顆粒物質(zhì)具有典型的離散性與粒子作用的非線性耗散性,使其在不同外力作用下會表現(xiàn)出一些復雜而又獨特的性質(zhì),呈現(xiàn)出豐富的物理內(nèi)涵,近年來逐漸成為力學、物理學和諸多工程應用學科研究的重要前沿領域。靜態(tài)堆積的顆粒物質(zhì)通常會表現(xiàn)出明顯的固態(tài)特性,系統(tǒng)具有一定的強度和抗剪切能力,當有物體在其內(nèi)發(fā)生運動時,系統(tǒng)會發(fā)生屈服并產(chǎn)生局部流動,同時物體也會受到周圍粒子的碰撞或摩擦而產(chǎn)生作用力,這明顯不同于其在液體中受到的阻力或拖曳力。本學位論文主要針對物體在顆粒物質(zhì)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)運動這一基礎性問題,基于離散單元法及相應的多尺度統(tǒng)計方法,研究了顆粒物質(zhì)內(nèi)的轉(zhuǎn)子在持續(xù)旋轉(zhuǎn)時受到的阻力特性,分析了系統(tǒng)屈服后局部粒子的動力學行為,嘗試建立了轉(zhuǎn)子受到的阻力與相對深度的標度關系,在此基礎上討論了轉(zhuǎn)子的形狀、轉(zhuǎn)速等因素對阻力特性的影響規(guī)律。論文主要工作如下:首先,建立了圓盤形轉(zhuǎn)子在顆粒物質(zhì)中繞軸旋轉(zhuǎn)的離散動力學模型,系統(tǒng)定量地研究了轉(zhuǎn)子與顆粒物質(zhì)的相互作用過程,統(tǒng)計得到了從初始旋轉(zhuǎn)到穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)子受到的扭矩的變化特征,分析了轉(zhuǎn)子不同表面的受力特征及隨時間的演化規(guī)律;在此基礎上,進一步研究了埋入深度的變化對轉(zhuǎn)子動力學特征的影響,討... 

【文章來源】：蘭州大學甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

顆粒物質(zhì)在(a)制藥工程；(b)采礦工

蘭州大學碩士學位論文基于離散單元法對轉(zhuǎn)子在顆粒物質(zhì)中的阻力特性研究4在漏斗中的間歇流動實際就是出口處拱結(jié)構(gòu)不斷破壞與重組的過程。6.壓力凹陷現(xiàn)象在顆粒系統(tǒng)中粒子間的相互作用力層層傳遞，形成了強度與方向不同的力鏈結(jié)構(gòu)[25-27]。這些力鏈分布決定著系統(tǒng)的內(nèi)部壓力傳遞和承載能力[28]。堆積形態(tài)相同的兩個沙堆，其內(nèi)部的力鏈結(jié)構(gòu)有可能完全不同。已有研究發(fā)現(xiàn)，盡管沙堆底面中心處上方的沙粒最多，但在有些情況下該點處卻承受著比周圍其它點更小的壓力，這就是所謂的“壓力凹陷”現(xiàn)象[29]。實際上，沙堆生成的方式對此有決定性的影響。只有當沙粒從固定一點落下，以點源法形成錐形沙堆時，沙堆內(nèi)會形成明顯的拱結(jié)構(gòu)，進而導致其底部產(chǎn)生明顯的“壓力凹陷”現(xiàn)象[30]。不同條件下顆粒物質(zhì)往往會表現(xiàn)出很多復雜而又奇特的性質(zhì)，這與顆粒物質(zhì)的幾個基本特性密切相關。首先，顆粒物質(zhì)是由大量性質(zhì)相同的固體粒子組成，系統(tǒng)內(nèi)力以顆粒間的摩擦與碰撞為主，而實驗與理論證明接觸力的分布與顆粒系統(tǒng)形成的歷史有關且存在記憶效應[30]。其次，由溫度引發(fā)的分子熱運動可忽略不計，若使用熱力學方法來描述顆粒系統(tǒng)，難在溫度的定義和計算。盡管有研究使用速度波動[31,32]及能量起伏[33]作為液化態(tài)、氣化態(tài)的顆粒溫度，但這種定義仍缺乏統(tǒng)一的認識。最后，單個粒子的平動、轉(zhuǎn)動以及粒子間的碰撞變形都會發(fā)生能量的損耗，因此整個顆粒系統(tǒng)會呈現(xiàn)出典型的能量耗散特征。圖1.2物體與顆粒物質(zhì)相互作用的應用：(a)航行破冰；(b)機械碎石與傳送；(c)螺旋打樁；(d)盾構(gòu)施工(a)(b)(c)(d)

蘭州大學碩士學位論文基于離散單元法對轉(zhuǎn)子在顆粒物質(zhì)中的阻力特性研究6靜態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部接觸較多，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且能承受一定的外力，這類系統(tǒng)較為常見；臨界靜態(tài)系統(tǒng)則處于二者之間，處于發(fā)生固-液相變之前的狀態(tài)。靜態(tài)系統(tǒng)中被廣泛關注的一個典型問題是干燥無粘性顆粒堆體中的應力分布。L.Vane等人[30]實驗發(fā)現(xiàn)沙堆內(nèi)部靜應力分布特征與其形成歷史密切相關。圖2.1中給出了點源法、落雨法形成的兩種形狀沙堆底部的實測壓力值（沙堆左右部分具有對稱性，僅展示右半部的結(jié)果），結(jié)果表明點源法形成的沙堆存在明顯的“應力凹陷”，這種現(xiàn)象在錐形堆中更加突出。圖2.1點源法制成的(a)錐形沙堆、(c)楔形沙堆，落雨法制成的(b)錐形沙堆、(d)楔形沙堆以及底部垂向壓力沿徑向的分布[30]。為分析沙堆內(nèi)部的應力分布方式，研究人員從不同的角度建立了很多唯象理論模型。Wittmer等[36,37]提出極限平衡模型(IFE)，此模型假定每一顆粒的位置在沙堆崩塌前不變且各切面的靜摩擦力處于最大值，但該理論的計算結(jié)果推斷堆底部中點處正應力最大，不能解釋壓力凹陷現(xiàn)象。Bouchaud,CatesandClaudin三人提出BCC模型[38]，該模型假定堆體內(nèi)部各點的水平應力與垂向應力為比例關系，推斷正應力最大值位于沙堆中心附近。Wittmer等繼續(xù)提出了固定主軸模型(FPA)，該模型認為沙堆形成過程中的崩塌使內(nèi)部出現(xiàn)類似于帳篷的應力分布，這與Edwards的拱結(jié)構(gòu)解釋模型[24]相似，與實驗結(jié)果有較高吻合度。然而，該模型的基礎性假設也受到質(zhì)疑[39]，并不適用于無壓力凹陷的情況。隨后出現(xiàn)的切應力模型[40]則關注了切應力強度與壓力凹陷的關系。除沙堆的應力分布問題外，顆粒物質(zhì)在柱形筒倉中的堆積問題（通常稱為糧倉系統(tǒng)問題）被廣泛關注并得到了很多有意義的成果。糧倉效應最早由英國學者?


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