筒仓几何尺寸对卸料侧压力的影响

　　0　引言

　　在粮食、食品、医药、冶金、矿山、能源等工业中,散体有着重要的位置。散体(粉体)不仅是重要的原料,也是重要的产品。与流体储罐相比,在常温常压下操作的散体筒仓,其设计却复杂得多,很难像在流体场合那样建设一种具有普遍意义的设计理论。就卸料流动问题而言,对于流体储罐,只需要设计者按照成熟的公式作一些简单的计算就能很好地解决。而对于散体筒仓,情况就不那么简单。影响筒仓侧压力的因素很多,归结起来可分为三大类:即筒仓几何尺寸、贮料散体的物理特性和运行工况。

　　这些因素对筒仓是如何影响的,目前国内外很多学者都作了很多分析:M.B.苏格顿(1987)[1]研究了圆形平底内物料初始容重对流型的影响;周德义(1996)[2]研究了摩擦系数与结拱拱高的关系;M.S.A.Bradley等(2000)[3]分析了不同建筑材料对仓壁内摩擦力的影响;Samuel Masson and Juan Martinez(2002)[4]分析了摩擦系数对筒仓应力的影响。尽管前人已经作了很多工作,但对筒仓的影响因素只仅仅限于某一方面,并未系统化,而且对筒仓的影响因素的研究远少于对筒仓动压力的研究,而实际上筒仓的宏观、细观参数及运行工况等是和筒仓动态压力密切相关的。

　　离散元法自发展以来,国内很多学者使用其进行数值模拟并取得了很丰硕的科研成果[5-7]。在国内同济大学的周健教授首先将微力学离散元(PFC2D)引入用来模拟砂土的双剪试验及剪切带的触发形成问题[8]。

　　本文将用离散元在考虑筒仓几何尺寸对筒仓动态压力和流型影响,通过改变参数的办法,对其内部复杂的运动场、内力场,尤其是筒仓在卸料过程中,散状物料的流型及仓壁的侧压力等进行模拟分析。对于筒仓几何尺寸的影响分析,主要从改变料斗的倾角(45°、55°、65°)、卸料口的宽度(0.1m、0.15m、0.2m)及筒仓高径比来研究筒仓卸料过程中,贮料流动的型态及仓壁侧压力的变化情况。

　　1　离散元理论

　　PFC2D(Particle Flow Code in 2 Dimensions)即颗粒流程序,是通过离散单元方法来模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用[9]。由于一些本构特性可以在模型中自动形成,PFC2D便成为模拟固体力学和颗粒流动问题的一种有效手段。与连续介质力学问题不同,在PFC中由于介质一开始就假定为离散体的集合,故颗粒之间没有变形协调的约束,但平衡方程需要满足。如果作用于颗粒上的合力和合力矩不等于零,则不平衡力和不平衡力矩使得颗粒按照牛顿第二定律的规律运动。颗粒的运动不是自由的,要受到周围接触颗粒的阻力限制,这种位移和阻力的规律就相当于物理方程。颗粒流方法采用显式时步循环运算规则,重复应用运动定律于颗粒上,将力—位移定律应用于接触上,并且不断更新墙体位置。颗粒与颗粒间的接触或颗粒与墙体之间的接触,在计算过程中自动形成或破坏。这种计算按照时步迭代并遍布整个颗粒集合体,直到每一颗粒不再出现不平衡力和不平衡力矩为止。