流槽对筒仓双侧壁卸料动态压力分布影响研究

通过模型试验和离散元模拟,研究安装流槽对筒仓动态侧压力环向分布规律的影响,分析颗粒在普通筒仓双侧壁卸料和带流槽双侧壁卸料过程中的力学行为。研究表明：(1)在筒仓0.6～1.1 m深度范围内带流槽筒仓双侧壁卸料工况下侧压力均要小于普通筒仓双侧壁卸料；(2)与大偏心单侧壁卸料模式一样,双侧壁对称卸料模式下同一水平面环向侧压力分布并不均匀,依然存在压力耳朵区域、静止区域和流动通道区域,三个区域中流槽对压力耳朵区域影响最大；(3)通过观察流态和速度场,结合试验数据阐述了流槽降低动态侧压力的工作机理：流槽的流动形式为混合流动,这种流动形式能直接破掉拱角,使瞬时拱无法形成,从而有效的降低动态侧压力。通过对两种工况动态侧压力及流态的分析,验证流槽的减压机理,为之后筒仓的设计提供参考。     

不同卸料流态对仓壁侧压力影响的试验研究

为了观察筒仓卸料过程中内部流态及其相对应的仓壁压力变化进行研究,现基于物理模型试验,自主设计并制作半圆形筒仓,采用压实和松散两种装料方式,观察卸料过程中不同的物料流态。结果表明,当采用压实装料时,物料表现为管状流,采用松散装料时,物料表现为整体流与漏斗流共存。通过自主设计定制的土压力盒传感器来测定贮料及卸料工况下仓壁压力数值,将仓壁压力数值与物料流态联合分析,结果显示:在贮料工况下,压实装料时仓壁压力数值与Janssen公式计算值具有较好的一致性,松散装料时,内部力链网络疏松,仓壁压力数值较大。在卸料工况下,物料流态为管状流和漏斗流时,仓壁压力变化稳定,物料流态为整体流时,仓壁压力具有较大的波动性变化。对两种不同装料方式下,仓壁压力进行超压分析,发现物料表现为管状流和漏斗流时,无较大的超压变化,物料表现为整体流时,有较大的超压现象,最大超压系数为1.85,且仓壁压力波动性最大点与超压现象最大点一致。在筒仓卸料过程中,不同的装料方式具有不同的流态,同时,仓壁具有不同的压力变化规律,该研究可为构建和完善筒仓结构安全设计提供参考。     

基于改进颗粒模型的筒仓卸粮宏细观力学响应模拟研究

离散元模拟常作为研究筒仓卸粮的方法, 但由于在模拟中所用颗粒模型多为单一ball单元模型,使得模拟卸粮的颗粒内摩擦远小于真实试验情况,从而导致模拟结果与试验结果误差较大。针对此问题,我们在已有离散元程序基础上,添加了黏度系数较大的微型颗粒来模拟粉尘,建立了一种改进颗粒模型。基于合理的物理试验,从卸粮过程的宏细观力学响应角度深入探究了改进颗粒模型相对于传统ball单元模型的优势,结果表明：（1）改进颗粒模型的仓壁侧压力曲线震荡幅度更大,与试验情况更吻合;（2）改进颗粒模型的模拟数据曲线与物理试验数据曲线更接近,仓壁动态侧压力曲线标准差相比传统ball单元减小了77.3%;（3）剪切力与位移曲线的标准差相比传统ball单元的标准差减小了12.5%,拟合效果更好。     

基于改进颗粒簇单元的卸粮宏细观机理模拟

传统PFC模拟卸粮均采用单一ball单元模型,不能准确反映小麦等不规则粮食卸粮过程中的宏细观力学机理。本研究建立了由clump单元和ball单元组成的改进颗粒簇单元,以室内卸粮物理模型试验为基础进行数值计算,并和传统模型的模拟结果进行对比分析。研究表明:(1)在宏观仓壁压力方面,改进颗粒簇单元模拟所得结果与传统ball模型相比,误差降低了17.9%;(2)在颗粒细观结构方面,改进模型的颗粒堆积孔隙率下降了3.07%,而配位数增大了27%,模拟误差降低了3.12%;(3)改进模型接触力数量增加了96.3%,接触力链分布更均匀密集,能清晰反映瞬时拱此消彼长的动态变化。本研究建立的改进颗粒簇单元提高了模拟的准确度,能客观反映卸粮过程的侧压力、颗粒结构、细观力学参数动态变化。     

