介觀和宏觀尺度的粗顆粒兩相流泵內(nèi)流機理研究結(jié)題摘要

粗顆粒兩相流泵送廣泛應用于深海采礦、填海造島、污水處理和泥沙清淤等重要領(lǐng)域。本項目力圖掌握泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流的流動機理，豐富固液兩相流泵的內(nèi)流理論，從而為深海采礦揚礦泵等關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。本項目的主要研究內(nèi)容和成果如下。 （1）建立了粗顆粒在泵內(nèi)的受力模型和運動方程。針對泵內(nèi)固液兩相流動，分析了顆粒在泵內(nèi)受力情況，建立了顆粒受力模型；通過對不同顆粒所受各種力的量級分析分別建立了泵內(nèi)細顆粒和粗顆粒運動學方程。 （2）搭建了泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流多場特性的同步測試試驗臺。設(shè)計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性能同步測試試驗臺，實現(xiàn)了能量性能、壓力脈動、顆粒軌跡和碰撞特性等同步測試，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，可直接得到顆粒運動軌跡。 （3）采用高速攝影測試了泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流動的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)在進口條件基本相同的情況下，顆粒絕對和相對運動軌跡的包角均先減小后增大；葉輪進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~片工作面的趨勢較為明顯。 （4）基于CFD-DEM耦合計算對泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流進行了數(shù)值模擬和分析。研究發(fā)現(xiàn)粗顆粒在葉片工作面的運動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動速度最大。 （5）研究了粗顆粒不同物性參數(shù)對泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流動的影響規(guī)律。研究隨著顆粒粒徑、顆粒密度和顆粒體積分數(shù)的增大，泵揚程和效率均逐漸降低；且隨著顆粒粒徑的增大，顆粒相對運動偏向葉片工作面的趨勢越明顯；隨著顆粒密度的增大，顆粒相對運動越易與葉片工作面發(fā)生碰撞或摩擦。 本項目發(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，申請發(fā)明專利1件；獲江蘇省科技進步一等獎1項；培養(yǎng)碩士研究生4名、博士研究生1名。

本項目擬采用多場同步測試、LES-DEM數(shù)值計算和理論分析相結(jié)合的方法，從介觀和宏觀兩個尺度深入研究泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流機理。. 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測試、高速攝影和動態(tài)壓力測試等對泵內(nèi)粗顆粒兩相流進行多尺度測量；構(gòu)建顆粒群模型解決流體計算與顆粒計算間網(wǎng)格尺度匹配的難題；引入離心力和科氏力改進DEM軟球模型，建立一種適用于泵內(nèi)粗顆粒兩相流計算的LES-DEM聯(lián)合模式；探究葉輪與壓水室動靜干涉作用下液相湍流結(jié)構(gòu)變化對粗顆粒流型和流動穩(wěn)定性的作用機理；研究顆粒間碰撞、破碎及群集行為對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)運行時固液兩相防堵平衡判定準則。. 項目旨在系統(tǒng)掌握泵內(nèi)粗顆粒固液兩相流機理，為粗顆粒兩相流泵的發(fā)展提供試驗數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

巖石斷裂一直是巖石工程的一個核心問題。巖石宏觀力學屬性決定于細觀結(jié)構(gòu)。為了探索巖石細觀結(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，進行了理論與試驗研究。以大理巖為巖樣，通過三點彎曲梁試驗測得了宏觀斷裂能。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，表明細觀顆粒優(yōu)化級配及界面結(jié)構(gòu)應滿足分形維數(shù)最大化，以增強宏觀斷裂韌度。根據(jù)細觀結(jié)構(gòu)特點，在虛內(nèi)鍵(Virtual Internal Bond-VIB)理論基礎(chǔ)上對巖石進行了多尺度本構(gòu)建模。將細觀顆粒抽象為幾何點，顆粒之間通過VIB相連。為了反映顆粒之間的微裂隙，認為VIB滿足兩點分布。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引入宏觀本構(gòu)。為了有效地描述細觀顆粒之間的壓剪破壞機理，引入了微觀Mohr-Coulomb準則，基于該準則的宏觀本構(gòu)可以有效地再現(xiàn)巖石三軸抗壓強度和破壞特征。為了綜合反映顆粒之間的剪切效應，建立了廣義Stillinger-Weber勢函數(shù)，同時考慮了鍵長和鍵角作用，使宏觀本構(gòu)方程更能全面地反映細觀斷裂機理。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。為了反映不同細觀斷裂機理，元胞的本構(gòu)關(guān)系分別基于兩體勢、廣義SW勢函數(shù)及彈脆性SW勢函數(shù)，使宏觀本構(gòu)模型能夠有效地模擬巖石動態(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。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)格的情況下對裂紋擴展進行模擬，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)點富集(Nodal Enrichment)技術(shù)。研究成果揭示巖石細觀結(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)理論與計算方法。 2100433B

巖石細觀結(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)及顆粒本身力學特性對巖石宏觀力學行為具有決定性作用。本項目以這種細觀結(jié)構(gòu)為研究對象，擬采用電鏡掃描和數(shù)字圖像處理技術(shù)對巖石細觀結(jié)構(gòu)信息進行分析和提取，運用分形幾何理論對細觀顆粒界面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、顆粒分布及細觀裂紋擴展拓補結(jié)構(gòu)進行描述；采用虛內(nèi)鍵（VIB）理論對巖石細觀顆粒和顆粒界面進行力學建模，通過數(shù)值模擬方法對顆粒界面膠結(jié)特性、顆粒本身力學屬性、細觀裂紋擴展和細觀能量耗散關(guān)系進行研究，以明確巖石細觀斷裂機理，揭示巖石宏觀斷裂能的細觀物理機制，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，加深對巖石力學行為的理解和把握。此研究為揭示巖石宏觀力學行為的細觀機理具有重要意義，同時也為裂隙巖體、陶瓷、混凝土等材料的多尺度力學模型研究提供了新思路。

運用量子力學（QM）、經(jīng)典分子動力學（MD）、半經(jīng)驗量子MD和從頭算MD以及耗散粒子動力學（DPD）等理論方法，對多系列含能化合物（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），分別地進行系統(tǒng)的微觀與介觀尺度的計算和模擬，研究它們在不同溫度和不同強度沖擊波作用下的分解反應和起爆機理；考察組成、結(jié)構(gòu)、相互作用能、力學性能與感度特性之間的聯(lián)系；探索內(nèi)部和外界條件對含能分子、晶體和復合材料的致鈍效應的影響，揭示致鈍機理，建議致鈍方法。通過本項目研究，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)計和制備提供參考或指導。