基于卸料流态模拟与观测的储粮仓壁动态压力增大机理研究

粮食筒仓在卸料过程中产生的动态侧压力是筒仓破坏的重要原因。该文基于室内粮食筒仓卸料模型试验,利用高速摄像仪拍摄筒仓中心卸料的全过程,运用图像处理技术分析贮料的流动形式,并测量卸料过程中产生的动态侧压力。在此试验的基础上,利用颗粒流程序PFC3D(particle flow code in 3 dimensions)进行数值模拟,追踪特定颗粒的运动情况。通过比较试验与数值模拟结果,从流态方面探索深仓中心卸料时超压现象产生的机理。研究表明:筒仓在卸料过程中动态侧压力在测点深度4 m的位置达到峰值15.92 kPa。卸料时存在着整体流动和管状流动2种流动形式,2种流动形式的混合区域主要分布在高径比约为1的高度位置,即中上部贮料进行整体流动,底部贮料进行管状流动,且底部贮料流动速度大于中上部贮料的流动速度。在2种流动形式混合区域容易产生承压拱,承压拱的存在阻碍了中上部贮料的正常流动,导致在该区域内产生明显的超压现象,最大超压系数达到2.5。通过研究筒仓在卸料过程中动态压力的增大机理,可为筒仓的安全设计提供参考。     

粮食筒仓储粮和卸粮状态下的仓壁侧压力试验研究

为了研究粮食筒仓在储粮状态下的仓壁静态侧压力及中心卸粮状态下的仓壁动态侧压力,该研究利用仓身直径400 mm、仓壁高度700 mm的模型筒仓,以小麦为储料,分别进行了100%、80%和50%仓容3种状态下的静态储粮及中心卸粮的侧压力测试试验,并将仓壁压力实测结果与中国、欧洲和美国相关规范的计算值进行对比。试验结果表明:100%、80%和50%仓容时,仓壁静态侧压力实测值与中国规范计算值的偏差率最小,与美国规范计算值的偏差率最大,其中,距储粮顶面600(100%仓容状态)、160(80%仓容状态)和250 mm(50%仓容状态)处的仓壁静态侧压力实测值超过中国规范的计算值,经过修正后,仓壁静态侧压力实测值均小于规范的计算值;仓壁静态侧压力实测值均小于欧洲和美国规范;在相同高径比时,储粮仓容越小,仓壁静态侧压力实测值与各国规范静态侧压力计算值偏差率越大。与中国规范相比,欧洲和美国规范更偏于安全。仓壁动态侧压力试验结果表明:对于相同高径比的筒仓,中心卸粮情况下,在小麦顶面处于整体流动状态时,不同初始仓容卸粮至同一高度时,同一测点的动态侧压力不同,100%仓容卸粮至50%仓容时C1测点(距仓壁下边缘100 cm处)的动态侧压力为3.376 kPa,80%仓容卸粮至50%仓容时C1测点的动态侧压力为1.528k Pa;小麦由整体流动变为管状流动的过程中均出现超压现象,100%、80%和50%仓容的最大超压系数分别为2.76、2.90和2.68;100%、80%和50%仓容出现管状流动状态的高度位置逐渐下降,说明管状流动的出现位置与初始的储粮仓容相关,初始仓容越小,粮食上表面出现管状流动的位置越低;相同卸粮口卸粮时,出粮高度随时间的变化曲线斜率均约为16.1,即卸粮速率一致;下部测点出现动态侧压力峰值的时间滞后于上部测点。试验结果可为筒仓规范的编制修订提供依据,为粮食筒仓设计提供参考。     