基于堆积实验的小米离散元参数标定

为获取小米在离散元仿真中精确的接触参数，基于小米颗粒实体堆积试验，结合离散元法“Hertz–Mindlin”颗粒接触模型，构建小米颗粒仿真模型，以小米休止角为响应值，基于响应面优化对小米仿真接触参数进行了标定。首先通过Plackett-Burman 设计试验，得到对小米休止角影响显著的仿真接触参数为：小米-小米静摩擦系数、小米-小米滚动摩擦系数、小米-不锈钢静摩擦系数；然后基于Box-Behnken 试验的最终结果，对小米颗粒休止角与显著性参数的二阶回归模型进行二次优化，得到最佳参数组合为小米-小米滚动摩擦系数 0.602、小米-小米滚动摩擦系数0.08、小米-不锈钢静摩擦系数0.424；最后利用最佳参数组合进行仿真，将标定的小米颗粒休止角值与实际测定值进行比较，二者之间的相对误差为0.73%。结果表明标定的仿真接触参数可用于小米颗粒的离散元仿真，为小米等其它颗粒物料离散元仿真提供一定的参考。     

基于COMSOL静态储粮玉米粮堆温度场研究

以初始温度为26℃,边长为1 m并设有冷、热壁面的方形玉米粮堆仓为研究对象，利用数值模拟软件COMSOL,对仓内粮堆温度场进行数值模拟分析，并基于验证的模型研究粮堆内外存在温差时，其内部温度随时间的变化规律。结果表明：靠近冷、热壁面的粮堆温度变化较快；仓内粮堆温度在冷热壁面间形成梯度，出现分层现象；不同初始粮温条件下，壁面与粮堆温差影响仓内粮堆温度分布，储藏96 h后，初始粮温为22℃的粮堆温度变化幅度最大，为24.9℃;粮堆与壁面温差较大的条件下，热量传递较快，仓内粮堆温度逐渐趋于稳定；初始粮温一致，不同种类粮食条件下，在储藏192 h后，大豆、小麦、玉米、稻谷和油菜籽仓内粮堆最终温升分别为2.21、2.18、2.17、2.64和2.40℃;密度和孔隙率差异共同影响仓内粮堆温度的分布，孔隙率较大的玉米粮堆，温度更加均匀。     

不同链淀粉含量玉米淀粉结构特性及其降解性能的研究

利用Olympus Vanox BHS-2型多功能光学显微镜和Brabande黏度测定仪观察不同链淀粉含量的玉米淀粉的结构及其黏度特性，采用In—Vitro消化模型模拟人体消化道环境和微生物群在半生物体内模型中分解底物的模拟人体消化方法，研究了不同链淀粉含量玉米淀粉降解性能。结果表明，链淀粉含量越高，淀粉颗粒越小，其淀粉颗粒也由近圆形向椭圆形变化，而且不均匀，脐眼越不明显；同等温度下的玉米淀粉黏度越小，获得淀粉糊的难度越大；不同链淀粉含量的玉米淀粉的酶降解规律和生物降解规律一致。玉米淀粉降解性能与其链淀粉含量有关，但不会随着链淀粉含量增加而变得难降解，与链淀粉含量之间没有线性关系。     

基于离散元EDEM的碾米机内物料运动离散元分析研究

基于离散元分析软件EDEM,以碾米机内物料运动为研究对象,通过三维仿真模型的构建,采用离散元数值模拟颗粒流的方法,探索了糙米单颗粒与群体颗粒系统在碾米机内的动态变化过程。结果表明,仿真方法可以实时查看碾白室内糙米颗粒的运动流线形式及速度矢量等运动状态,并得到糙米颗粒及颗粒流速度随时间的变化关系,以及糙米颗粒及颗粒流合力平均值随时间的变化规律。     

流态冰预冷西兰花温度场数值模拟

目的:解决流态冰预冷包装过程中较复杂的问题，为流态冰在果蔬贮运、保鲜等方面的应用提供依据。方法:以西兰花为研究对象，建立流态冰预冷西兰花的传热模型，应用CFD模拟流态冰在预冷和贮藏西兰花过程中，温度场和冰晶颗粒状态变化，分析流态冰冰晶体积分数与流态冰质量占比对西兰花预冷和贮藏温度的影响，并进行验证实验。结果:冰晶体积分数越大，冰晶颗粒分布越均匀，预冷均匀性越好；当流态冰质量占比为100%时，流态冰可满足预冷温度要求。结论:调整流态冰的体积分数和质量占比，减少包装内部上层空间冗余，可提升西兰花预冷效果，延长贮藏时间。     

