不等径湿颗粒与液桥相互作用的微观水力特性

从土颗粒的微观尺度认识和解释非饱和土的基本性质已成为土力学界日益关注的课题之一,将非饱和土作为湿颗粒材料来研究湿颗粒与液桥的相互作用更易认识其内在的微观水力特性。为研究一对不等径湿颗粒间形成液桥时表现的微观水力特性,用相应的光滑球体颗粒的间距描述颗粒表面的粗糙度,假定液桥的形状为圆环且不考虑颗粒重力和浮力的影响,提出了表征这对湿颗粒与液桥相互作用的理论模型。随后研究了液桥体积和毛细作用力与基质吸力、颗粒半径比、固-液接触角、颗粒表面粗糙度的无量纲关系,而且分析了干燥条件下颗粒间液体和液体蒸汽间的平衡关系。最后利用已有文献对球体颗粒间液桥的毛细作用力实测值验证了该模型在表征液桥毛细作用力与颗粒间距关系时的有效性。     

不等径湿颗粒与液桥相互作用的微观水力特性

从土颗粒级的微观尺度认识和解释非饱和土的基本性质已成为土力学界日益关注的课题之一，将非饱和土作为湿颗粒材料来研究湿颗粒与液桥的相互作用更易认识其内在的微观水力特性。为研究一对不等径湿颗粒间形成液桥时表现的微观水力特性，用相应的光滑球体颗粒的间距描述颗粒表面的粗糙度，假定液桥的形状为圆环且不考虑颗粒重力和浮力的影响，提出了表征这对湿颗粒与液桥相互作用的理论模型，不仅研究了液桥体积和毛细作用力与基质吸力、颗粒半径比、固―液接触角、颗粒表面粗糙程度的无量纲关系，而且分析了干燥条件下颗粒间液体和液体蒸汽间的平衡关系。最后利用已有文献对球体颗粒间液桥的毛细作用力实测值验证了该模型在表征液桥毛细作用力与颗粒间距关系时的有效性。     

考虑颗粒粒径和液桥体积的毛细力计算方法

土坝在非饱和渗流作用下的变形过程与湿颗粒间的细观毛细黏聚作用密切相关,因此对湿颗粒间形如液桥的水分的毛细力进行计算分析有助于认识这种作用机理。从颗粒粒径和液桥体积出发,将湿颗粒简化为不等径球体颗粒,先结合其间液桥的几何特征构建了Young-Laplace方程数值解的数据组。其次,将固-液接触角θ≤20°范围内的小体积液桥(V_(LB)~*≤1×10~(-3))表面形状假定为椭圆弧,依据颗粒等效半径推得液桥断裂距离及其毛细力关于液桥体积和颗粒间距的解析公式,并采用已有文献中不等径球体颗粒间小体积液桥的毛细力实测值验证了解析公式的有效性。再次,依据液桥体积变化更广范围内Young-Laplace方程数值解的数据组,引入颗粒半径比构建了适用于大体积液桥(V_(LB)~*1×10~(-3))的断裂距离拟合公式,并将其嵌入已有不等径湿颗粒间液桥的毛细力拟合公式中进行改进。最后,采用Young-Laplace方程数值解的数据组评价了已有的与改进的毛细力拟合公式适用性,通过对比预测误差发现:改进公式对半径比在1～128范围内的湿颗粒间不同体积液桥(V_(LB)~*≤0.13)在固-液接触角θ≤40°且颗粒间距不超过液桥断裂距离范围内的毛细力预测效果优于已有公式。将本文提出的毛细力计算方法嵌入典型湿颗粒材料的微细观弹塑性本构模型时,可用于水位骤降时土坝的变形分析及其稳定性评价。     

