槽道颗粒两相流的数值模拟简介

使用直接数值模拟和拉格朗日粒子追踪法研究小固体颗粒对水平槽道近壁区域流体的影响，对直接数值模拟的颗粒槽道流动的运算结果，采用条件抽样的方法分析流体相干结构对颗粒的影响。把流体对颗粒的作用简化为点力模型，同时假定碰撞为完全弹性碰撞。我们主要研究自由流体的平均速度，均方根速度，涡旋角速度均方根；以及对于加入颗粒的槽道流，我们打算先加入单行的颗粒程序，研究流体对颗粒的平均速度，均方根速度，数目随高度，浓度随高度的变化。再对两者进行耦合，研究两者之间的相互作用。

关键词：直接数值模拟（DNS），拉格朗日粒子追踪法，点力模型，相干结构

含有颗粒的流体常常人们的生活中以及一些工业的加工生产中。流态化技术在化工生产中也是一项极其重要的技术，但是颗粒两相流往往呈现了多变性和复杂性；以气体固体液态化为例，当颗粒的通量，流体的速度不同时，其会呈现不同的液态形式；早在19世纪就有了关于明渠中关于泥沙的转移和沉积的两相流的研究，在60年代后，出现了对该问题的一些有关两相流的基本方程的研究及相关的著作；在过去数年间，人们从不同的动机出发，慢慢的建立了对于两相流的三大模型：连续介质模型，离散颗粒模型，流体拟颗粒模型（从刻划单颗粒尺度的运动规律入手 ,不仅仅是把宏观的离散的颗粒当成离散相处理 ,同时还把宏观的连续的流体以拟“颗粒”性质的流体微团来处理 ,来模拟非平衡态的系统，这类模型都是对流体和颗粒的运动采用拉格朗日坐标）物理概念不一样的颗粒流体两相流模型方程组的形式各异 ,即使是同一类模型 ,其方程组形式及各项参数也往往存在着差异。

在过去的几年间，有关颗粒方面的研究也有很多；尽管两相流数值模型取得了较大的进展，但是仍有许多问题亟待解决。跟我们研究比较接近的是Chris D.Dritselis 和Nicholas S.Vlachos在2008年发表的颗粒槽道流在近壁区域相干结构的研究；研究的主要内容是相干结构由于颗粒而引发的修正，其研究的方法是：直接数值模拟（DNS是通过直接求解控制流动的 N-S 方程，利用所得到的数值解来研究湍流的方法。近三十年的研究认为 N-S 方程完全可以描述包括湍流在内的复杂流动。直接求解 N-S 方程可以得到整个湍流场的全部信息，无

需任何模式），拉格朗日颗粒跟踪，点力模型。在常规的NS方程下，对颗粒进行二阶的Adams-Bashforth时间差分格式，对颗粒所在位置的流体速度运用5阶拉格朗日插值；在颗粒与流体耦合下，得出在平均流向速度方面，自由流体和载有颗粒的流体速度变化不大，但是颗粒的速度在近壁区域与两者的速度差距较大；载有颗粒的流体在三个方向上的均方根速度相较于自由流体，其法向和垂向在整个区域内都是减少的，流向均方根速度在近壁区域速度增大，在外层流域内速度则减小；同时相较于自由流体，载有颗粒的流体的涡旋角速度在近壁区域也减小，然后趋于一致；其中对反应涡强度的值在J.Jeong et al有关于“Coherent structures near the wall in a turbulent channel flow”的研究中也得到了验证，颗粒对细长的条带结构涡作用一个反向扭矩，其平均涡强度减弱；其中还分析了颗粒与流体之间能量的转移以及能量的耗散，颗粒会使得涡旋拟能和湍流动能减弱；同时颗粒的加入也会对近壁区域的相干结构的形状造成影响，涡的流向长度和直径都会减小；在两者的耦合下，研究互相之间的相互作用。

