剪切盒實(shí)驗(yàn)比尺效應(yīng)的數(shù)值模擬研究.pdf

1、對(duì)顆粒流動(dòng)行為的研究是最近幾十年中興起的一門學(xué)科。顆粒流由大量離散固體粒子聚集而成，而其集體行為卻和固體、液體和氣體有著不同的靜動(dòng)態(tài)特性。如糧倉(cāng)效應(yīng)，成拱形的應(yīng)力分布現(xiàn)象，加壓膨脹特性和振動(dòng)分離等。又由于自然界中很多物理現(xiàn)象和自然現(xiàn)象都屬于顆粒流范疇，所以研究這一特殊的物質(zhì)流態(tài)會(huì)幫助我們加深對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)自然環(huán)境災(zāi)害的防治。在環(huán)境水力學(xué)領(lǐng)域，對(duì)顆粒流動(dòng)現(xiàn)象的研究可以為水體中泥沙及懸浮污染物顆粒的運(yùn)動(dòng)提供基礎(chǔ)理論，從而為了解水體

2、中懸浮污染物質(zhì)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律奠定基礎(chǔ)。 目前，在顆粒流的數(shù)值模擬方面，二維模型已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。借鑒于分子動(dòng)理論，并從微觀的單個(gè)顆粒角度出發(fā)而開發(fā)的模擬程序可在一定程度上反映現(xiàn)實(shí)世界中顆粒運(yùn)動(dòng)的特征。本文在對(duì)比二維數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)剪切盒實(shí)驗(yàn)的比尺效應(yīng)進(jìn)行了分析。本文主要研究?jī)?nèi)容和成果如下： 1、利用顆粒流二維數(shù)值模擬程序?qū)羟泻袑?shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬。二維數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在兩者所揭示的關(guān)于顆粒受剪

3、切時(shí)的力學(xué)特征的變化趨勢(shì)是一致的。二維數(shù)值模擬與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上存在一定差異，其原因據(jù)分析在于二維數(shù)值模擬的簡(jiǎn)化假設(shè)具有先天不足，且數(shù)值模擬對(duì)顆粒形狀的過分簡(jiǎn)化也是一個(gè)不容忽視的原因。 本文得到教育部跨世紀(jì)優(yōu)秀人材培養(yǎng)計(jì)劃基金“西南地區(qū)大型水電開發(fā)中幾個(gè)重要生態(tài)環(huán)境科學(xué)f司題的基礎(chǔ)研究”(教技函(2002)48號(hào))及教育部博士點(diǎn)基金“污染物在水中擴(kuò)散的相似規(guī)律研究”(20050610040)的資助 2、有學(xué)者提出可以

4、將顆粒流視為連續(xù)介質(zhì)，利用對(duì)有限數(shù)量顆粒樣本測(cè)量獲得的物理特性應(yīng)用于有關(guān)方程中，并采用計(jì)算流體力學(xué)的方法和手段來(lái)研究顆粒流，而有學(xué)者依靠離散元方法，利用數(shù)量有限的顆粒來(lái)獲得對(duì)實(shí)際顆粒流動(dòng)的認(rèn)識(shí)；在剪切實(shí)驗(yàn)中，研究人員需要知道剪切盒中樣本量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有無(wú)影響，或可稱為實(shí)驗(yàn)的比尺效應(yīng)。要解決上述問題，需要了解顆粒數(shù)量的多少究竟對(duì)模擬或物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果有無(wú)影響。針對(duì)上述需求，本文利用數(shù)值模擬方法分析了不同數(shù)量顆粒在水平剪切作用下的剪切應(yīng)力變化情況

5、。文中分別對(duì)不同剪切盒尺寸情況下，兩種實(shí)際顆粒在保持尺寸不變的前提下的剪切過程進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：隨著剪切盒尺寸(或樣本數(shù)量)的減小，顆粒整體表現(xiàn)出的剪切應(yīng)力增大；隨著盒子尺寸(或樣本數(shù)量)的增大，顆粒整體表現(xiàn)出的剪切應(yīng)力減小。當(dāng)盒子增大到一定尺寸，剪切應(yīng)力趨于恒定，可以認(rèn)為此時(shí)的剪切力趨近于由滑動(dòng)摩擦力公式F=μN(yùn)計(jì)算得到的剪切力。上述結(jié)果證實(shí)了比尺效應(yīng)的存在，因此在類似剪切盒的實(shí)驗(yàn)中，如何從數(shù)量有限的顆粒樣本中獲得現(xiàn)實(shí)世界中顆

6、粒群體的真實(shí)物理性質(zhì)將是今后研究者需要解決的—大科學(xué)問題。另一方面，離散元方法對(duì)顆粒流進(jìn)行研究時(shí)，也必須保持較大的模擬樣本量以得到能反映真實(shí)世界情況的結(jié)果。 對(duì)于以上比尺效應(yīng)產(chǎn)生的原因，本文從愛因斯坦著名的“光的波粒二相性”和管理學(xué)上的“克希納定律”兩個(gè)角度進(jìn)行了分析。作者認(rèn)為在顆粒數(shù)目較少時(shí)，顆粒的個(gè)體特性占主導(dǎo)；當(dāng)顆粒數(shù)目很多時(shí)，顆粒的個(gè)體特性越來(lái)越淡化，轉(zhuǎn)而由顆粒的整體性來(lái)控制?！翱讼＜{定律”認(rèn)為當(dāng)群體規(guī)模增大時(shí)，由于“

7、責(zé)任分散”思想的存在，群體表現(xiàn)出來(lái)的合作用反而會(huì)比小規(guī)模的小。在研究顆粒流剪切過程中的力學(xué)特性時(shí)，我們稱呼“責(zé)任分散”為“力量耗散”或許更合適。即由于顆粒數(shù)目的增多，單個(gè)顆粒和周圍顆粒碰撞產(chǎn)生的正向和切向應(yīng)力的方向雜亂無(wú)章，可能會(huì)抵消其他顆粒碰撞產(chǎn)生的正向、切向應(yīng)力，導(dǎo)致的最后結(jié)果就是宏觀上剪切盒的水平剪切應(yīng)力反而比少顆粒數(shù)目的小。 3、本文主要應(yīng)用了MPI消息傳遞模式來(lái)改造DEM數(shù)值模擬串行程序，將在單機(jī)上無(wú)法進(jìn)行的大規(guī)模計(jì)算