不同含液量下颗粒间液桥力及形态的试验研究

对液桥力的研究有助于从根本上揭示非饱和土持水特性的内在机理。以等径球体颗粒间的液桥为研究对象,利用纳米多功能试验机及CCD数码相机分别测量并记录了三种粒径、六种含液量下液桥拉伸过程中力值及形态的变化,并将试验结果与理论计算结果进行对比,同时对不同类型液桥拉伸曲线产生的原因提出了猜想。结果表明:液桥力-位移曲线可以分为上升段、平稳下降段以及突然跌落段三部分;不同含液量下液桥的初始形态不同,钟摆状液桥主要出现在饱和度较低且重力影响可以忽略的条件下,随着饱和度的增加液桥初始形态变为圆柱状以及外凸状;最大液桥力与粒径及含液量成正比,断裂距离与含液量成正比与粒径成反比,且粒径对最大液桥力以及断裂距离的影响更为显著;不同研究者观测到的两类液桥力-位移曲线可能是试验初始点不同导致的。     

密相液固两相流动的数值研究

本文推导了适用于考虑浓度变化影响的密相液固两相流动数值计算的ＤＩＰＳＡＲ算法，对竖直上升管中密相液固两相流动进行了数值计算，计算值与实测值较为符合。     

球形颗粒干湿循环过程中的液桥作用规律

大量研究表明干湿循环过程对土体结构的影响与液桥的作用规律密不可分。运用由人工合成材料构建的细观二维物理模型进行试验探究实际土体水分变动过程中的细观液桥作用规律。细观试验模型分别设计了“颗粒群”及“单颗粒”两种,并通过高速摄像机记录玻璃珠在吸湿、脱湿过程中的等时间间隔运动轨迹,以此反演干湿循环过程中液桥力的变化规律。“颗粒群”试验结果显示,干湿循环过程对样本结构的影响主要发生在第一次干湿循环的脱湿过程,试验吸湿过程中颗粒结构的扰动较小;“单颗粒”试验结果显示,颗粒接触点间的初始含水率会影响颗粒在吸湿过程中被拖入液桥时的移动轨迹总长度。结合这些现象,推广了静态或准静态下ｕａ－ｕｗ ＜０的液桥作用力公式,并以此对这些现象进行分析。并从细观上进一步揭示了非饱和土干湿循环过程对抗剪强度的影响规律和特点。     

掺砂高液限土加州承载比影响因素试验

为确定云罗高速公路沿线的高液限土改良方案,通过不同掺砂比例的颗粒分析试验、相对密度试验、液塑限试验、击实试验和室内加州承载比(CBR)试验,对掺砂前后高液限土的颗粒级配分布,掺砂高液限粉土和高液限黏土的承载比影响因素,如掺砂量、浸水时间对CBR值的影响规律等进行了试验研究。结果表明:粗颗粒质量分数越高,摩擦力越大,黏聚力越小,水敏感性越差;影响土体CBR值的主要因素是粗颗粒质量分数,其次为浸水时间。     

渤海近海口软黏土液塑限试验研究

液塑限是为细粒土定名分类、评价工程性质的重要参数,通过对渤海近海口沉积的软黏土进行液塑限联合测定试验和颗粒分析试验,研究了该地区细粒土的液塑限影响因素,并提出了一些建议。研究结果显示,土体中胶粒含量影响着土体的塑性指数,并且在反映土样可塑性时有一定的界限和范围,渤海近海口软黏土胶粒临界含量为7.5%。对不同规范所取的测点入土深度区间进行试验研究发现,《土工试验规程》与《土工试验方法标准》测得的土体液塑限指标不同,其原因可能是测点入土深度和对应的含水率并非理想的线性关系,建议在进行液塑限联合测定时考虑此因素,从而使结果更加准确。     

固—液两相流中的一种湍流模式

定义了体积分数速度，并由此建立了固－液两相流中的一种湍流模式，模化了动量方程，Ｋ方程及ε方程，本模型中，考虑了相间的速度滑移，颗粒间的作用及相间作用，对一管湍流中固－液混合物流动的预测表示与实验结果比较一致。     