对我影响比较大的还有，C.Marchioli el at建立的一个数据库；这个数据库建立在五个小组使用不同的数值以及插值方法对同一个问题进行模拟的基础上的一个有关流体和颗粒的速度平均值，速度均方根，雷诺应力等；当然其问题跟我们要研究的问题以及基本模型是一致的，值得我们参考和比较；即使是同一模型，同一问题，当我们插值方法不同时，结果也是有差异的，同时我们在少量数据是也无法判别到底哪一种插值就是最好，最精确的，但是我们了解这个肯定会影响最后的结果，这也给我们提供了一个很好的研究方向。

由于湍流和颗粒之间的相互作用是十分复杂的一个过程，甚至颗粒对流体运动的影响，在许多方面是掺杂和模糊的，更甚至是前后矛盾的；颗粒的运动在中心区滞后而在近壁区则领先于流体运动;颗粒流向脉动速度大于流体的脉动速度,而法向脉动在小颗粒情况下比流体的弱,而大颗粒情况下比流体的强。颗粒运动除了流体作用外,主要受重力和颗粒-壁面碰撞控制。因为低颗粒载荷下颗粒-流体之间的直接动量,能量交换是很弱的,在ZAMM.Z.Angew,有关“Particles turbulence interactions in boundary layers”的研究中有一个比较好的验证。为了进一步分析其产生原因以及机理,又研究了颗粒加入后得能量耗散率,湍动能以及流动特征尺度的变化的一些基本规律。结果表明颗粒促进了大尺度流动结构向小尺度流动结构的分解,并伴随着能量传递速度的增快;为了维持湍流状态,大尺度结构从平均流动中获得更多的湍动能,从而引起平均流动的减弱。

基于这些基本的一些规律，我们的研究也是基于直接数值模拟（DNS）,拉格朗日颗粒追踪，点力模型。先从最基本的方面，即，自由流体的平均速度，均方根速度，涡旋角速度均方根；对于加入颗粒的槽道流，我们打算先加入单行的颗粒程序，研究流体对颗粒的平均速度，均方根速度，数目随高度，

浓度随高度的变化。

本文首先分析了自由流体的槽道流，主要研究了其流体流向，展向和垂向的平均速度，均方根速度并且将其与数据库中Re180

=的数据结果进行对比，在

现有基础上添加颗粒，但是由于加入的是单行程序，无法了解到颗粒对流体所产生的影响，只能得出在流体作用下，粒子的分布以及速度的大小。

虽然无法比较颗粒对流体结构的影响，但是通过对自由流体以及加入颗粒流体的研究，我了解到有限惯性颗粒分散理论对湍流结构的影响对生产和环境有重要作用；下一步研究将颗粒与流场进行耦合，从而研究颗粒在流场中的转移，分散，以及颗粒与流场之间的能量转移与耗散，同时也可以研究颗粒对流场相干结构的影响，对于涡强度的影响。

通过参考相关论文了解到，加入粒子对近壁槽道拟流涡旋的影响。用条件平均对结构建立模型，通过双向动量耦合研究载有颗粒的流体。流向涡的衰减伴随着流向长度和平均结构直径的减小。粒子通过对细长涡旋结构作一个与原旋转方向相反的扭矩，从而削弱涡旋状态。最后结果是粒子使得涡旋拟能和湍流动能变小，转而它们又会影响近壁区的雷诺应力和涡旋波动。

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.360docs.net/doc/d67440718.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

