Predicting dust emissions – Experimental study compared to coupled DEM/CFD simulations using a reference test bulk material

The awareness of dust emissions is crucial regarding safe industrial processes, environmental protection and health care. For this purpose, closely linked experimental and numerical investigations are performed. This work presents the results of an experimental study which is used for the calibration of a modelling framework based on the Discrete Element Method (DEM) coupled with Computational Fluid Dynamics (CFD) and applied for the calculation of dust emissions for predictive purposes. The key objective of the approach is to come up with a dust source term which enables to describe and to quantify the release of particle emissions. For the presented experimental study, a wind tunnel and a rotating drum setup, which cover various handling types of bulk materials, are used in order to gain data about parameters having an impact on the dust release. The special feature of the investigations is the use of a reference test bulk material which represents a bulk material in its generally main fractions, the fine and the coarse material, keeping the discrepancy between experiments and simulations low. With the help of the experimental results the calibration of the simulation model was carried out and followed by a comparison.     

桩承式路堤土拱效应颗粒流分析

土拱效应是桩承式路堤中荷载传递机制中的关键因素。参照前人室内模型试验,采用颗粒流软件PFC2D建立离散元(DEM)数值模型,对桩承式路堤中的接触力分布、主应力偏转、竖向位移和侧向位移等进行深入分析。模拟中,路堤填料和桩间土采用Disk单元模拟,桩和模型箱采用Wall单元模拟,路堤DEM模型采用分层压实法生成;路堤填料细观参数通过建立数值双轴试验进行标定,桩间土细观参数通过建立数值压缩试验进行标定。模拟结果表明:桩承式路堤中土拱由多个不同圆心的半球形拱共同组成,拱的高度约为5(s-a)/6;在该高度内路堤中的主应力发生明显偏转,竖向位移量和侧向位移量较大。     

垂直简谐激励下颗粒阻尼耗能特性的仿真研究

在垂直简谐激励下,通过控制激励水平和激振频率,利用软球模型(通常称为离散单元体法,DEM)对颗粒阻尼器的耗能特性进行了三维数值仿真研究,而在控制激励水平时,不仅仅关注了振动加速度幅值,同时研究了振动速度幅值和位移幅值对颗粒阻尼器耗能特性的影响.仿真结果表明:在控制激励频率时,颗粒阻尼器的损耗功率随激励加速度幅值、速度幅值以及位移幅值的增加而增加;而在控制激励水平时,则发现了三种不同的规律:加速度幅值固定时,损耗功率随激励频率的增加而减小;速度幅值固定时,激励频率的变化对损耗功率的影响很小;而当位移幅值固定时,损耗功率随激励频率的增加而增加;在对颗粒阻尼两种不同的耗能机理的研究中发现摩擦耗能占总耗能的比例随激励幅值的增加而降低,冲击耗能占总耗能的比例随激励幅值的增加而增加.并通过与试验结果的对比,验证了仿真结果的正确性.     

重介质旋流器分选过程的离散分析与数值模拟

重介质旋流器广泛应用于煤炭分选,分选过程十分复杂,试验测试研究重介质旋流器内部流场和颗粒运动特性费时费力,成本较高。随着数值计算技术的发展,国内外学者应用数值模拟方法研究旋流器内部的多相流流场。采用计算流体力学(CFD)与离散分析方法(DEM)耦合技术对重介质旋流器的分选过程进行数值模拟研究,为重介质旋流器的结构参数和操作参数的优化提供了一种新途径。用Fluent软件研究了旋流器内部悬浮液速度场、密度场、压力梯度场和黏度场,用EDEM软件研究了旋流分选过程中的煤粒运动行为及分选效果的评价。研究结果表明:悬浮液压力分布和压力梯度分布径向基本对称,溢流口和底流口处压力值最低。器壁沿径向形成了压力梯度,差值逐渐增大,空气柱边界处压力梯度最大;不同尺度的煤粒在旋流器内部的停留时间不同,相同密度的煤粒,粒度越小,停留时间越长。溢流中排出煤粒在旋流器中的停留时间明显长于从底流口排出的煤粒。溢流口排出的煤粒,密度越大,停留时间越长,底流口排出的煤粒,密度越大,停留时间越短。不同的旋流器结构参数对分选的影响程度不尽相同,其中溢流管直径的影响最为显著,溢流管直径超过500 mm时,不能形成完整的空气柱,无法分选。溢流管直径为300 mm时,分选效果较好;溢流管插入深度显著影响分选精度,插入深度为160 mm时,分选密度增大,细小高密度的煤颗粒将错配进入溢流,溢流管插入深度为320～800 mm时,分选密度接近悬浮液密度,分选指标E_p=0. 084～0. 100,分选效果较好。底流口直径对旋流器选精度影响较大,当底流口直径为272和306 mm时,分选密度与悬浮液密度接近,E_p值小于0.1,分选效果较好。圆柱段长度对于分选密度影响不明显。     

