粒流能模拟颗粒聚合体变形性能的特点,构造相应的颗粒流砂土试样模型,对砂土的双轴试验进行数值模拟。通过改变颗粒的性质以及颗粒单元的大小和分布,得到一系列不同的试样宏观参数。对这些数值结果进行分析处理,发现颗粒流程序能较好地模拟砂土的室内双轴试验,尤其对土体变形的宏观和微观性能关系能给出很好的规律性。通过室内试样的颗粒流数值模拟,调整颗粒的各种参数,得到和试验结果相似的应力-应变关系曲线,有一定的理论分析和实际应用价值。2　数值试验步骤 为了进行颗粒流模拟试验,先生成颗粒聚合试样,通过移动墙来模拟加载过程和保持试样的围压(见图1),最后可以得到试样二维应力-应变关系曲线。通过一系列试验可以得出试样的弹塑性关系曲线及破坏特性曲线,如轴向偏应力-轴向应变试验曲线;加卸荷体变-轴向应变曲线;近峰值荷载时颗粒单元破坏图;应变软化与卸荷再加荷时的破坏图等。本文通过颗粒流模型模拟砂土试样在室内双轴的试验条件,侧重于探讨颗粒单元的微观输入参数与模拟试样宏观应力-应变关系及强度之间的关系。 采用PFC2D程序进行颗粒流模拟,当只研究圆形颗粒的运动与相互作用问题时可以直接采用PFC2D来模拟,不需增加单元的组合形式。为了简化,本文将砂土颗粒理想化成圆形颗粒。构造长方形试样,用模型的顶、底部墙模拟加载,左、右侧墙模拟围压约束。给定顶、底部墙的移动速度模拟应变控制加载方式,两侧墙的速度由程序自动控制,使在整个试验过程中围压保持恒定。记录整个试验过程中墙体的位置,颗粒的运动状况和颗粒之间的作用力,通过后处理,得到颗粒试样的宏观变形过程数据。 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(59738160) 　收稿日期:2000-06-01 　第22卷　第6期岩　土　工　程　学　报Vol.22　No.6 2000年 11月Chinese Journal of Geotechn ical Engineering Nov.,　2000

20120914哈尔滨工业大学计算颗粒流体力学及两相流技术研讨会新闻

哈尔滨工业大学计算颗粒流体力学及两相流技术研讨会成功举办 北京海基科技于2012年9月14日在哈尔滨工业大学能源科学工程学院举办了“计算颗粒流体力学及两相流技术研讨会”。 本次研讨会上，海基科技的技术工程师与参会的哈尔滨工业大学的师生共同探讨专业的计算颗粒流体力学软件Barracuda和离散元模拟软件EDEM的创新性技术特色和工程应用实例。本次会议吸引了哈尔滨工业大学能源科学学院、机电工程学院、土木工程学院、市政环境学院、东北农业大学、东北大学以及黑龙江工程学院的师生参与，会上讨论热烈。 以下是本次会议的图片信息

EDEM简介 EDEM是世界上第一款基于离散元技术的通用CAE软件，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化，其基于1971年Cundall提出的专门处理非连续介质问题的离散元方法（Discrete Element Method，简称DEM）。 利用其独特的功能，用户可以以一种更加恰当的方式对颗粒生产、加工过程进行研究，从而获得对散料处理过程崭新的认识。EDEM被广泛应用于工程机械、矿山机械、农业机械、制药、石油化工、冶金工业、能源工业等所有涉及颗粒的设备和工艺的优化设计。目前，国内已有近80家用户在使用EDEM辅助科研和产品设计工作。 Barracuda简介 Barracuda是由美国CPFD Software, LLC采用自己开发的CPFD专利技术，专业模拟工业级尺度的流体-颗粒系统动力学及化学反应的商用软件包。Barracuda软件与化工、石化、能源、冶金等工业领域对流态化研究需求完全匹配，确立了它在这些领域流化装置模拟中的领导地位。众多政府研究机构和世界财富500强企业选用它来做流化设备设计和工艺过程优化。典型用户包括：阿尔斯通、埃克森美孚、陶氏化学、道康宁公司、美国能源部国家能源技术实验室、利安德巴塞尔工业公司、石川岛播磨重工业株式会社、新奥集团、中科院过程所、上海GE煤炭多联产技术研究室、清华大学化工系、中国科学院工程热物理所、中冶赛迪、神华集团NICE等。