基于Fluent的小麦气力输送数值模拟研究

为研究小麦长距离气力输送，在欧拉-欧拉模型的基础上，结合颗粒动力学和Gidaspow曳力模型构建小麦直管输送气固两相流模型，用Fluent软件对小麦输送进行数值模拟。结果表明，小麦颗粒流化后进入直管，颗粒在流场中受到重力以及曳力的影响下，在管道下方堆积成高浓度区域，体积分数为37%，随着输送风速的增大体积分数减小；小麦颗粒在输送中受到压应力最大为305 Pa，颗粒剪切应力最大为523.4 Pa，理论上小麦颗粒在输送过程中不会发生破碎；在靠近管壁有较高的湍动能，随着风速增大而增大。研究为气力输送装备设计开发提供理论基础。     

基于有限元的平房仓内部粮食颗粒摩擦力分析

为探究粮食颗粒内部之间的应力分布及颗粒与仓壁之间相对静摩擦力的分布规律,在考虑粮食颗粒压缩性对粮堆剪胀参数影响的情况下,通过理想弹塑性本构关系和Drucker-prager屈服准则,并采用非关联流动法则来模拟储料,建立了粮仓仓壁与粮食之间正压力、相对静摩擦力的有限元模型,分别模拟不同装粮高度下仓壁与粮食之间的相对静摩擦力、正压力等,找到不同装粮深度处仓壁的相对静摩擦系数分布规律。结果表明,不同装粮高度处的相对静摩擦系数是不同的,伴随深度的增加,系数呈先增加后减小趋势。可见,粮食颗粒相互间的作用力及颗粒与仓壁之间的静摩擦力对粮食重量测量具有十分重要的指导意义。     

提升管内气固流动行为的CFD-DEM模拟

采用CFD-DEM耦合模型对提升管内的气固流动进行了模拟,分析了颗粒间碰撞弹性恢复系数及摩擦系数和Saffman升力、Magnus力等因素对管内气固流动结构的影响,分析得到了提升管内有关颗粒速度、颗粒含率及颗粒拟温度等的大量数据,对数据分析后得到了提升管特有的气粒流动规律:颗粒轴向呈现上稀下浓的分布规律,径向分布规律为管中心低壁面高。同时发现当管内的颗粒碰撞为完全弹性,其分布会更加均匀,另外Saffman力、Magnus力等对颗粒运动没有明显的影响。     

粮食入仓自动分级现象PFC模拟及定量分析

对粮食入仓自动分级问题进行研究,理论上分析了矩形筒仓装粮过程中产生自动分级现象的主要原因。并采用离散单元法的PFC~(3D)程序建立实际仓体的缩尺模型,通过设置不同的颗粒模拟粮食入仓自动分级的过程,在颗粒流动的动态过程中观察分级形成。在仓内装料完成并达到静力平衡后显示颗粒分级状态,.在仓内设置测量圈,分别监测圈内满仓时和删除完整颗粒时的两种孔隙率,计算出所有测量圈中破碎颗粒的含有率,得到分级情况的定量描述。     

Kappa carrageenan fluid gel material properties. Part 2: Tribology

Semi-solid and liquid food thickeners typically take the form of either polymeric or particulate structures. These structures are known to control flow properties and mixing efficiency which can influence performance, texture and the perception of tastants and aromas. However, their structural influence on thin-film rheology (tribology), which is also relevant for texture perception, is not so well understood. In this investigation, the tribology in a boundary regime of lubrication is tested using kappa carrageenan lubricants formulated both in solution and as gelled particles in suspension (fluid gels) to provide new insights into the structural influence of thickener type on tribology. Polymeric lubricated systems were shown to be dominated by elastic deformation of the tribo surfaces and particulate suspensions were dominated by particles acting as contacting asperities of the mating surfaces. The tribology of gelled particles was shown to depend strongly on particle elasticity where less deformable (stiffer) particles reduce surface–surface contact and therefore reduce friction coefficients. The effect of particle volume fraction on friction coefficient is related to the number of particles entraining the contact and not particle–particle interactions or bulk rheological behaviour.     

