散装物料流动的数学模型与动力学特性研究

摘要

缓冲仓是精确快速智能装车系统的重要组成部分。开展对煤在缓冲仓内流动状态进行的深入研究，对控制装车精度、提高装车效率都具有重要意义。针对散装物料流动的特殊性，本文采用了基于离散单元法开发的软件颗粒流程序(PFC3D)，从微观角度对缓冲仓内装卸料全过程，分析了物料流动状态和卸料过程中物料速度场、力场变化情况，模拟和分析了颗粒内摩擦系数、颗粒与仓壁间摩擦系数、颗粒粒径以及圆锥倾角对卸料流量的影响。
　　通过三轴试验和落球试验，对模型所需的微观结构参数与材料宏观力学参数进行了标定研究，确定的微观参数建立的微观模型能更好的反映期望的宏观物理力学行为。
　　利用颗粒流程序(PFC3D)建立了缓冲仓内物料流动的离散元微观模型，得到了卸料过程中颗粒的流动状态、速度场以及力场的变化规律。研究表明，缓冲仓内物料的流动属于整体流，能够保证卸料的连续进行。同一水平面上的颗粒呈现了不均匀的沉降，靠近轴线颗粒流动速度较快。在卸料口附近形成了动态变化的压力拱，整个卸料过程就是压力拱不断形成和破坏的过程。
　　在卸料过程中，卸料质量与时间基本呈线性关系。在打开闸门时，卸料流量有个短时的加速期，然后是基本围绕某一恒定值上下波动的稳定期。该恒定值即为表示卸料质量与时间线性关系直线的斜率。同时给出了卸料各个阶段，卸料流量的计算公式。
　　通过数值模拟，分析了颗粒流动的影响因素。研究发现，卸料流量随着颗粒内摩擦系数、仓壁摩擦系数的增大而减小;当颗粒粒径均一时，粒径越大，卸料流量越小;当颗粒粒径呈一定分布宽度时，粒径分布越宽，卸料流量越大;缓冲仓圆锥倾角越大，卸料流量越大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的提出及研究的意义

1．2 精确快速智能装车系统介绍

1．3 国内外颗粒流动研究分类与现状

1．3．1 理论分析方法

1．3．2 实验研究方法

1．3．3 数值模拟方法

1．3．4 国内外颗粒流动研究现状

1．4 本课题研究的主要内容与创新之处

第2章 颗粒流程序计算理论

2．1 理论背景

2．2 PFC的基本思想

2．3 PFC的基本假设

2．4 PFC的特点与优势

2．5 PFC基本求解步骤

2．6 PFC的基本理论

2．6．1 力-位移定律

2．6．2 运动定律

2．6．3 计算方法——动态松弛法

2．7 边界条件和初始条件

2．8 临界时步的确定

2．9 微分密度缩放比例

2．10 阻尼系统

2．10．1 局部阻尼

2．10．2 粘性阻尼

2．11 接触本构模型

2．11．1 接触刚度模型

2．11．2 滑动模型

2．11．3 粘结模型

2．12 FISH语言简介

第3章 宏微观参数的标定研究

3．1 宏观参数与微观参数之间的关系

3．2 三轴试验

3．2．1 模拟三轴试验的环境

3．2．2 试验样本的生成

3．2．3 数值伺服控制机理

3．2．4 模拟三轴试验结果分析

3．3 落球试验

3．4 本章小结

第4章 物料离散元微观模型的建立

4．1 缓冲仓模型的建立

4．2 颗粒单元微观模型的建立

4．3 本章小结

第5章 缓冲仓卸料过程的模拟和分析

5．1 卸料流态模拟

5．1．1 卸料过程中颗粒的流动状态分析

5．1．2 卸料过程中速度场的变化

5．1．3 卸料过程中力场的变化

5．2 卸料过程的数值模拟

5．2．1 数值分析的评价指标

5．2．2 卸料质量和卸料流量随时问变化

5．3 本章小结

第6章 缓冲仓中颗粒流动影响因素

6．1 摩擦系数对卸料的影响

6．1．1 颗粒内摩擦系数的影响

6．1．2 仓壁摩擦系数的影响

6．2 颗粒粒径对卸料的影响

6．2．1 均一粒径对卸料的影响

6．2．2 粒径分布宽度对卸料的影响

6．3 圆锥倾角对卸料的影响

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