弹性力学论文：石灰岩细观力学特性的颗粒流模拟

2010年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2010 收稿日期：2010-07-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 40972191)；上海市教育委员会科研创新项目(No. 09YZ39)。 第一作者简介：徐金明，男，1963年生，博士、教授、博士生导师，主要从事岩土工程和工程地质计算技术的教学和科研工作。Email: xjming@https://www.doczj.com/doc/a410488044.html, 文章编号：1000－7598 (2010)增刊2－0390－06 石灰岩细观力学特性的颗粒流模拟 徐金明1，谢芝蕾1，贾海涛2 （1. 上海大学 土木工程系，上海 200072；2. 上海自然博物馆工程建设指挥部，上海 200041） 摘 要：岩体地区地质灾害的发生和发展取决于岩石细观组分的运动学行为。研究岩石运动学行为时通常将岩石作为整体研究对象较多，而直接以细观组分为对象的研究较少。以石灰岩为例，根据室内试验获得的岩石力学性质指标，使用基于非连续介质理论的颗粒流方法，将材料离散成刚性颗粒组成的模型，把颗粒细观变化与宏观力学特性联系起来，建立了石灰岩的细观结构模型，获得了颗粒接触力、颗粒接触模量、接触连接强度和连接刚度比等细观力学参数。由于文中直接以细观成分为研究对象、反映了岩石和岩体组成的本质特点，所得结论不仅对含裂隙岩石本构关系研究具有广阔的应用前景，而且对岩体工程性质和地质灾害机制研究也具有重要的理论意义。 关 键 词：石灰岩；细观力学特性；颗粒流；模拟 中图分类号：TU 452 文献标识码：A Simulation of mesomechanical properties of limestone using particle flow code XU Jin-ming 1，XIE Zhi-lei 1，JIA Hai-tao 2 ( 1. Department of Civil Engineering ，Shanghai University, Shanghai 200072，China; 2. Shanghai Science and Technology Museum, Shanghai 200041，China) Abstract : The formation and development of geological disasters in rock area are dependant on the kinematic behaviors of rocks, especially of grains, fissures, and fillings in the rocks. In the conventional studies, rocks are generally treated as entireties and few concerns are concentrated on the individual meso-compositions in these rocks. Taking a limestone for example, macromechanical properties were obtained for the rock specimens of laboratory tests; and particle flow code in two-dimensions (PFC2D) was used for simulating the macromechanical properties of the rock material. In the simulation, the material was discretized as an assembly of rigid particles. The mesomechanical parameters, such as contact forces, contact modulus, normal contact strengths, and stiffness ratio, were obtained; and the mesostructural model was established for the limestone; connecting meso-level changes in particles with macromechanical properties. Because the individual compositions were taken as the direct objectives, reflecting the intrinsic features of rock materials or rock masses, the techniques presented herein may be of great significance in studying the constitutive law of fissured rocks, engineering properties of rock masses, and mechanism of geological disasters. Key words: limestone ；mesomechanical property ；particle flow ；simulation 1 引 言 岩体地区地质灾害的发生和发展取决于岩石的运动学行为、尤其是岩石中颗粒、裂隙、充填物等细观组分的变化情况，常规宏观分析方法以岩石整体为研究对象较多，直接以细观组分为对象进行研究较少。基于非连续介质理论的颗粒流方法，将材料离散成刚性颗粒组成的模型，把颗粒细观力学参数与宏观力学特性联系起来，可以用于模拟颗粒 之间的相互作用和破裂面的形成扩展过程。 使用颗粒流方法对土的细观力学行为进行细观模拟，多使用PFC2D (particle flow code in 2-dimensions)或PFC3D (particle flow code in 3-dimensions)。周健[1]研究团队在这方面做了大量工作（比如，模拟了不同水压下渗流引起砂土特性变化的全过程）。 使用颗粒流方法进行岩石力学特性的细观模拟也有一些报道。Potyondy [2]、 Potyondy 和Cundall [3]

