过滤器内部的水沙运动复杂且多变,初始状态下沙粒分布的不均导致滤芯产生局部堵塞,改变了水流流态并进一步影响后续沙粒运动和分布。本文以CFD-DEM(Computational fluid dynamics,CFD;Discrete element method,DEM)耦合模拟Y型网式过滤...过滤器内部的水沙运动复杂且多变,初始状态下沙粒分布的不均导致滤芯产生局部堵塞,改变了水流流态并进一步影响后续沙粒运动和分布。本文以CFD-DEM(Computational fluid dynamics,CFD;Discrete element method,DEM)耦合模拟Y型网式过滤器内部流场变化与沙粒运动及分布,直观地反映了滤芯对水流的流动阻力特性与对沙粒运动分布影响。结果表明,过滤器内部存在明显的回流区、旋涡区及滞流区,导致各过滤面流速不均,出口一侧流速大,进口一侧流速小,两者相差39%;随着时间的变化,过滤器内流场变化明显,沙粒堆积依次出现在出口侧下端面、出口侧上端面、进口侧下端面、进口侧上端面上,最终布满整个滤芯;在滤芯的4个过滤面中,出口侧上端面流速大而沙粒堆积最少,进口侧上端面流速小而沙粒堆积最多,由此可见出口侧上端面具有更好的过滤性能,可适当提高该处过水面积,以提高过滤器过滤效率。展开更多
砂土液化是常见的地震灾害,目前应用于研究砂土液化动力特性的室内试验以及模型试验还不能全面反映土体液化全过程。计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元法(discrete element method,DEM)耦合模拟方法能够准确地...砂土液化是常见的地震灾害,目前应用于研究砂土液化动力特性的室内试验以及模型试验还不能全面反映土体液化全过程。计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元法(discrete element method,DEM)耦合模拟方法能够准确地模拟各类水土耦合问题。通过二次开发的CFD-DEM流固耦合模块实现离散元软件PFC3D与计算流体力学软件OpenFOAM之间的力学信息交互,利用颗粒水下自由沉降验证该方法的可行性。利用PFC3D软件模拟室内循环三轴试验标定出具有真实饱和砂土动力特性的数值砂样。根据已有的参数信息以及耦合模拟方法建立了饱和砂土的场地液化模型。模拟结果表明,离散元法能够复现室内砂土液化试验,标定参数可应用于场地液化模拟;单颗粒沉降速度与理论解一致验证了CFD-DEM耦合方法的准确性;峰值加速度0.25g下不同深度处土体均会发生液化,液化时超孔压比无法达到1,超孔压累计值由浅层往深层递增;液化后土体强度自下而上逐渐恢复,再固结的场地土体结构呈现均匀化发展趋势。展开更多
在采用计算流体力学−离散元耦合方法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时,颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率.为此,本文选取每个目标颗粒为研究对象,引入插值...在采用计算流体力学−离散元耦合方法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时,颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率.为此,本文选取每个目标颗粒为研究对象,引入插值函数计算时间步的运动位移,构建可变空间搜索网格;通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表,采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒,从而提出一种改进的DEM方法(modified discrete element method,MDEM).该算法在颗粒群与流体耦合计算中,颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制,通过自动调整和修正实现大步长,由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步,使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决,为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法.通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟,得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数,与理论计算结果的相对误差均低于2%,与传统的DEM碰撞搜索算法相比,在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度,且有较高的计算效率.通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟,采用传统的CFD-DEM方法,只有颗粒计算时间步选取10^(−6)s或更小才能得到精确解,而采用本文方法取10^(−4)s也能够得到精确解,避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题,且计算耗时降低了16.7%.展开更多
海底滑坡是海洋中常见的一种灾害地质现象,一旦发生将会对水下基础设施造成破坏,而目前很少有有关海底黏性滑坡体运动演化行为方面的模拟研究。采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)和离散元法(discrete element m...海底滑坡是海洋中常见的一种灾害地质现象,一旦发生将会对水下基础设施造成破坏,而目前很少有有关海底黏性滑坡体运动演化行为方面的模拟研究。采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)和离散元法(discrete element method,简称DEM)建立了描述水与颗粒相互作用的流固耦合模型,通过引入颗粒间黏聚力模型,发展海底黏性滑体运动演化过程的CFD-DEM耦合分析方法,并开展了多个典型算例的验证分析。在此基础上,考虑滑体黏性作用和初始速度,系统地模拟了海底滑坡体的运动学特征(运动速度和距离)和形态特征(滑体长度、宽度、形状等),并深入探究了滑体运动及演化过程的影响机制。结果表明:该耦合方法可以较好地模拟再现海底滑坡体的小尺度运动行为,滑坡体的黏性作用对其运动学特征和形态特征具有显著影响,初始速度也明显影响了滑体各部位在运动过程中的颗粒流场演化及分布特征。这一成果可为真实海底滑坡的运动演化过程模拟和有效预测提供重要的科学依据。展开更多
