筒仓静态储粮的边界压力及仓壁摩擦力试验研究

为了研究筒仓散装粮堆的边界压力和仓壁摩擦力的分布规律,研制了模型筒仓试验装置,基于仓体的微缝分离设计,实现各分离仓体受力的独立测量。以小麦为例,通过实测,发现不同装粮高度下,粮堆底部压力沿径向呈现不均匀分布特征,其不均匀分布程度随装粮高度逐渐增加;当装粮高度大于筒仓直径后,仓壁侧压力开始逐渐小于Janssen公式计算结果;而仓壁摩擦力在整个粮堆深度范围内均小于Janssen公式计算结果。试验表明,仓壁实测摩擦力与侧压力之比小于小麦与仓壁的摩擦系数,且随粮堆深度的增加不断变化,表明静态储粮下储料与仓壁边界之间尚未达到极限平衡状态;侧压力系数接近主动态,且小于主动土压力系数。研究结果可为散体物料压力理论提供参考。     

平底筒仓中心卸料流态演化过程及仓壁压力波动性

卸料时的仓壁压力是筒仓结构设计的关键,仓内物料的流动状态(流态)是影响卸料压力分布的关键。为了探究物料流态的演化过程和发生机理以及由此引发的仓壁压力分布情况,该研究采用自主设计的半圆柱形有机玻璃筒仓模型进行筒仓中心卸料试验和离散元(discrete element method, DEM)模拟分析。筒仓壁嵌入定制压力计,贮料为平均粒径3.5 mm的陶球,在测量仓壁压力分布的同时实时观测贮料内部和外部的流动过程。通过标定颗粒追踪贮料运动轨迹。通过PFC^2D建立离散元数值模型,分析卸料过程中贮料的力链网络、速度矢量和孔隙率变化,探讨颗粒的运动机制和颗粒体系的传力方式。基于模型试验和数值模拟结果,根据颗粒物质力学、土力学和散体力学基本原理,从宏观和细观层面分析流态的演化过程和发生机理以及仓壁压力波动性规律,明确仓壁压力和流态的关系。结果表明：卸料瞬间(卸料率0～1%),强力链断裂导致孔隙率增大(由卸料前的0.150 43～0.200 30增至卸料瞬间的0.151 36～0.232 23),各测点仓壁压力骤增,P2测点(深度0.4 m)的增幅最大,达到1.94;卸料时贮料...     

基于气液两相流的循环集热晒管传热特性分析

为提高太阳能集热管供热水平,研究不同流速对太阳能集热管效率的影响,解决传统集热管受光面小、热损率高等突出问题,该文设计了一种具有高效吸收光热和保温性能的循环集热晒管。循环集热晒管由真空石英直管、石英弯管和连接段组成,真空石英直管之间采用串联循环方式连接,以扩大受光面积,增加接收的太阳热能。通过微元分析法推导循环集热晒管内双流体的液相与气相的能量平衡方程,建立了循环集热晒管内两相流数学模型;对两相流模型求解区域进行离散化和迭代求解,获得不同入口质量流量下晒管内水蒸气产生的位置和质量分数;设计并开展试验以验证两相流模型,分析单相流、两相流条件下循环集热晒管的热性能。研究表明:在入口质量流量4.42 kg/h条件下,循环集热晒管内流体达到饱和温度,开始汽化;晒管内流体温度与入口质量流量呈反相关,最高温度可达120℃,而晒管集热效率与入口质量流量呈正相关,最高集热效率可达0.87。综合考虑流体温度和集热效率,最优入口质量流量为4.15kg/h;两相流模型(压力为0.1 MB)得到的晒管集热效率理论曲线与试验测定曲线基本相符,误差在±2%以内。该文成果是真空管内两相流动分析的有益补充,为南疆盐碱水淡化的工程应用提供参考。     