颗粒流方法及PFC程序介绍

颗粒流方法及PFC程序介绍 转载请注明来自趣满网 颗粒流属于不连续介质力学的一种方法，这里的“颗粒”并不直接与介质中是否存在颗粒状物质有关，只是用来描述介质特性的一种方式。比如，PFC 既可以用来描述具有颗粒物质的粗粒花岗岩一类的介质，也可以用来研究非晶质材料的特性。颗粒流模型主要反映了颗粒集合体的力学行为，在颗粒流模型内，离散的颗粒认为是刚性的，颗粒之间的接触方式和力学特征可以不同，但符合基本的牛顿运动定律，即当颗粒间的静力平衡被破坏时，颗粒产生运动。颗粒间的接触方式和接触强度是最关键的一个环节，决定了颗粒集合体即介质的基本力学特性，以及具体的承受张、剪、压力和保持静力平衡的基本能力。颗粒集合体的各种复杂力学特性，比如其非线性特征和破坏特征，都是通过颗粒间的基本状态体现出来的。颗粒间的接触出现破坏，标志着颗粒集合体由线性到非线性力学特征的开始。因此，在利用颗粒流方法求解有关问题时，不需要定义介质的本构关系，介质在复杂应力状态下的应力–应变关系，将由其内部颗粒间接触变化(如裂纹扩展)的情况所决定。 颗粒间的接触关系可以处理成非黏结和黏结两种方式，当黏结强度达到一定程度时，黏结介质对颗粒集合体基本特性的影响所起的作用就开始起到重要作用，这也是颗粒流所研究的对象不局限于颗粒状

介质的一个基本原因。 ITASCA 公司开发的PFC 系列软件，作为离散元理论的软件方法，同样具有以下2 个最基本的特征： (1) 允许颗粒发生有限位移和转动，颗粒间可以完全脱离； (2) 在计算过程中能够自动辩识新的接触。 PFC 系列软件的基本思想是采用介质最基本单元——颗粒和最基本的力学关系——颗粒间的牛顿第二定律来描述介质的复杂力学行为，因此是一种本质性和根本性的描述。该系列软件在应用环节的思路和方法，因为其基本思想的不同，很大程度上不同于其他连续和非连续力学理论方法程序。 这些差别主要体现在如下几个方面： (1) 模型介质的宏观基本物理力学特征不可能通过直接赋值的形式实现，只有颗粒的几何特性和颗粒间接触的细(微)观力学参数可以赋值。颗粒的几何参数包括介质颗粒大小和分布(土体的颗粒级配和岩石的结构)，接触特性包括接触方式和接触力学特征(刚度和强度)。介质的总体力学特征取决于颗粒的这些基本特性，改变这些基本特

干砂强夯动力特性的细观颗粒流分析_贾敏才

第30卷第4期 岩 土 力 学 V ol.30 No. 4 2009年4月 Rock and Soil Mechanics Apr. 2009 收稿日期：2008-10-17 基金项目：国家自然科学基金资助（No. 50578122）；上海市重点学科建设项目资助(No. B308)。 第一作者简介：贾敏才，男，1973年生，博士，主要从事地基处理和离散元数值模拟方面的研究。E-mail: mincai_jia@https://www.doczj.com/doc/a410488044.html, 文章编号：1000－7598 (2009) 04－0871－08 干砂强夯动力特性的细观颗粒流分析 贾敏才1,2，王 磊1，周 健1,2 （1. 同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092；2. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092） 摘 要：通过引进和开发二维颗粒流程序，基于相似理论建立了可以模拟砂土地基强夯加固的细观颗粒流模型，结合小比尺室内细观模型试验，从颗粒细观力学角度入手对干砂在强夯冲击加固过程中的动力反应特性进行了数值模拟。结果表明，数值模拟结果与试验结果有较好的一致性，利用颗粒流模型可以很好地模拟干砂在冲击荷载作用下的锤底动接触应力、颗粒间动接触应力和颗粒位移场分布情况，并可以实时跟踪颗粒的变位及接触应力变化，实现从细观角度揭示干砂强夯动力响应特性，研究工作为今后砂土强夯加固宏细观机制研究提供了一条新的思路。 关 键 词：强夯；干砂；颗粒流；动应力；位移场 中图分类号：TU 473 文献标识码：A Mesomechanical analysis of characteristics of dry sands in response to dynamic compaction with PFC 2D JIA Min-cai 1,2，WANG Lei 1，ZHOU Jian 1,2 (1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Key laboratory of Geotechnical & Underground Engineering. of Education Ministry, Tongji University, Shanghai 200092, China) Abstract: Based on the similarity theory, the numerical analysis model is established to study the mechanism of dynamic compaction of dry sands by means of secondary exploitation using the PFC 2D (particle flow code in 2 dimensions). Dynamic response characteristics of dry sands to impacting are simulated in combination with laboratory mesomechanical model test. The availability and rationality of the proposed numerical method is verified by comparing the numerical solutions with the results of real data. The results show that the dynamic stress of tamper bottom can be well simulated with PFC 2D as well as dynamic stress among sand grains and displacement field during dynamic compaction. Apart from movement of sand grains, the change of dynamic stress can be real-time traced and recorded. The findings of this study provide a new route to research the macro-meso mechanism of sands dynamic compaction. Key words: dynamic compaction; dry sands; particle flow code; dynamic stress; displacement field 1 引 言 强夯法已成为软弱地基特别是砂性土地基最为常用的加固措施之一。强夯加固地基利用巨大的冲击能量，在地基中产生极大的冲击波和动应力，使地基土体产生密实或动力固结，从而达到改善地基工程特性的目的[1-3]。因此，要真正了解和弄清强夯加固地基的全貌，必须深入理解强夯过程中地基土体动应力场和位移场的分布规律和变化特征。 由于强夯过程地基的动力响应问题非常复杂， 理论上很难用解析方法进行分析和求解，目前国内外学者主要采用数值模拟[4-12]和现场测试[13-15]等方法进行研究。但是，常用的有限元等数值方法多建立在小变形连续介质力学基础上，用于研究砂土这类典型的散体介质时具有较大的局限性，无法如实反映散体介质特有的细观组构变化规律及其与宏观密实的关系。而现场测试一般耗资巨大，且受到测点数量和测试仪器等诸多因素影响，资料积累有 限，尚无法基于这些资料对砂土强夯动力响应问题进行深入分析。

