介觀和宏觀尺度的粗顆粒兩相流泵內(nèi)流機(jī)理研究

粗顆粒兩相流泵送廣泛應(yīng)用于深海采礦、填海造島、污水處理和泥沙清淤等重要領(lǐng)域。本項(xiàng)目力圖掌握泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流的流動(dòng)機(jī)理，豐富固液兩相流泵的內(nèi)流理論，從而為深海采礦揚(yáng)礦泵等關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下。 （1）建立了粗顆粒在泵內(nèi)的受力模型和運(yùn)動(dòng)方程。針對(duì)泵內(nèi)固液兩相流動(dòng)，分析了顆粒在泵內(nèi)受力情況，建立了顆粒受力模型；通過對(duì)不同顆粒所受各種力的量級(jí)分析分別建立了泵內(nèi)細(xì)顆粒和粗顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。 （2）搭建了泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流多場(chǎng)特性的同步測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。設(shè)計(jì)了全透明粗顆粒固液兩相流模型泵，搭建了粗顆粒固液兩相流泵多場(chǎng)性能同步測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了能量性能、壓力脈動(dòng)、顆粒軌跡和碰撞特性等同步測(cè)試，并開發(fā)了一種粗顆粒固液兩相流高速攝影圖像的后處理方法，可直接得到顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。 （3）采用高速攝影測(cè)試了泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流動(dòng)的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)在進(jìn)口條件基本相同的情況下，顆粒絕對(duì)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的包角均先減小后增大；葉輪進(jìn)口及泵出口處顆粒濃度均較高，葉片工作面顆粒濃度比葉片吸力面的要高，且顆?？拷~片工作面的趨勢(shì)較為明顯。 （4）基于CFD-DEM耦合計(jì)算對(duì)泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析。研究發(fā)現(xiàn)粗顆粒在葉片工作面的運(yùn)動(dòng)速度比在葉輪背面的大，且沿葉輪徑向均逐漸增大；蝸殼內(nèi)粗顆粒在隔舌下游及隔舌附近的運(yùn)動(dòng)速度最大。 （5）研究了粗顆粒不同物性參數(shù)對(duì)泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流動(dòng)的影響規(guī)律。研究隨著顆粒粒徑、顆粒密度和顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大，泵揚(yáng)程和效率均逐漸降低；且隨著顆粒粒徑的增大，顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)偏向葉片工作面的趨勢(shì)越明顯；隨著顆粒密度的增大，顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)越易與葉片工作面發(fā)生碰撞或摩擦。 本項(xiàng)目發(fā)表論文15篇，其中SCI檢索8篇、EI檢索2篇；授權(quán)發(fā)明專利2件，申請(qǐng)發(fā)明專利1件；獲江蘇省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)；培養(yǎng)碩士研究生4名、博士研究生1名。

本項(xiàng)目擬采用多場(chǎng)同步測(cè)試、LES-DEM數(shù)值計(jì)算和理論分析相結(jié)合的方法，從介觀和宏觀兩個(gè)尺度深入研究泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流機(jī)理。. 探索采用3D打印技術(shù)制備不同物性的粗顆粒，同步采用三維PIV測(cè)試、高速攝影和動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試等對(duì)泵內(nèi)粗顆粒兩相流進(jìn)行多尺度測(cè)量；構(gòu)建顆粒群模型解決流體計(jì)算與顆粒計(jì)算間網(wǎng)格尺度匹配的難題；引入離心力和科氏力改進(jìn)DEM軟球模型，建立一種適用于泵內(nèi)粗顆粒兩相流計(jì)算的LES-DEM聯(lián)合模式；探究葉輪與壓水室動(dòng)靜干涉作用下液相湍流結(jié)構(gòu)變化對(duì)粗顆粒流型和流動(dòng)穩(wěn)定性的作用機(jī)理；研究顆粒間碰撞、破碎及群集行為對(duì)液固相間作用和能量傳遞過程的影響規(guī)律；揭示粗顆粒物性參數(shù)和泵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與粗顆粒固液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)間的內(nèi)在聯(lián)系和量化關(guān)系，建立泵平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)固液兩相防堵平衡判定準(zhǔn)則。. 項(xiàng)目旨在系統(tǒng)掌握泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流機(jī)理，為粗顆粒兩相流泵的發(fā)展提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