无人机倾斜摄影测量技术在三维数字城市建模中的应用

以江西省抚州市的某图书馆为实验研究区域,利用无人机倾斜摄影测量技术按照规划航线获取研究区域航空影像数据,研究无人机倾斜摄影测量技术获取影像数据的特点、影像数据处理的精度、通过关键技术建立三维模型,使用Smart3D Capture软件进行三维模型构建。实验结果显示,无人机倾斜摄影技术可以满足三维数字城市建模的需要。     

DEM分辨率对山洪淹没模拟影响

DEM是表征地形状况的重要指标,在山洪淹没模拟中起着重要作用。以2016年7月19日发生在河北省石家庄市井陉县西部山区的特大暴雨山洪事件为研究对象,利用HEC-HMS水文模型和FLO-2D水动力模型,设置5种DEM分辨率方案(30、20、15、10、5 m),从淹没范围和淹没水深两方面分析了DEM分辨率对山洪淹没模拟的影响,并从模型运行时间角度对其运行效率进行了评估。研究表明:DEM分辨率越高,则淹没范围越小,平均淹没水深越大,即模型模拟精度越高,山洪事件的淹没范围及水深越接近于实际调查情况(DEM分辨率为30和5 m时,淹没范围及淹没深度的模拟精度分别为0.56和0.41、0.76和0.79);随着DEM分辨率的提高,尤其从10 m提高至5 m时,模拟结果差异减少,模拟精度的增幅也减小,淹没范围和水深的精度增幅分别为2.70%和3.94%;DEM分辨率越高,则模型运行时间越长,模型运行效率越低,5 m DEM方案下的运行时间为30 m DEM方案的700倍。综合考虑模拟精度及模拟时间,10 m分辨率的DEM对山洪淹没模拟、风险评估及预警预报等更为适用。     

增强现实系统中视频影像与DEM栅格图像匹配

提出一种新的图像匹配技术解决增强现实（AR）系统中的户外3维注册问题。首先用数学形态学提取视频影像中的地形边缘曲线。根据GIS的通视分析原理,从DEM（数字高程模型）栅格图像上生成基于观测视点的地表视域轮廓。再分别检测两个轮廓线上的局部极值点,计算各自的极值点曲率向量。最终通过用相关矩阵度量两个极值点曲率向量之间的相似性获得匹配结果。研究结论表明,与地图相比,基于视频AR的地理信息可视化对地理数据建模的要求较低,且无须对空间数据进行抽象符号化。     

心墙水力劈裂的颗粒流模拟

心墙坝的水力劈裂问题是非连续介质中的非连续变形问题,还牵涉到渗流与土骨架的流固耦合等.基于连续介质理论的有限元法在对水力劈裂问题的模拟分析上有一定的局限性.对于心墙土这种离散材料,采用颗粒流模拟其水力劈裂问题是一种值得深入研究的方法.运用PFC(颗粒流)程序模拟研究水力劈裂的典型物理试验,模拟结果显示,采用颗粒流研究水力劈裂问题是可行的.对均质试样、非均质试样、均质(含软弱带)试样分别进行模拟分析,对比结果表明:均质试样不会发生水力劈裂现象,非均质(含有软弱带)试样发生水力劈裂的可能性最大.对非均质(含软弱带)试样发生水力劈裂的全过程的模拟分析结果初步认为,水力劈裂破坏的力学机理是张拉破坏.     

Effect of rock mass structure and block size on the slope stability--Physical modeling and discrete element simulation

This paper studies the stability of jointed rock slopes by using our improved three-dimensional discrete element methods (DEM) and physical modeling. Results show that the DEM can simulate all failure modes of rock slopes with different joint configurations. The stress in each rock block is not homogeneous and blocks rotate in failure development. Failure modes depend on the configuration of joints. Toppling failure is observed for the slope with straight joints and sliding failure is observed for the slope with staged joints. The DEM results are also compared with those of limit equilibrium method (LEM). Without considering the joints in rock masses, the LEM predicts much higher factor of safety than physical modeling and DEM. The failure mode and factor of safety predicted by the DEM are in good agreement with laboratory tests for any jointed rock slope.