固液两相湍流和颗粒磨损的数值模拟

基于两流体模型，建立了固液两相流中更一般的Ｋ－ε双方程湍流模型，模化了固相和液相的连续方程，动量方程及Ｋ方程和ε方程，在这些模化方程中，考虑了固液两相间的滑移，颗粒间的作用及相间作用，使用本文所建立的流模型和粒磨损模型，可 液两相湍流中的流动特性和颗粒对过流部件的磨损率，本文给出了一水轮机导叶在含沙水流中的过流特性及磨损情况的数值模拟，预测结果与实验结果比较一致。     

复合土工膜砂砾料界面摩擦特性研究

复合土工膜与粗粒砂砾料垫层的界面摩擦特性对工程结构稳定性十分重要。现有的试验研究多集中在粒径较小的土料与土工织物接触, 对于由粒径较大的砂砾料与土工膜界面特性的研究较少。利用大型土工合成材料直剪仪开展了砂砾料与土工膜界面直剪摩擦试验研究, 讨论了砂砾料级配以及相对密度对界面摩擦特性的影响。试验结果表明:相对密度一定时, 粗颗粒含量越大, 摩擦因子越大;相同级配条件下, 相对密度越高, 摩擦因子越大。最后探讨了土工膜与剪切下盒基座间的固定方式对界面摩擦参数的影响, 求得不同的固定方式导致界面摩擦角相差可达1倍以上。     

固液两相流中固体颗粒的垂直分选机理

在结构两相流的总体框架内，基于对单个固相颗粒受力的分析和对多颗粒条件下颗粒之间的相互作用，本文对液体流动特性进行了简化，采用固体颗粒在水流中运动的垂线分选模型，对各种颗粒浓度条件下的垂直分选特征进行了讨论。结果表明：随着颗粒浓度的增加，颗粒的分选过程加快，颗粒向上聚集的倾向加强，分选的结果会形成明显地在垂直方向上显示出反粒序分布。当颗粒体积浓度超过0．3以后，粗颗粒较细颗粒具有更大的向上聚集的倾向；当颗粒浓度接近极限浓度时，会出现颗粒分选速度的反常变化，说明分选模型在这种情况下失效。文中还通过常见的三种液相速度分布，分析了不同速度分布剖面对分选结果可能产生的影响。     

基于离散元法研究颗粒球度对粗粒土抗剪强度的影响

粗粒土颗粒形状是决定其宏观力学性质的主要影响因素之一。为探究粗粒土颗粒形状对其抗剪强度特性的影响规律,以不同颗粒形状的3种粗颗粒土为研究对象,利用离散元数值分析手段,以球度指标为量化参数,研究了颗粒形状对粗粒土直剪试验过程中应力、位移变化及宏观抗剪强度的影响,并分析了抗剪强度参数的变化规律。同时通过室内直剪试验双向验证所揭示规律的可靠性。研究结果表明:法向荷载相同时,随着球度的减小剪应力越过峰值应力后的应变软化现象越明显,同时其峰值应力、位移及残余强度均逐渐增加;球度相同时,随着法向荷载的增大其峰值应力、位移和残余强度均呈规律性递增。黏聚力和内摩擦角随着球度的减小而增加,球形颗粒的黏聚力明显小于其它两种球度的颗粒。     

滤网孔径和层数对反滤保土效果的影响分析

针对土工织物反滤层的反滤保土性问题,采用滤网代替土工织物的孔隙,利用颗粒流程序对无黏性基土-滤层的反滤过程进行二维离散元数值模拟。依次研究了单孔、单层和多层滤网在不同孔径比O/d下的反滤保土效果。对比不同孔径比O/d下反滤稳定后的基土颗粒形态,绘制反滤稳定的力链图,分析颗粒间接触力的分布,从细观上解释滤层保土性的原因,进一步计算颗粒流失率,分析滤层孔径及层数对保土性的影响规律。结果表明:孔隙附近颗粒成拱是滤层发挥保土性的原因,孔径比O/d过大会降低颗粒拱的稳定性导致保土性下降;颗粒间接触力的分布细观上验证了颗粒的拱效应,多层滤网层间截留颗粒仍可与滤网一同增加滤层的保土性;滤层孔径较大时,增加滤网层数能够在一定程度上弥补保土能力的不足。     