巖石斷裂一直是巖石工程的一個(gè)核心問題。巖石宏觀力學(xué)屬性決定于細(xì)觀結(jié)構(gòu)。為了探索巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀斷裂性能之間的關(guān)系，并建立多尺度本構(gòu)模型，進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究。以大理巖為巖樣，通過三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)測(cè)得了宏觀斷裂能。通過SEM電鏡掃描和圖像處理技術(shù)分析了細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖。發(fā)現(xiàn)巖石顆粒界面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及顆粒粒度分布都具有很強(qiáng)的分形特征。界面結(jié)構(gòu)分形維數(shù)和粒度分布維數(shù)分別與宏觀斷裂能呈很強(qiáng)的二次方關(guān)系和線性關(guān)系。斷裂能隨著兩種分形維數(shù)增加均增大，表明細(xì)觀顆粒優(yōu)化級(jí)配及界面結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足分形維數(shù)最大化，以增強(qiáng)宏觀斷裂韌度。根據(jù)細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在虛內(nèi)鍵(Virtual Internal Bond-VIB)理論基礎(chǔ)上對(duì)巖石進(jìn)行了多尺度本構(gòu)建模。將細(xì)觀顆粒抽象為幾何點(diǎn)，顆粒之間通過VIB相連。為了反映顆粒之間的微裂隙，認(rèn)為VIB滿足兩點(diǎn)分布。在裂隙處VIB系數(shù)取0，其它取1。通過該方法可以有效地將微裂隙效應(yīng)引入宏觀本構(gòu)。為了有效地描述細(xì)觀顆粒之間的壓剪破壞機(jī)理，引入了微觀Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，基于該準(zhǔn)則的宏觀本構(gòu)可以有效地再現(xiàn)巖石三軸抗壓強(qiáng)度和破壞特征。為了綜合反映顆粒之間的剪切效應(yīng)，建立了廣義Stillinger-Weber勢(shì)函數(shù)，同時(shí)考慮了鍵長(zhǎng)和鍵角作用，使宏觀本構(gòu)方程更能全面地反映細(xì)觀斷裂機(jī)理。為了建立適用于大變形斷裂分析的宏觀本構(gòu)，以離散鍵元胞代替巖石代表單元體，建立了離散虛內(nèi)鍵(DVIB)本構(gòu)模型。由顆粒之間相互作用直接導(dǎo)出了鍵元胞的本構(gòu)關(guān)系(力-位移關(guān)系)，從而可以使DVIB直接模擬大位移、大變形巖石斷裂破壞問題。為了反映不同細(xì)觀斷裂機(jī)理，元胞的本構(gòu)關(guān)系分別基于兩體勢(shì)、廣義SW勢(shì)函數(shù)及彈脆性SW勢(shì)函數(shù)，使宏觀本構(gòu)模型能夠有效地模擬巖石動(dòng)態(tài)斷裂過程。為了解決DVIB的單元尺寸敏感性問題，提出了超彈雙線性勢(shì)函數(shù)來描述顆粒之間相互作用，考慮了微觀斷裂的尺度效應(yīng)。完善了單元劈裂法(EPM),考慮了劈裂單元的體變形問題和裂尖單元問題。與擴(kuò)展有限元(XFEM)相比，EPM同樣可以在不用重構(gòu)網(wǎng)格的情況下對(duì)裂紋擴(kuò)展進(jìn)行模擬，但卻沒有引入任何額外自由度。其原因在于EPM采用線性外推插值技術(shù)而非結(jié)點(diǎn)富集(Nodal Enrichment)技術(shù)。研究成果揭示巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)幾何特征與宏觀斷裂能之間的相關(guān)性，為巖石斷裂破壞分析提供了一套微宏觀本構(gòu)理論與計(jì)算方法。 2100433B

巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)由巖石顆粒組成，顆粒界面形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種細(xì)觀界面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)幾何特征、界面膠結(jié)及顆粒本身力學(xué)特性對(duì)巖石宏觀力學(xué)行為具有決定性作用。本項(xiàng)目以這種細(xì)觀結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，擬采用電鏡掃描和數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行分析和提取，運(yùn)用分形幾何理論對(duì)細(xì)觀顆粒界面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、顆粒分布及細(xì)觀裂紋擴(kuò)展拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述；采用虛內(nèi)鍵（VIB）理論對(duì)巖石細(xì)觀顆粒和顆粒界面進(jìn)行力學(xué)建模，通過數(shù)值模擬方法對(duì)顆粒界面膠結(jié)特性、顆粒本身力學(xué)屬性、細(xì)觀裂紋擴(kuò)展和細(xì)觀能量耗散關(guān)系進(jìn)行研究，以明確巖石細(xì)觀斷裂機(jī)理，揭示巖石宏觀斷裂能的細(xì)觀物理機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建巖石宏觀本構(gòu)模型，以期在本構(gòu)模型中反映細(xì)觀結(jié)構(gòu)幾何和斷裂信息，豐富巖石本構(gòu)物理內(nèi)涵，加深對(duì)巖石力學(xué)行為的理解和把握。此研究為揭示巖石宏觀力學(xué)行為的細(xì)觀機(jī)理具有重要意義，同時(shí)也為裂隙巖體、陶瓷、混凝土等材料的多尺度力學(xué)模型研究提供了新思路。

運(yùn)用量子力學(xué)（QM）、經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)（MD）、半經(jīng)驗(yàn)量子MD和從頭算MD以及耗散粒子動(dòng)力學(xué)（DPD）等理論方法，對(duì)多系列含能化合物（如硝基、硝胺和硝酸酯類）分子、典型含能晶體（如TATB、HMX、RDX、CL-20和PETN等晶體）以及多類型含能復(fù)合材料（如以TATB、HMX和RDX為基與多功能高聚物組成的多類高聚物粘結(jié)炸藥），分別地進(jìn)行系統(tǒng)的微觀與介觀尺度的計(jì)算和模擬，研究它們?cè)诓煌瑴囟群筒煌瑥?qiáng)度沖擊波作用下的分解反應(yīng)和起爆機(jī)理；考察組成、結(jié)構(gòu)、相互作用能、力學(xué)性能與感度特性之間的聯(lián)系；探索內(nèi)部和外界條件對(duì)含能分子、晶體和復(fù)合材料的致鈍效應(yīng)的影響，揭示致鈍機(jī)理，建議致鈍方法。通過本項(xiàng)目研究，不僅要發(fā)現(xiàn)許多新的現(xiàn)象和規(guī)律，提高基礎(chǔ)理論學(xué)術(shù)水平；還要為含能材料的安全使用和高能鈍感含能材料的設(shè)計(jì)和制備提供參考或指導(dǎo)。