等径球形颗粒堆积的离散单元法模拟与分析

摘要

颗粒堆积作为一种广泛存在的自然现象，其原理及应用涉及化工、地质、农业、医药、冶金等众多行业，是一个需要系统研究的重要科学问题。球形颗粒作为最常见和简单的颗粒，是研究颗粒堆积问题最好的载体。由于通过实验方法研究颗粒堆积存在多种限制和缺陷，本论文将通过数值模拟的方式使用离散单元法来研究等径球形颗粒在不同条件下的堆积问题。本研究的主要内容和结论如下: 1)通过对球形颗粒在圆筒形容器中堆积的模拟，获得了容器内颗粒堆积的轴向和径向堆积率分布，模拟结果与实验数据吻合良好。分析颗粒堆积内部结构，发现堆积内部颗粒处于无序状态，只在少数区域形成有序结构。研究还发现，容器底面会对堆积内部8层的颗粒造成影响，容器边壁则会影响壁面附近6层颗粒的排布情况。通过增加堆积颗粒的数量，即扩大模拟规模，发现颗粒堆积没有明显的尺度效应，堆积性质基本不变。 2)通过模拟颗粒在振动情况下堆积在方形容器内，发现在某一特定的振幅和频率下，颗粒堆积将达到最高的堆积密度。颗粒堆积在经过长时间的振动后，堆积密度将不再发生大的变化。另外，对圆筒形容器中的颗粒堆积施加水平方向的机械振动，最终模拟结果也验证了如下结论:机械振动是提高颗粒堆积密度的有效手段。 3)通过构建面心立方(FCC)堆积并模拟其在振动情况下的结构演化过程，验证了FCC结构的稳定性，同时发现垂直方向的机械振动对于颗粒结构更具破坏性。

目录

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摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 颗粒堆积的概念及其应用

1．1．1 颗粒及颗粒系统

1．1．2 颗粒堆积问题

1．1．3 颗粒堆积的应用

1．2 颗粒堆积研究方法介绍

1．2．1 实验法

1．2．2 数值模拟

1．3 颗粒堆积的近期研究

1．4 颗粒堆积领域目前存在的问题及选题背景

1．5 本论文的研究内容

第二章 球形颗粒堆积模拟方法及条件

2．1 模拟方法及模型

2．2 统计分析方法

2．3 模拟装置及实验装置

2．3．1 漏斗落料圆筒容器堆积装置

2．3．2 振动圆筒容器颗粒堆积模拟装置

2．3．3 振动方形容器颗粒堆积模拟装置

2．3．4 面心立方堆积振动模拟装置

2．4 模拟软件和硬件条件

2．5 本章小结

第三章 圆筒容器中颗粒堆积性质探究及验证

3．1 引言

3．2 漏斗落料圆筒容器颗粒堆积模拟结果与实验结果对比

3．3 圆筒堆积的内部结构分析

3．3．1 平均径向分布函数

3．3．2 堆积粒子可视化分析

3．3．3 堆积有序性分析

3．3．4 局部区域堆积结构和理想结构的对比

3．4 圆筒容器颗粒堆积规模效应的研究

3．5 本章小结

第四章 边界条件、容器形状及机械振动对颗粒堆积的影响

4．1 引言

4．2 边界条件对于圆筒内颗粒堆积的影响

4．3 振动对于圆筒容器颗粒堆积过程的影响

4．4 振动方形容器内的颗粒堆积研究

4．5 面心立方有序堆积的结构破坏问题研究

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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