黄土结构性分析及新认识

通过对黄土结构性及其对黄土力学特性影响的深入分析,认为黄土颗粒之间的力有联结力和摩擦力两种。联结力属于短程力,包括化学胶结力、土颗粒间的分子引力、薄膜水和毛细管水产生的吸力,这些力形成了黄土的联结结构强度。摩擦力属于远程力,是土体受力时土颗粒之间有相互错动、移位、重新排列的运动或趋势时才产生的阻止土体变形的力,包括颗粒之间的摩擦力和咬合力,这种力形成了黄土的摩擦结构强度。黄土的结构强度就是由联结结构强度和摩擦结构强度组成的。提出了黄土联结结构强度、摩擦结构强度、压密强度等的定量化概念。     

粗颗粒对黏性土干缩开裂影响的试验研究

在极端干旱条件下,黏性土失水将会产生裂隙,并会对土的工程性状产生显著影响。自然界中的土通常还含有一些粗颗粒。目前关于粗颗粒对黏性土失水开裂影响的研究很少,特别是有关粗颗粒对黏性土开裂影响的定量描述鲜见报道。为了研究粗颗粒含量对黏性土失水开裂的影响,在黏性土中掺入石英砂颗粒制作含粗颗粒的黏性土样,在自制的可自动实时摄像的恒温恒湿箱中开展失水开裂试验,采用计算机图像处理技术,定量描述了蒸发过程中含粗颗粒黏性土的开裂特征和表面裂隙的几何分维特征,定量分析和讨论了粗颗粒对黏性土开裂的影响机理。结果表明:①在蒸发过程中,黏性土中的粗颗粒会增加水分从下至上的运移距离,并且减小了过水面积,使得土样表面孔隙失水后得不到足够的补充,空气进入土样表面孔隙,提高了土样进气值含水率;②土样开裂含水率只与是否含有粗颗粒有关,与粗颗粒含量关系较小,并且土中粗颗粒能明显提高土的开裂含水率;③土中粗颗粒对裂隙宽度的发展具有阻碍作用,对裂隙长度的发展有促进作用,裂隙面积随粗颗粒含量增加先增加后减小;④土样表面裂隙的分形维数和裂隙率正相关。     

P5含量对砾类土强度与变形特性影响的试验研究

为了研究粗粒含量对砾类土的强度与变形特性的影响,本文对5种不同粗粒含量的强风化灰岩土石混合体开展了室内大型直剪试验与数值模拟研究,并获取相关的强度与变形参数。室内试验结果表明:随粗粒含量增加,抗剪强度参数先增大后减小,粗粒含量70%时试样内摩擦角达到最大,黏聚力变化无明显规律。对实验数据进行统计分析表明,用径径比可以很好地体现试样级配、粒径大小、含量、试样尺寸的关系,最终得到抗剪强度与径径比关系的经验公式,可以初步预测粗粒土的抗剪强度。数值模拟结果表明:使用Clump"聚粒"模型模拟砾石能较好地拟合剪应力与剪位移曲线;剪切过程中剪切带附近颗粒运动表现为上凸的弧线,这个现象持续至剪切结束;力链表现为倾斜的珊瑚状,随剪切进行力链不断发展增强,至剪切完成力链稍有衰减。     

新型固-液旋流分离过程的建模与仿真研究

针对新型固-液旋流分离器实际工作环境．设计了一种新型导流式高效旋流分离器,利用流体力学基本原理。结合T．D哈帝冈柱形旋流分离器模型．建立了新型导流式固液旋流分离器的数学及仿真模型,通过仿真实验获取了新型旋流分离器流场稳定时的进料口速度。运用FLUENT软件．结合欧拉多相流分析法和RNGk—ε湍流模型对其进行数值模拟,得到了流场的压力分布、速度分布、粒子轨迹分布等可视化结果。结果表明,在新型旋流分离器中设计的导流板这一特殊结构能够有效改善循环流,并提高该旋流分离器的分离效率．为旋流分离器取得较好分离效果的工作参数设定提供了技术指导和理论依据。