高浓度固液两相流的运动特性研究

高浓度固液两相流的运动特性研究倪晋仁1,2，黄湘江1,2 (1.大学环境科学中心；2.水沙科学教育部重点实验室) 摘要：利用固体颗粒运动的动理论，通过改变颗粒浓度可以考察非粘性颗粒在水流中运动的典型微观和宏观运动特性。本文分别对微观的颗粒速度分布函数变化和由此衍生的诸如颗粒平均速度、颗粒脉动速度和单位体积颗粒数垂线分布等宏观变量的变化进行了系统比较。研究结果表明：动理论能够比传统理论获得更详细的微观和宏观信息，也更适合研究高浓度固液两相流运动特性，颗粒运动微观和宏观特性在颗粒浓度超过一定阈值后会发生本质的变化，但临界颗粒浓度值(阈值)在不同的计算和实验条件下会有一定的差别。关键词：高浓度挟沙水流，微观，宏观，特性，运动学理论基金项目：国家自然科学基金资助项目(49625101) 作者简介：倪晋仁(1963-)，男，山阴人，教授，主要从事环境科学及泥沙方面的研究。高浓度固液两相流在生产实践中经常遇到。河流中的泥沙含量高，可能导致河道淤积、河床抬高和洪水频率增加[1]。高浓度固液两相流的流动和输运特性与低浓度固液两相流有着很大的不同。高浓度挟沙水流经常表现出非牛顿流体的特性[2]，不同于低浓度时的牛顿流体。以往对于高浓度固液两相流的描述多基于宾汉塑性体模型或拜格诺的膨胀体模型[3，4]。就含有粘性颗粒的高浓度固液两相流而言，中国学者提出了许多关于屈服应力和宾汉粘性系数的经验表达式，这些表达式都采用颗粒浓度和反映颗粒大小组分的变量。Chen[5]曾对这方面的研究工作进行了全面的评述。就含有非粘性颗粒的高浓度固液两相流而言，以往的研究[6] 多从Bagnold[3]的颗粒离散应力概念出发。Chen[7]的粘塑体模型包含了以上两种情况。最近，新的流变模型研究又有进展，并用于描述高浓度挟沙水流的复杂特性，参见Chen[8]和Brufau[9]等。通常描述固液两相流的连续介质理论[10]能够合理地描述流体和颗粒的宏观运动特性，但不能充分解释颗粒与颗粒的相互作用，更不能描述颗粒运动的微观特性。采用基于Boltzmann方程的动理论能够很好地

颗粒与流体之间的相对运动

第三章颗粒与流体之间的相对运动一、前言：(本章:本质上讲:属于流体流动过程,从方法或手段上讲:属于非均相分离过程,下册讲的蒸馏、吸收、萃取等单元操作都是均相分离过程)。 1、相：体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。相与相之间有明确的界面。例如：气、液、固称为三态，每一态又称为一相。再例如：空气（或溶液）虽是混合物，但由于内部完全均匀，所以是一个相。水和冰共存时，其组成虽同是O H 2，但因有不同的物理性质，所以是两个相；水、冰和蒸汽共存时是三个相。两块晶体相同的硫磺是一个相，两块晶体不同的硫磺（如斜方硫和单斜硫）是两个相。 2、均相：凡物系内部各处物理料质均匀而不存在相界面者，称为均相混合物或均相物系。溶液及混合气都是均相混合物。 3、非均相：凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同者，称为非均相混合物或非均相物系。非均相??? ?? ?? 属于气体非均相间煤气中夹杂煤渣子）合成氨厂造气车（如尘气体气体与固体微粒组成含沫液）（含有气泡的液体即泡液态非均相）（如碎木屑放在水面上浮液液体与固体离子组成悬 ,:,,, 非均相物系里，处于分散状态的物质称为分散物质（或分散相），包围着分散物质而处于连续状态的流体，称为分散介质（或连续相）。如:浮悬液中的固体颗粒，称为分散物质，液体是分散介质。 4、非均相物系的分离：通过机械方法分离非均相物系的单元操作。具体点讲机械方法:沉降和过滤。二、工业上非均相物系分离的目的 1、收取分散物质：如从催化反应器出来的气体中，往往带有催化剂颗粒，必须把这些有价值的颗粒回收利用。 2、净化分散介质：合成氨生产，半水煤气中含有2CO 、S H 2灰尘等杂质，为了防止合成触媒中毒，必须将这些杂质一一去除，以保证触媒的活性。 3、环境保护：对三废：废气、废液、废渣的处理，地球由于被污染加剧,环保越来越受到人们的重视。综上所述,非均相物系分离的目的是除害收益。三、本章解决的问题以硫铁矿为原料生产硫酸，在沸腾炉中进行的主化学反应为： 23222 82114SO O Fe O FeS +=+ 在焙烧时还有一些副反应，如生成3SO 、硫酸盐、砷与硒的氧化物、氟化氢等。同时2SO 炉气中含有大量矿尘，它们主要是铁、铅、铜、钴、钡、锑、铋的氧化物和硫酸盐，此外还含有气体杂质。如：三氧化硫、三氧化二砷、二氧化硒、氟化氢等。这些杂质能够堵塞管路和催化床,并使催化剂（52O V ）中毒，（二氧化硫催化氧化变成三氧化硫）。故炉气需