颗粒流(PFC)简介

颗粒流（PFC)简介 2009-10-07 11:14:48| 分类：岩土工程| 标签：|字号大中小订阅 注：今天偶然间见到颗粒流的概念，以前一直不了解，今天查了查，贴在这里，以备以后可以温故知新。 本文内容源自浙江大学罗永先生的博士论文，使得吾辈能花较少的时间看到广博的知识，在此特向其表示感谢！ 岩土工程数值计算总体上可以分为两大类:一类是基于连续介质 力学理论的方法，如有限元法(FEM)和快速拉格朗日法(FLAC(1tasea，2002))等;另一类是不连续介质力学的方法，如离散元法UDEC(1tasca，2000)、3DEC(Itasea，1998)、PFC(Itasea，2002)和块体理论DDA(石 根华，1988)等。离散元方法按其用途又可以分为宏观离散元方法和 细观离散元方法，前者主要针对解决规模相对较大的不连续面，如断层节理结构与基础之间的结合面等引起的问题(UDEC，3DEC)，后者则着重于数目众多具有不连续特性的接触面或点，如破碎岩体中的破裂面、砂土中的接触面(点)和材料中颗粒之间的接触面(点)等。 PFC(Particle Flow Code)是在著名学者Peter Cundall主持下采用细观 离散元理论(又称为粒子流理论)开发的一种数值计算平台，可以广泛地应用于研究细观结构控制问题。目前，PFC在世界上的应用并不广泛，成果报道也主要集中在PFC国际会议论文集中。

颗粒流PFCZD (Particle Flow Code in 2 Dimensions)平台数值模拟单元有两种:颗粒圆筒和颗粒(disc or particle)，主要用于平面应力和平面应变的特殊情况;颗粒流PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimensions)的数值模拟单元是三维球体颗粒(granular)，主要用于三维受力分析。 Cundall(2002)博士认为PFC在描述岩土体介质特殊特性方面有着其他常用数值方法不可比拟的优势，主要表现在如下方面: (l)能自动模拟介质基本特性随应力环境的变化; (2)能实现岩土体对历史应力一应变记忆特性的模拟(屈服面变化Kaiser效等); (3)反映剪胀及其对历史应力等的依赖性; (4)自动反映介质的连续非线行应力一应变关系屈服强度和此后的应变软化或硬化过程; (5)能描述循环加载条件下的滞后效应; (6)描述中间应力增大时介质特性的脆性一塑性转化; (7)能考虑增量刚度对中间应力和应力历史的依赖性; (8)能反映应力一应变路径引起的刚度和强度的各向异性问题; (9)描述了强度包线的非线性特征;