筒仓动态卸料过程侧压力模拟与验证

为了研究立筒仓卸料过程中的侧压力及数值模拟技术,设计了有机玻璃筒仓模型进行试验研究,运用ABAQUS有限元软件中的自适应网格划分技术模拟了筒仓的动态卸料过程。结果表明,筒仓动态侧压力试验值大于静态侧压力,但各测点超压系数不同,在邻近漏斗附近超压系数最大为1.78,其次为仓壁中上部2个测点超压系数达到了1.73和1.61,其他位置超压系数在1.45以内;侧压力模拟值与计算值吻合度较好,静态侧压力两者相对误差绝对值在0.43%~9.92%之间,动态侧压力两者相对误差绝对值在1.14%~9.65%之间,验证了数值模拟技术的可行性;静态和动态侧压力的数值模拟曲线、公式计算曲线、试验曲线或试验拟合曲线都表明,随着测点距筒仓底部高度的增加,侧压力呈下降趋势,即侧压力下大上小,而且静态侧压力模拟曲线与试验曲线变化规律一致,相对误差绝对值在1.83%~9.97%之间;由于试验时压力传感器精度、标定试验误差和试验次数等随机因素的影响,动态侧压力试验曲线不很规则,数值模拟曲线相对平滑,但动态侧压力试验值的拟合曲线与数值模拟曲线变化趋势基本相同,相对误差绝对值在0.28%~9.93%之间。通过观察漏斗附近Mises应力分布图发现,物料卸出前,应力较大点发生在紧邻漏斗附近的仓壁处,卸料开始后,应力较大点即转向漏斗壁中部某范围,而且随着卸料时间的延长,此应力较大点的范围有所增大。     

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。     

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。     

散料在锥仓中的静压接触状态与影响因素

为研究散料属性与锥仓结构对散料与锥仓之间接触状态的影响,建立了自由开接触、滑移闭接触、黏着闭接触等状态的接触条件与数学求解模型;以葵花籽、玉米、煤粉、圆砾石、小麦为实例,进行了散料在不同倾角锥仓中的静压接触状态有限元分析,给出了5种散料在倾角分别为20°、33.7°、45°的锥仓中的接触状态。结果显示:散料堆积密度、弹性模量、泊松比、膨胀角、内摩擦角、内聚力等属性对散料在锥仓中的接触状态影响程度不同,其中膨胀角和内聚力有较大影响,膨胀角很小时,可能会有开接触状态,内聚力越大,则黏着接触区越小;锥仓由深向浅过渡时,开接触区域会消失,滑移接触区会变小,黏着接触区会增大。当散料黏着接触区增加时,不利于锥仓卸料;滑移接触区增加则对锥仓表面摩擦损伤大。通过散料在锥仓中的接触状态研究可从力学特性上评价锥仓设计与储料效率。     

平底筒仓Janssen公式中储料特征高度的测定及其变化规律

筒仓储料的特征高度是Janssen公式中影响筒仓储料压力计算准确性的重要参数,为了进一步缩小筒仓储料压力的理论值与真实值之间的偏差,该研究对筒仓储料的特征高度进行试验研究。该研究利用筒仓储料压力综合试验装置,对小麦储料堆的底部竖向压力和仓壁总摩擦力进行测量,并根据储料堆的底部竖向压力和仓壁总摩擦力与特征高度之间的关系计算得到特征高度的值。研究了整个储料堆的特征高度与储料填充高度的关系,探讨了储料堆内部的特征高度与填充高度的关系以及储料堆内部的特征高度的分布规律。得到如下结论:1)筒仓储料堆的特征高度的试验值大于Janssen理论值。2)储料堆的底部竖向压力的测试值大于Janssen理论值,筒仓仓壁总摩擦力的测试值小于Janssen理论值。3)对于筒仓整个储料堆的特征高度λ,当高径比H/D0.9时,随着储料填充高度的增加而逐渐减小;当高径比H/D≥0.9时,特征高度λ值几乎保持不变。4)对于储料堆中不同半径实心圆柱的特征高度,当高径比H/D0.9时,均随着储料填充高度的增加而逐渐减小;当高径比H/D≥0.9时,随着储料填充高度的增加,半径最大的圆柱(即整个储料堆)的特征高度几乎保持不变,其余圆柱的特征高度以不同速率呈非线性逐渐减小并趋于相等。5)储料堆中不同半径实心圆柱的特征高度基本随着圆柱半径的增大而减小。该研究为Janssen公式中储料特征高度的确定提供一种试验方法,使Janssen公式能够用于筒仓储料压力的精确计算。     