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。

【采矿课件】第4章颗粒在流体中的运动

【采矿课件】第4章颗粒在流体中的运动习题解答 1．什么是体积分数、质量分数？两者的关系如何？已知石英与水的密度分不为2650kg/m3和 1000kg/m3，将相同质量的石英砂和水配置成悬浮液，求悬浮液的质量分数、体积分数、物理密度和黏度？【解】悬浮体的体积分数ΦB（旧称容积浓度λ）是指悬浮体中固体颗粒（或气泡、液滴）的体积占有率，它是无量纲数，数值上等于单位体积的悬浮体中固体颗粒（或气泡、液滴）占有的体积。悬浮体的质量分数w B（旧称重量浓度C）是指悬浮体中固体颗粒的质量占有率，它也是无量纲数。若颗粒和流体的密度分不用δ和ρ表示，体积分数ΦB与质量分数w B有下面的关系：已知δ=2650kg/m3和ρ=1000kg/m3，设石英砂和水的质量差不多上W，则有故质量分数、体积分数、物理密度和黏度分不为0.5000、0.2740、1452kg/m3和2.2902μ。 2．牛顿流体和非牛顿流体的有效黏度和微分黏度有何特点？什么叫屈服切应力？哪些非牛顿流体的流变特性可用幂律模型描述？幂律模型中的参数K和n有何物理意义？【解】有效粘度是流变曲线上指定点到原点的直线斜率；微分粘度是流变曲线上指定点的切线斜率。牛顿流体的有效黏度等于微分黏度，同时差不多上常数；宾汉流体，微分粘度为常数，但有效黏度不为

常数，同时有效黏度大于微分黏度，当剪切速率趣近于零时有效黏度变为无穷大；假塑性流体的有效黏度大于微分黏度；胀塑性流体的有效黏度小于微分黏度；屈服假塑性流体与宾汉流体有些类似，只是微分黏度不是常数。宾汉认为，当悬浮液的浓度大到其中的颗粒互相接触之后，就有塑性现象发生，欲使系统开始流淌，施加的剪切力必须足以破坏使颗粒形成的网架结构，那个刚好能够破坏颗粒网架结构的切应力确实是屈服切应力。假塑性流体（包括胀塑性流体）的流变特性可用如下幂律模型描述：幂律模型中的参数K也是流体黏性的量度，它不同于黏度，流体越黏，K值越大；指数n是液体非牛顿性的量度，n值与1相差越大，则非牛顿性越明显；关于假塑性流体的n<1（关于胀塑性流体n>1）。 3．什么是自由沉降？什么是干涉沉降？【解】颗粒在流体中沉降时，若不受周围颗粒或容器壁干扰，称为自由沉降。颗粒在有限空间中的沉降称之为干涉沉降。矿物加工中粒群在矿浆中的沉降确实是典型的干涉沉降，球体在窄管中的沉降也是干涉沉降。 4．已知石英与水的密度分不为2650kg/m3和1000kg/m3，水的运动黏度为1.007x10-6 m2/s，求直径为0.2mm的球形石英颗粒在水中的自由沉降速度、雷诺数和阻力系数？【解】已知δ=2650kg/m3、ρ=1000kg/m3、ν=1.007x10-6 m2/s和d=0.0002m，则先试用通用公式运算：

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.360docs.net/doc/d67440718.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]

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.360docs.net/doc/d67440718.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;