基于离散元模拟筒仓贮料卸料成拱过程及筒仓壁压力分布

筒仓卸料时贮料作用在仓壁上的卸料压力出现骤然增大以及震荡分布的现象,该文从贮料的散体颗粒性入手,采用离散元法和模型试验法研究贮料在静止储粮状态和卸料过程中的力学行为,从细观颗粒层次探求卸料时贮料内部土拱效应与宏观仓壁卸料压力增大及产生震荡的本质联系。模型为平底立筒仓,高1.0 m,宽0.5 m,卸料口直径0.1 m,数值模型填充20 400个球形单元,模型试验贮料为大豆。首先,通过分析卸料中仓底压力分布的周期性变化规律,证实了卸料口附近拱效应的存在。然后选取结拱起始、结拱完成及拱塌落3个时间点仓内贮料的力链网络、竖向应力、横向应力、主应力方向和速度场分布,分析了卸料时的拱效应及其对仓壁卸料压力分布的影响。研究发现,卸料中,筒仓底部的卸料口附近有拱形成,其跨度为卸料口直径的4.0倍,高度为卸料口直径的2.5倍。随着物料的流出,卸料口附近的颗粒物质遵循"拱形成-拱塌落"的动态规律,并据此提出了筒仓卸料的动态成拱机制。深高比0.35处,动态压力修正系数最大为2.70。在深高比0.85处,结拱完成时的仓壁压力达到峰值3.57 kPa。分析结果表明,拱的形成是仓壁压力增大的根本原因,动态成拱机制则是宏观仓壁压力产生震荡的根本原因,仓壁压力峰值作用点和最大动态压力修正系数作用点并不一致。动态成拱机制以及由此引发的仓壁卸料压力分布规律,可为构建机理研究的筒仓结构安全设计提供参考。     

锥形改流体下部孔径对筒仓卸料流态的影响

为了获取锥形改流体（cone-in-cone）下部孔径对筒仓内卸料流态和仓壁压力的影响,实现中心流筒仓内物料流态从中心流到整体流的转变,改善筒仓内物料流动环境,建立模型,用试验验证模型是正确的,该文采用离散元法对三维筒仓中ABS球卸料过程进行了数值模拟。数值模拟结果表明：筒仓卸料口尺寸不变时,减小锥形改流体下部孔径,整体流系数增大,筒仓内物料流态能够从中心流转变为整体流,筒仓壁峰值压力减小且峰值压力位置上移。改流体倾角为120°、135°时,当锥形改流体距筒仓锥形壁面的距离与锥形改流体下部孔径的比值大于等于1时,能实现从中心流到整体流的转变。该研究基于数值模拟结果提出了锥形改流体的设计标准,可为工程上确定改流体结构、位置参数提供参考。     

全射流喷灌喷头射流元件的流场分析

全射流喷灌喷头射流元件对喷头工作性能有重要影响,其内部液气两相流动影响着射流元件的尺寸设计。采用流体体积函数两相流数学模型,对射流元件稳定附壁情况下二维及三维流场进行数值模拟,获得射流元件壁面压力分布规律、射流中线速度衰减规律、无因次附壁点距离和液气两相界面坐标位置。壁面静压试验数据与计算值对比具有一致性。在相同入口速度下,随着偏移率的增大,射流元件壁面压力极大值减小,附壁点下移。归纳出小偏移率情况下无因次附壁点距离与偏移率的经验关系式。该研究为射流元件的尺寸设计提供依据。     