不同贮料工况下散装粮食楼房仓动力特性初探

散装粮食楼房仓作为一种新型储粮仓型,其在不同贮料工况下的动力特性是影响该结构抗震性能的关键因素。为揭示散装粮食楼房仓在不同贮料工况下的动力特性规律,该研究设计制作了散装粮食楼房仓缩尺有机玻璃模型,考虑贮料在不同高度的盈空分布,进行振动台模态试验、有限元模态分析和固有频率理论计算。研究结果表明：贮料只存储于首层时,结构固有频率较空仓工况减小1.20%,差异较小;随着贮料质量由一层至三层逐层增加时,每增加一层,结构固有频率减少约35%;贮料质量恒定（单层满仓）时,随着贮料位置每增高一层,结构固有频率减少约33%;贮料分布位置越高,料体晃动越明显,结构阻尼比越大,减震耗能效果越显著;贮料对散装粮食楼房仓结构提供一定的刚度和质量贡献,贮料对该层的层间刚度贡献系数为1.16,对上层、下层质量点的质量分配系数分别为0.13、0.87。研究成果可为散装粮食楼房仓结构动力响应分析和抗震设计提供理论参考。     

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。     

不同改流体对稻种颗粒在料仓卸料流动的影响

为探明不同改流体对稻种颗粒在料仓卸料流动的影响机理，实现种群流动从中心流到整体流转变，改善种群流动环境，该研究利用离散元法（discrete element method，DEM）建立传统料仓、垂直扰动和水平扰动料仓模型与稻种颗粒仿真模型，进行卸料数值模拟，并与料仓实际卸料试验作流型对比，验证离散元模型与数值模拟结果准确性。整体流指数（mass flow index，MFI）与z轴颗粒速度表明传统和垂直扰动料仓中部区域颗粒速度均随颗粒堆积高度增加而减小，边壁区域颗粒速度均随颗粒堆积高度增加而增大；而水平扰动料仓边壁区域颗粒速度随料仓颗粒堆积高度增加而减小，中部区域颗粒速度随颗粒堆积高度增加而增大；传统料仓，垂直和水平扰动料仓的流型转化高度分别为130、118以及130 mm。料仓不同区域种群垂直速度、水平速度和角速度表明，种群垂直速度在垂直与水平改流体作用下，相较传统料仓流动区域分别降低34.82%和83.46%；随料仓颗粒堆积高度降低，种群水平速度波动增大，传统料仓、垂直及水平扰动料仓颗粒水平速度标准差分别为0.0273、0.0187以及0.0103 m/s。传统和垂直扰动料仓中心和边壁区域颗粒角速度变化相似，垂直扰动料仓中心区域角速度峰值小于传统料仓；水平扰动与传统料仓流动区域颗粒角速度变化相似，但水平扰动料仓颗粒角速度变化小。研究结果可为工程提出改流体设计标准、结构与位置参数及提高料仓使用面积提供参考。     

筒仓装卸料时力场及流场的离散单元法模拟

利用离散单元法研究了筒仓装卸料过程中的力场和速度场,以期揭示宏观力学行为的内在机理。首先介绍了离散单元法的基本原理,然后用物理模型实验测试和模拟了筒仓壁法向压力及物料流动过程,最后用离散单元法研究了筒仓内部压力和物料颗粒速度场,并探讨了颗粒密度和物料密实度的影响。与物理实验结果对比表明,离散单元法用于模拟和分析筒仓壁压力及物料流动规律等是完全可行的     