T型微通道内两相流动数值模拟和流场

价值工程 —————————————————————— —基金项目：西安市科技计划项目（CXY1134WL09）。作者简介：王琳琳（1981-），女，陕西西安人，西安文理学院数学与计算机工程学院，讲师，西安交通大学能动学院博士生，研究方向为微通道内的两相流动。 0引言微通道的尺寸非常小，其通道的宽度一般在之间，流量小[1]，借助微通道可以进行两相流体的混合、纳米粒子合成、蛋白质结晶等。在化工方面，要求能够控制微通道内化学物质输运的时间和物质空间的分布[2，3] 。近年来，研究者对不同结构微通道内流动的控制产生了极大的兴趣，成为一个重要的研究方向[4]。雷诺数是惯性力和黏性力之比，微通道内雷诺数小，两相流动受到黏性力的影响，在通道壁面约束下，表面张力和挤压力对离散相的形成起到重要作用。微通道的制作工艺精度较高，监测通道内流动的设备需要极其微小，这些都使得采用实验研究微流动的难度和费用较大，而数值模拟能够克服这些缺点。两相流动问题常见的数值模拟方法有：标记网格方法（MAC ），水平集方法（level set method ），相场方法（phase field method ），VOF 法，格子布尔兹曼方法（Lattice Boltzmann method ）等，在这些的数值方法中，相场方法利用自由能量描述两相流体的界面，模拟中采用非结构化网格时容易实施，对流场的计算中不用重新初始化，物质的质量损失较小，控制方程中的变量具有一定物理意义，并能够模拟能量耗散的流动[5]。本文采用相场方法，数值模拟工程中常见的错流接触T 型微通道内离散相的形成过程，研究微通道内压强和流场的变化特点。 1控制方程连续性方程和动量方程为：塄· v 軆=0坠v 軆坠t +（v 軆·塄）v 軆=塄·[-p ρI+μρ（塄v 軆+（塄v 軆）T ]+1ρ F 軋σ+g 軆軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋軋，其中v 軆是速度向量，p 是压强，ρ是密度，μ是动力粘性系数，F 軋σ是表面张力，σ是表面张力系数。由相场理论知，两流体间的相互作用可用自由能量密度f mix （准，塄准）=1λ 塄准2+f 0（准）来表示，式中的第一项1λ塄准2 是两相流体界面内的能量密度，第二项f 0（准）=λ4∈ 2（准2-1）2 是各个流体的块能量密度，λ是混合能量密度的参数，∈表示两流体界面的厚度，准是相场变量，微通道内离散相和连续相对应的准值分别是-1和1，准在-1和1之间变化对应的区域就是两相界面，自由能量密度反映了两相流体间的相互作用。对自由能量密度在计算区域内积分，得到自由能F ，即F=乙v f mix dv ，F 关于相场变量的变化率是化学势G ，即G=坠F 坠准，由自由能的定义可得到，G=f ′ 0（准）-λ塄2准。Van der Waals 假定流场中自由能最小处就是平衡的两相界面，因此两相界面满足方程坠F 坠准 =0。通过计算可得到平衡的一维两相界面的表达式是准（x ）=tanh （x 2姨∈ ）。平衡两相界面单位长度的自由能理解成表面张力系数[6]，即σ= λ +∞ -∞乙 1（d 准）2 +f 0（准）dx ，结合前面的定义和公式，得到表面张力系数、两相界面厚度和混合能量密度的关系式 σ=22姨3λ∈ 。表面张力可用化学势表示：F σ 姨=G 塄准。上面方程组结合Cahn-Hilliard 对流方程坠准坠t +v 軆·塄准=塄·（γ塄G ）就是计算微通道内两相流动的控制方程。 2T 型微通道内离散相的形成研究的物理模型是T 型微通道，通道宽度D=111μm ，离散相通道和主通道垂直，两通道长度分别是3D 和45D ，离散相和连续相分别从垂直方向和水平方向同时注入通道，在一定条件下形成间距固定的离散相。微通道内可忽略重力作用，为简化计算，设置两相流体密度相同，表面张 T 型微通道内两相流动数值模拟和流场分析 Numerical Simulation of Two-phase Flow and Flow Field Analysis in a T-junction Micro-channel 王琳琳①②WANG Lin-lin ；胡洪萍①HU Hong-ping （①西安文理学院，西安710065；②西安交通大学，西安710049）（①Xi'an University o f Arts and Science ，Xi'an 710065，China ；②Xi'an Jiaotong University ，Xi'an 710049，China ）摘要：借助相场方法数值模拟T 型微通道内两相流动，通过改变毛细数大小，得到三种形成机理下的离散相。随着毛细数增大，离散相形成过程对微通道内压强和速度的影响减弱。 Abstract:The two-phase flow was simulated in a T-junction micro-channel by using the phase field method,and three type droplets were obtained with different capillary number.We found that the influence of droplet formation on pressure and velocity became weak as the capillary number increases. 关键词：相场方法；数值模拟；微通道；毛细数Key words:phase field method ；numerical simulation ；micro-channel ；capillary number 中图分类号：TQ021.1文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）31-0180-02 ·180·

