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。     

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。     

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。     

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。     

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     

直升机施药药箱药液阻尼防晃模拟及试验

直升机施药在林业病虫害防治中应用广泛,药箱作为药液载体,合理的防晃结构对其作业稳定性具有重要意义。为降低作业过程中药液晃动,通过布置防晃栅格结构对药箱内腔进行优化设计,并借助Fluent中流体体积多相流及Realizable k-ε湍流模型进行数值模拟。结果表明,增加栅格结构高度,参考点的最大压力值随之增加且高度选为100 mm时液体晃动的频率更低;增加栅格槽数量,参考点的最大压力值随之变小,且在数量为9时趋于稳定。通过构建药箱晃动试验台模拟直升机作业飞况进行防晃效果验证,结果表明药箱加速度越大,箱壁所受最大压力越大,受到最大压力的时间提前;充液率越大,箱壁所受最大压力越大,充液率为0.8较0.4时的最大压力增长了27.7%,同时高充液率下箱体不易受到激励后的二次冲击。随着前倾角度的逐步增加,液面所需稳定时间减小,从0°转变为20°,稳定时间相对减少了44.6%,而出现侧倾时液位较低的一侧晃动更加激烈,所需稳定时间更长。根据仿真结果选择高度为100 mm,栅格数量为9个的竖直阻尼栅格结构,对比数值仿真和试验结果,防晃阻尼栅格能有效减小受激励后箱体内液体晃动幅度,相较于原箱液体从开始晃动...     

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。     

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。     

农户用机械通风钢网式小麦干燥储藏仓的气流场分析

为保障农户收获后高水分粮食不落地安全储藏,针对一种仓壁透气中心带通风立筒的圆形钢网式农户储粮干燥仓,应用CFD法对收获后高水分小麦在进行机械通风时的气流场进行仿真分析,将仓内小麦堆等效为多孔介质,分析静压、动压、流量等空间分布规律。结果表明:仓内静压和动压值随半径(横向)增加呈指数衰减;柱面流量随半径呈幂函数衰减;横截面流量随高度呈指数衰减;粮堆区竖向通风均匀度显著优于横向(径向);流量分布为仓底上粮面仓壁,仓壁气流流量只占总流量的24.6%;实仓风速测试结果与仿真分析结果规律一致,平均相对误差为16.35%,表明基于多孔介质模型和CFD法分析钢网式储粮干燥仓的流场分析具有较好的准确性,研究结果为此类钢网式储粮仓流场分析和优化提供了方法和依据。     

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。     

叶片低压边的轴面位置对高水头水泵水轮机空化性能的影响

水泵水轮机转轮叶片低压边相比其他部位更具有空蚀的危险性。首先基于低比转速混流式转轮设计程序,设计了3个具有不同低压边轴面位置的叶片。然后采用数值模拟方法对3个转轮分别进行了3个不同出力的水轮机工况以及3个不同流量的水泵工况的全流道定常数值计算,对比分析了各计算工况下转轮的能量特性、流动特征及空化形态。研究表明,在一定范围内,叶片低压边轴面位置前移可以改善大流量水泵工况下转轮叶片进口的脱流情况,从而提高大流量水泵工况的扬程和空化性能。低压边轴面位置的后移,使得水轮机设计工况和满负荷工况的水力效率降低,但是改善了水轮机大流量工况的空化性能;并且叶片低压边轴面位置后移可以改善小流量工况下叶片进口的来流均匀性,从而提高小流量水泵工况的空化性能。相比而言,低压边在上冠型线位置的直径与转轮直径之比为0.4998的第2种低压边位置转轮在水轮机和水泵2种工况下都表现出比较好的空化性能,满足设计要求。     

烘焙生物质与煤不同配比混合物的流动及下料特性

在BT-1000粉体综合特性测试仪和有机玻璃下料试验系统上,分别进行了烘焙生物质与煤粉二元混合物的流动及下料特性试验,重点探讨了烘焙生物质质量分数对烘焙生物质与煤粉二元混合物流动特性的影响规律,并对不同烘焙生物质与煤粉混合物流动特性的差异进行了比较;进而考察了烘焙生物质质量分数(0~100%)和下料口直径(15、17、21、24和27 mm)对烘焙生物质与煤粉二元混合物下料特性的影响规律,并提出了预测烘焙生物质与煤粉二元混合颗粒系统下料质量流率的经验公式。结果表明:随着烘焙生物质质量分数的增加,混合物的休止角和压缩度逐渐增大,Carr流动性指数(FI)逐渐减小,混合物的流动特性逐渐变差。与休止角法和压缩度法相比,采用Carr流动性指数法对于烘焙生物质与煤粉二元混合物流动特性的评价更加细致全面。该文所研究的4种原料的FI从大至小依次为:无烟煤1无烟煤2烘焙生物质1烘焙生物质2。对于4种不同烘焙生物质/煤粉混合物,其流动特性由一般(common)过渡至较差(poor)的转折点(即FI=60)所对应的烘焙生物质质量分数从小到大依次为:无烟煤2(平均粒径为120μm)/烘焙生物质2(平均粒径为115μm)(34%)无烟煤1(平均粒径为250μm)/烘焙生物质2(52%)无烟煤2/烘焙生物质1(平均粒径为230μm)(70%)无烟煤1/烘焙生物质1(85%)。随着烘焙生物质质量分数的增加,不同烘焙生物质与煤粉混合物的下料质量流率均逐渐减小。混合物的下料过程是否能够正常进行主要取决于混合物中烘焙生物质的添加量,即烘焙生物质的质量分数,其下料极限生物质添加量可以通过测定烘焙生物质/煤粉混合物的FI进行预测。当烘焙生物质的添加量使得烘焙生物质/煤粉混合物的FI55时,即流动特性处于较差(poor)且接近非常差(bad)的区域,甚至进入非常差(bad)范畴时,混合物的下料过程将无法进行。随着下料口直径的增大,不同配比的烘焙生物质与煤粉混合物的下料质量流率均逐渐增大。该文所获得的不同配比烘焙生物质与煤粉混合物下料质量流率经验公式可以在-15%到+25%的误差范围内对烘焙生物质与煤粉二元混合物的下料质量流率进行较好地预测。