文摘过滤器内部的水沙运动复杂且多变,初始状态下沙粒分布的不均导致滤芯产生局部堵塞,改变了水流流态并进一步影响后续沙粒运动和分布。本文以CFD-DEM(Computational fluid dynamics,CFD;Discrete element method,DEM)耦合模拟Y型网式过滤器内部流场变化与沙粒运动及分布,直观地反映了滤芯对水流的流动阻力特性与对沙粒运动分布影响。结果表明,过滤器内部存在明显的回流区、旋涡区及滞流区,导致各过滤面流速不均,出口一侧流速大,进口一侧流速小,两者相差39%;随着时间的变化,过滤器内流场变化明显,沙粒堆积依次出现在出口侧下端面、出口侧上端面、进口侧下端面、进口侧上端面上,最终布满整个滤芯;在滤芯的4个过滤面中,出口侧上端面流速大而沙粒堆积最少,进口侧上端面流速小而沙粒堆积最多,由此可见出口侧上端面具有更好的过滤性能,可适当提高该处过水面积,以提高过滤器过滤效率。
文摘砂土液化是常见的地震灾害,目前应用于研究砂土液化动力特性的室内试验以及模型试验还不能全面反映土体液化全过程。计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元法(discrete element method,DEM)耦合模拟方法能够准确地模拟各类水土耦合问题。通过二次开发的CFD-DEM流固耦合模块实现离散元软件PFC3D与计算流体力学软件OpenFOAM之间的力学信息交互,利用颗粒水下自由沉降验证该方法的可行性。利用PFC3D软件模拟室内循环三轴试验标定出具有真实饱和砂土动力特性的数值砂样。根据已有的参数信息以及耦合模拟方法建立了饱和砂土的场地液化模型。模拟结果表明,离散元法能够复现室内砂土液化试验,标定参数可应用于场地液化模拟;单颗粒沉降速度与理论解一致验证了CFD-DEM耦合方法的准确性;峰值加速度0.25g下不同深度处土体均会发生液化,液化时超孔压比无法达到1,超孔压累计值由浅层往深层递增;液化后土体强度自下而上逐渐恢复,再固结的场地土体结构呈现均匀化发展趋势。
文摘在采用计算流体力学−离散元耦合方法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时,颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率.为此,本文选取每个目标颗粒为研究对象,引入插值函数计算时间步的运动位移,构建可变空间搜索网格;通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表,采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒,从而提出一种改进的DEM方法(modified discrete element method,MDEM).该算法在颗粒群与流体耦合计算中,颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制,通过自动调整和修正实现大步长,由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步,使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决,为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法.通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟,得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数,与理论计算结果的相对误差均低于2%,与传统的DEM碰撞搜索算法相比,在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度,且有较高的计算效率.通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟,采用传统的CFD-DEM方法,只有颗粒计算时间步选取10^(−6)s或更小才能得到精确解,而采用本文方法取10^(−4)s也能够得到精确解,避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题,且计算耗时降低了16.7%.
文摘由于当前具有微小孔的结构等零部件加工难度大,精度要求高,传统加工方法无法满足现有的加工精度要求,该文采用一种软性加工方法—磨粒流加工技术,实现微小孔结构精密加工。采用CFD(computational fluid dynamics)和DEM(discrete element method)相结合的方法对磨粒流加工过程进行数值分析。在数值分析过程中,考虑颗粒对壁面的碰撞作用,对不同入口速度条件下的流体和颗粒的分布状态进行对比分析,揭示磨粒流微切削作用行为,通过对材料去除机理的分析揭示颗粒对壁面的作用规律。数值模拟结果表明:随着入口速度的增大,颗粒与零件表面的摩擦与碰撞作用更为剧烈,颗粒动能转化为切削能,提高了材料的去除率;当颗粒碰撞应力小于材料极限应力时,材料只发生塑性变形,当碰撞应力大于材料极限应力时,才会发生材料去除。试验结果表明:经磨粒流加工的表面粗糙度Ra值由2.03μm降低到0.65μm,研究结果可为后续研究颗粒碰撞和颗粒微切削提供一定借鉴价值。
文摘海底滑坡是海洋中常见的一种灾害地质现象,一旦发生将会对水下基础设施造成破坏,而目前很少有有关海底黏性滑坡体运动演化行为方面的模拟研究。采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)和离散元法(discrete element method,简称DEM)建立了描述水与颗粒相互作用的流固耦合模型,通过引入颗粒间黏聚力模型,发展海底黏性滑体运动演化过程的CFD-DEM耦合分析方法,并开展了多个典型算例的验证分析。在此基础上,考虑滑体黏性作用和初始速度,系统地模拟了海底滑坡体的运动学特征(运动速度和距离)和形态特征(滑体长度、宽度、形状等),并深入探究了滑体运动及演化过程的影响机制。结果表明:该耦合方法可以较好地模拟再现海底滑坡体的小尺度运动行为,滑坡体的黏性作用对其运动学特征和形态特征具有显著影响,初始速度也明显影响了滑体各部位在运动过程中的颗粒流场演化及分布特征。这一成果可为真实海底滑坡的运动演化过程模拟和有效预测提供重要的科学依据。