两相流、多相流

两相流的概念及类型两相物质(至少一相为流体)所组成的流动系统。若流动系统中物质的相态多于两个，则称为多相流，两相或多相流是化工生产中为完成相际传质和反应过程所涉及的最普遍的粘性流体流动。通常根据构成系统的相态分为气液系、液液系、液固系、气固系等。气相和液相可以以连续相形式出现，如气体-液膜系统；也可以以离散的形式出现,如气泡-液体系统，液滴-液体系统。固相通常以颗粒或团块的形式处于两相流中。两相流的流动形态有多种。除了同单相流动那样区分为层流和湍流外，还可以依据两相相对含量（常称为相比）、相界面的分布特性、运动速度、流场几何条件（管内、多孔板上、沿壁面等）划分流动形态。对于管内气液系统，随两相速度的变化，可产生气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流等形态；对于多孔板上气液系可以产生自由分散的气泡、蜂窝状泡沫、活动泡沫、喷雾等形态。两相流研究的一个基本课题是判断流动形态及其相互转变。流动形态不同，则热量传递和质量传递的机理和影响因素也不同。例如多孔板上气液两相处于鼓泡状态时，正系统混合物（浓度增加时表面张力减低）的板效率(见级效率)高于负系统混合物（浓度增加时表面张力增加）；而喷射状态下恰好相反。两相流研究的另一个基本课题，是关于分散相在连续相中的运动规律及其对传递和反应过程的影响。当分散相液滴或气泡时，有很多特点。例如液滴和气泡在运动中会变形，在液滴或气泡内出现环流，界面

上有波动，表面张力梯度会造成复杂的表面运动等。这些都会影响传质通量，进而影响设备的性能。两相流研究的课题，还有两相流系统的摩擦阻力，系统的振荡和稳定性等。两相流研究模型两相流的理论分析比单相流困难得多，描述两相流的通用微分方程组至今尚未建立。大量理论工作采用的是两类简化模型：①均相模型。将两相介质看成是一种混合得非常均匀的混合物，假定处理单相流动的概念和方法仍然适用于两相流，但须对它的物理性质及传递性质作合理的假定；②分相模型。认为单相流的概念和方法可分别用于两相系统的各个相，同时考虑两相之间的相互作用。两种模型的应用都还存在不少困难，但在计算技术发展的推动下颇有进展。气体和液体混合物的两相流动体系。通常分为单成分两相流和双成分两相流。前者是具有相同化学成分的同质异态两相流，如水和蒸汽两相流；后者是具有不同化学成分的异质异态两相流，如水和空气两相流。气-液流动包括掺有气泡的液体流动和带有液滴的气体流动，如掺气水流和含雾滴的大气流动等。气-液流动因管道压力、流量、热负荷、流向、工质物性等的不同，可形成各种不同流型。竖管中最常见的流型（见图）有：细小气泡散布于液相中的气泡状流型；管中心为气弹、壁附近为连续液膜的气弹状流型；管中心为夹带细小液滴的气核和壁附近为连续液膜的环状流型；气相中含细小液滴和壁附近无连续液膜的雾状