装配式地下粮仓钢-混组合仓壁节点力学性能有限元分析

地下粮仓是构建绿色储粮新体系的重要技术支撑,结合工程实际提出了一种新型装配式钢板-混凝土组合地下粮仓。为了建立适用于装配式地下粮仓的有限元模型以模拟分析组合仓壁节点的力学性能,并通过有限元分析指导组合仓壁节点力学性能试验的开展,基于工程设计的钢板-混凝土组合仓壁及连接接头,采用ANSYS软件建立了仓壁及其节点1∶1足尺试件的有限元模型,模拟分析了无接头、有接头试件的受弯和受压性能,并开展仓壁节点抗弯、抗压试验对有限元模拟结果进行验证分析。结果表明:试件的钢板和混凝土由栓钉连接为一体,试验过程中二者未见剥离可共同工作,建模时钢板和混凝土共用结点以及接头钢板之间假定为刚性连接是适用的;同类试件挠度曲线、轴压荷载-位移曲线的试验结果与其有限元模拟结果基本一致,无接头试件和有接头试件弯曲跨中位移、轴压最大位移的试验值与对应的模拟值,相对误差分别在4%和10%以内;试验过程中试件未发生明显破坏和过大变形,应力总体上未超过工程设计允许值,数值模拟结果精度满足工程所需;有接头试件力学性能与无接头试件相近,设计的仓壁及其节点是安全、可靠的,其结构计算可以采用等同原理,即该装配式仓壁可等效为现浇一体的无接头仓壁。建立的仓壁节点有限元模型适用于新型装配式地下粮仓,研究结果为装配式地下粮仓有限元建模分析、结构计算提供参考,为组合仓壁节点试验的开展提供指导。     

地上输料通道对浅圆仓仓壁和通道受力的影响

为揭示地上输料通道对浅圆仓仓壁和通道受力的影响,开展了不同高径比、不同偏心率的缩尺筒仓模型装卸料试验,并将测试结果与筒仓标准GB 50077—2017有关规定进行对比分析。装料试验结果表明,通道的存在影响了仓壁底部的侧压力分布,仓壁侧压力在通道高度范围内明显小于筒仓标准预测值。整个卸料过程可以归纳为一个倒锥不断下切的过程,倒锥的顶点位于卸料口的正上方。卸料试验中没有观测到超压系数随着卸料偏心率增大而增大的现象。高径比在0.69以下时,仓壁和通道上超压系数普遍较小;高径比接近1.0时,仓壁和通道上超压系数迅速上升。当通道依据标准GB 50077—2017判定为深埋时,通道压力预测值明显小于测试值,偏于不安全。主次通道顶壁及侧壁的静载压力依据本文提出的浅埋公式计算更加合理,其中贮料高度应取为通道计算点的实际贮料高度。建议浅圆仓设计时适当考虑通道的顶壁和侧壁超压系数,可取1.2～1.3。     

筒仓壁压的有限元分析

该文认为筒仓内的散体是服从Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则的理想弹塑性介质,散体与仓壁的摩擦属于Ｃｏｕｌｏｍｂ摩擦接触问题。建立了接触单元,从连续介质的角度,用有限元方法模拟了散体对带漏斗的筒仓的静态仓壁压力,以静态解为初始条件,用给定位移的方式,模拟了卸料初期的仓壁动压变化情况。     

三种水力驱动比例式施肥泵吸肥性能试验

为保障微灌系统首部施肥装置选型的合理性,通过试验研究比较了3种类型水力驱动比例式施肥泵的吸肥性能,分析了影响施肥泵入口流量和吸肥量的因素。结果表明：入口流量受施肥管道两端压差影响,但受进口压力影响不大。建立了各施肥泵入口流量的回归模型,比较得出：3种施肥泵入口流量与压差关系分别符合幂函数、对数函数和二次函数关系,这主要是因为施肥泵最小工作压差和不同压差下运行性能的差异;施肥泵吸肥量受入口流量和压差影响。高压、大流量的运行工况会影响施肥泵施肥效果,施肥泵工作时入口流量最好不要超过设计流量,施肥比例较小时入口流量更不能过大。在分析吸肥量影响因素的基础上,建立了施肥泵吸肥量的回归模型,可用于吸肥量的估算;同时,研究发现3种施肥泵基本按照所设施肥比例施肥,但稍有差异、精度不一。