粮食群仓的环境振动测试和角仓边仓振动响应分析

为了获取群仓准确的动力特性参数从而更合理地进行群仓的抗震设计,从粮食储藏工程考虑,对实际工程中一组三排五列的粮食群仓的振动特性进行了分析。基于结构振动理论和有限元数值分析,考虑结构对称性、荷载对称性和工程实际情况,制定了环境振动测试粮食群仓的优化方案;利用最小二乘法、五点三次平滑法和数字滤波的方法对测试信号进行了处理,得到了有效的测点加速度响应数据。基于控制理论和振动系统的运动方程,引入变换矩阵,推导了环境振动下利用测点加速度响应数据进行粮食群仓振型计算的公式,从而得到前四阶振型及对应的频率,各阶振型形态和模拟结果相同;前四阶频率计算值分别为2.28、3.45、6.37、8.26 Hz,对应模拟值分别为2.35、3.56、6.31、8.16 Hz,模拟值与计算值误差分别为3.07%、3.19%、0.94%、1.21%。进一步对角仓和边仓的振动反应进行分析,结果发现:两个仓体的第一阶振型均沿着粮食群仓整体的短轴方向,以剪切型为主,振型幅值基本一致,相邻仓体间的约束作用对一阶振动反应几乎没有影响;两个仓体的第二阶振型均沿着粮食群仓整体的长轴方向,仍以剪切型为主,但振型幅值不同,边仓小于角仓;两个仓体的第三阶振型形态为绕粮食群仓整体中心的扭转,短轴方向测点转动幅值大于长轴方向测点;随着相邻仓体间约束作用增强,两个仓体的第四阶振型形态和振型幅值均不同,角仓和边仓呈现不同的振动特性,角仓上靠近边仓测点振型以弯曲型为主,振型幅值相对较小,其他测点以剪切型或弯剪型为主,振型幅值相对较大;边仓受相邻3个仓体的约束作用,测点振型幅值都较小,而且靠近相邻仓体测点振型以弯剪型为主,中间列测点以剪切型为主。研究结果表明:相邻仓体间的相互约束作用对二阶及以上振型影响较大,根据振型形态和振型幅值分组进行粮食群仓中仓体的抗震设计更加切合实际,节约材料,降低成本。     

不同仓型的粮堆温度场重现及对比分析

为了揭示不同仓型粮堆内温度场和水气分压场随季节的变化规律及其对储粮安全的影响,该文以天津地区的钢板浅圆仓和平房仓为研究对象,以小麦为储粮目标,采用阵列式分布的温度传感器监测粮堆温度,利用温度拟合算法和WU模型构建粮堆温度场模型,重现粮堆在冬末春初之际和夏季的温度场和水气分压场分布;根据温湿度场耦合理论分析其云图特征,并在此基础上比较2种仓储粮状态的差异。结果表明:夏季,浅圆仓和平房仓的小麦粮堆中均存在大体积的冷芯,使整个粮堆可以安全度夏;冬春交替之际,2种仓的粮堆中均存在多区域分层现象,但由于浅圆仓的表层粮堆水分吸收速率大于平房仓,致使次年春季浅圆仓的粮堆表层更易发生结露;根据平房仓小麦粮堆的等温曲线变化方向可推测有邻仓存在,且由2个毗邻的平房仓温度场融汇度可判定邻仓有储粮。研究结果将为粮堆结露研究提供新思路,为结露预测提供理论依据。     

改进颗粒组构力学模型模拟筒仓卸粮成拱细观机理

现有研究表明筒仓卸粮成拱和粮食的内外摩擦密切相关,但现行相关离散元模拟采用单一圆形颗粒,模拟粮食的真实接触面积要小很多,不能客观反映卸粮过程粮食的摩擦情况,也较难还原卸粮成拱现象的细观动态过程。该文针对离散元模拟中圆形颗粒的内摩擦力小于真实粮食内摩擦力的缺陷,在已有PFC离散元程序基础上,添加了黏度系数较大的微型颗粒模拟粉尘,建立了一种改进颗粒组构力学模型,采用几何方法判断圆形颗粒间的接触情况,推导出基本单元间力-位移关系。基于典型事故案例和室内试验成果,采用建立的颗粒组构力学模型模拟了卸粮成拱动态过程中圆形大颗粒间以及圆形小颗粒与仓壁之间的力-位移关系。研究表明在卸粮过程中,切应力在剪切位移达到0.3 mm的过程中,迅速提高,达到最大值切应力的60%,所得的切应力位移图与其应力特征曲线与试验成果基本吻合。以试验结果曲线各点值为标准值,改进后模拟结果曲线值的标准差相比改进前减小37%,说明曲线相似度更高,利用该模型可更加客观反映筒仓卸粮成拱的动态细观机理。该文提出的改进颗粒组构力学模型,不仅可用于模拟卸粮成拱机理模拟,而且对于模拟散颗粒流动特性、散体-仓壁相互作用机理都具有一定借鉴意义。