经直溜槽与螺旋溜槽装入筒仓的玉米减损效果的实验研究

让不同含水率(11.64、13.54、15.43、16.43 %w.b.)的玉米从粮仓仓顶出发,经直溜槽与螺旋溜槽流入筒仓,下落与仓底碰撞;又让其从粮仓仓顶自由下落,与仓底碰撞。测定两种方式下落碰撞的玉米籽粒破碎率,使用质构仪对两种碰撞后的玉米籽粒及未碰撞的玉米籽粒进行静态压缩试验,测定它们的破坏力(抵抗破坏的力)、破坏能(抵抗破坏的能)。实验结果表明：玉米的含水率越大,经过碰撞后破碎率越小;不同含水率的玉米,经过溜槽下落碰撞的平均破碎率是3.84%, 自然下落碰撞的平均破碎率是7.65%, 经过溜槽下落后碰撞的玉米籽粒破碎率明显小于自由下落碰撞的玉米籽粒破碎率;经过溜槽下落碰撞的玉米籽粒的破坏力和破坏能比自由下落碰撞的玉米籽粒的破坏力和破坏能大;实验结果表明溜槽起到了缓冲碰撞的作用,减损效果明显。     

Analysis of flow behavior of non-Newtonian fluids based on a concept of traveling force

The non-Newtonian flow behavior of a culture fluid with suspended adhesive particles of microbes and polysaccharides is analyzed in this study based on a new concept. The concept assumes that the force generated by the contact between particles under shearing flow due to mixing is decreasingly transmitted through the fluid in radial directions. A viscosity equation that includes the degree of force transmisson is derived by considering the shear stress to the force. On the other hand, the shear stress dependence on the concentration of bound particles is expressed in an equation by introducing an effective shear stress that works on the contact sites of the bindings and varies the concentration. Relating the degree of force transmission to the concentration derives a non-Newtonian viscosity equation in terms of shear stress (or shear rate), in which zero-shear viscosity is correlated with both the particle concentration and molecular weight of polymers. It is confirmed that calculations based on the equation are in good agreement with experimental results previously reported for aqueous solutions of several polysaccharides.     

筒仓中粮食卸料动压力的数值模型

筒仓中粮食卸料时拱不断形成并不断坍塌。以这些不稳定拱(瞬态拱)为依据,建立一个预测筒仓中粮食卸料动压力的数值模型。将粮食分成许多薄层,结拱层上方的粮食视为多层弹簧振子系统,建立该系统的振动方程,从而解出结拱层的加速度,再对结拱层运用动量定理,推导出粮食卸料时对仓壁的动压力。计算结果表明:粮食卸料时粮食对筒仓壁产生的动压力大于Janssen方程计算的储藏静压力,粮食卸料时超压因子随粮食深度的增加而增加,对于直径10 m的筒仓(ρ=800 kg/m3,φ=25.0,°μ=0.4,Q=1.0 kt/h,ν=0.4,Ev=30.0 MPa),粮食深度从2.0 m增加到24.0 m时,超压因子从约1.33增加到1.87;粮食卸料时超压因子随粮食流量的增大而增大,随粮食体积弹性模量的增大而增大,随粮食和仓壁摩擦系数的增大而增大,随粮食内摩擦角的增大而减小;储藏静压力和卸料动压力都随粮食和仓壁摩擦系数的增大而减小,都随粮食内摩擦角的增大而减小。     

筒仓中小麦密度分布值的有限元分析

筒仓中粮堆密度分布值是预测筒仓中粮食对仓壁的压力、确定粮食通风阻力、计算筒仓中粮食重量的关键参数。本文使用有限元方法求解小麦堆的修正剑桥模型计算出筒仓中小麦堆的密度分布值。结果表明,筒仓中小麦堆的密度随着粮层深度的增加而逐渐增大,但在筒仓拐角处密度随着粮层深度的增加而逐渐减小。在上部粮层,粮块密度随着粮块与筒仓中心轴距离的增加而缓慢减小,减小值约为0.07-0.1%;在中部粮层,粮块密度随着粮块与筒仓中心轴距离的增加几乎不变;在接近仓底粮层,粮块密度随着粮块与筒仓中心轴距离的增加而逐渐减小,减小值约为0.4-0.6%。筒仓中小麦堆的粮层平均密度随着粮层深度的增大而逐渐增大,逐渐趋于恒定值。筒仓中相同深度下的粮层平均密度随着含水率的增大而减小。由剑桥修正模型计算出的数据拟合了筒仓中小麦堆粮层平均密度与粮层深度、含水率之间的关系方程。实仓验证得到：本文模型计算的筒仓中小麦的重量与实仓内账面小麦重量的误差小于1.25%。