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大直径浅圆仓_离心_模型的动态侧压力颗粒流试验

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大直径浅圆仓_离心_模型的动态侧压力颗粒流试验 第 30卷第 5期 河南工业大学学报 (自然科学版 ) Vol. 30, No. 5 2009年 10月 Journal of Henan University of Technology(Natural Science Edition) Oct. 2009 收稿日期 : 2009204203 基金项目 :“十一五”国家科技支撑计划项目 (2006BAD08B01) ;河南 省高校新世纪优秀人才支持计划资助项目 (2005HANCET - 13). 作者简介 :张松松 (19842) ,男 ,山西晋城人 ,硕士研究生 ,研...
大直径浅圆仓_离心_模型的动态侧压力颗粒流试验
第 30卷第 5期 河南工业大学学报 (自然科学版 ) Vol. 30, No. 5 2009年 10月 Journal of Henan University of Technology(Natural Science Edition) Oct. 2009 收稿日期 : 2009204203 基金项目 :“十一五”国家科技支撑项目 (2006BAD08B01) ;河南 省高校新世纪优秀人才支持计划资助项目 (2005HANCET - 13). 作者简介 :张松松 (19842) ,男 ,山西晋城人 ,硕士研究生 ,研究方 向为散体物料压力理论与仓储结构.3 通讯作者 文章编号 : 167322383 (2009) 0520092205 大直径浅圆仓“离心 ”模型的动态侧压力颗粒流试验 张松松 , 原 方 3 (河南工业大学 土木建筑学院 ,河南 郑州 450052) 摘要 : 利用离散单元法颗粒序 ( PFC3D )建立大直径浅圆仓的缩尺模型 ,该缩尺模型借鉴了 离心机模型试验的原理 ,能够提供计算原型浅圆仓所需的重力场. 首先模拟了该模型浅圆仓的 静态侧压力 ,然后在其静态侧压力与原型浅圆仓的实测值基本吻合的基础上进行该模型浅圆 仓卸料过程的模拟分析 ,得到卸料过程中大直径浅圆仓仓壁动态侧压力的变化趋势和超压系 数的范围. 关键词 :浅圆仓 ; “离心 ”模型 ; PFC; 动态侧压力 中图分类号 : TS210; TU249. 2    文献标识码 : B 0 前言 1990~1996年 ,在“利用世界银行贷款改善 中国粮食流通 ”国家重点项目中 ,大直径浅圆仓 作为一种新的仓型在国内大量建设 ,其仓体采用 环形钢筋混凝土结构 ,单层或夹层保温隔热仓壁. 该仓型受力合理 ,单仓直径有些高达 40 m,单仓 仓容达万吨以上 ,机械化程度高 ,性价比优越 ,是 储备与中转的兼用仓型. 对于浅仓的侧压力计算 , Lambert[ 1 ]建议用朗 肯理论 , Stewart[ 2 ]提倡用库仑理论 ,其中 ,用得较 多的是朗肯方法. 我国国家 GB50077—2003 《钢筋混凝土筒仓设计规范 》中 ,采用了经过修改 的朗肯公式 ,并在附录三中给出了由原方 [ 425 ]等 提出的另外一种计算方法. 但是 ,对于大直径浅圆 仓在卸料过程中的动态侧压力计算还尚未见报 道. 深仓的动态压力规范 [ 5 ]采用修正系数的方 法 ,那么浅仓是否也应该考虑动态压力问题. 作者 对大直径浅圆仓在卸料过程中动态侧压力的分布 情况以及超压系数进行了探讨. 离散单元法用于分析散体的行为是一种较理 想的数值方法 , PFC (颗粒流程序 )作为离散单元 法的一种 ,曾经有学者 [ 627 ]用于模拟模型筒仓压 力及流态问题 ,取得一些有益的结论. 但用于实仓 的模拟 ,特别是大直径浅圆仓的模拟尚未见相关 报道. 由于原型筒仓内颗粒数量巨大 ,用颗粒流来 模拟原型筒仓内的实际颗粒数量将因计算机容量 的限制难以实现或计算时间相当长 ,因此作者建 立一种浅圆仓缩尺“离心 ”模型 ,即浅圆仓模型的 几何尺寸缩小为实仓的 1 /n,将散体的重力密度 增大 n倍 ,这样的重力场与实仓的重力场完全一 致. 这种缩尺模型试验类似于离心机模型试验中 重现实际重力场的原理 ,被作者称之为“离心 ”模 型试验. 1 模型浅圆仓的建立 1. 1 原型浅圆仓 原型浅圆仓为河南省国家粮食储备库 29号 浅圆仓 ,该库在 2004年建立了 4座浅圆仓 ,该仓 直径为 28 m ,最大装粮高度可达 26 m,从仓底到 仓顶栈桥高接近 32 m,地下通廊高达 4 m,单仓仓 容达 13 800 t,为国内较大型浅圆仓 ,具有较好的 代表性. 1. 2 浅圆仓模型的建立 模型如图 1所示 ,把原型浅圆仓的几何尺寸 缩小为原来的 1 /40,即浅圆仓模型的几何尺寸 为 :仓壁高 0. 65 m ,浅圆仓内径 0. 7 m,在仓底设 3个边长为 0. 06 m 的正方形出料口 ,如图 2所 第 5期 张松松等 :  大直径浅圆仓“离心 ”模型的动态侧压力颗粒流试验 93    示 , 7、8、9号墙即为出料口. PFC中提供一种墙 , 该墙既可以模拟浅圆仓仓壁 ,又可以作为压力传 感器来测量浅圆仓仓壁在该墙位置处的侧压力 值.本模型中在仓体纵向布置 4列测墙 ,分别为图 2中所示的出料口两侧的 20、32两纵列测墙 ,与 中心出料口所在直线垂直的 25一列测墙以及与 出料口所在直线成约 45°角的 35一列测墙. 各列 测墙编号及对应的测点高度见表 1. 图 1 浅圆仓模型   模型浅圆仓内散体颗粒的生成采用分层法 , 即分层生成散体颗粒至装满仓 ,散体颗粒上部为 图 2 测墙编号 平顶. 为了使模型浅圆仓达到原型仓所需的重力 场 ,作者通过增大散体颗粒的重力密度来实现. 由 相似原理可知 ,模型浅圆仓几何尺寸为原仓的 1 /40,那么散体颗粒的重力密度就要增大 40倍 , 才能使模型浅圆仓和原型浅圆仓相应位置处的应 力状态达到相同 , PFC中有关于颗粒重力密度的 设置 ,所以这一问题能得到解决. 模型浅圆仓内的 散体颗粒的其他参数采用小麦的特性参数 [ 3 ] ,模 型浅圆仓所需的主要参数见表 2. 表 1 模型各列测墙的测墙号 测点高度 /m 0. 05 0. 1 0. 15 0. 2 0. 25 0. 3 0. 35 0. 45 0. 55 0. 65 20一列测墙号 20 44 68 92 116 140 164 188 212 236 25一列测墙号 25 49 73 97 121 145 169 193 217 241 32一列测墙号 32 56 80 104 128 152 176 200 224 248 35一列测墙号 35 59 83 107 131 155 179 203 227 251 表 2 模型的主要模拟参数 墙体法向刚度 /Pa 墙体切向刚度 /Pa 颗粒法向刚度 /Pa 颗粒切向刚度 /Pa 颗粒间 摩擦系数 仓壁与颗粒 间摩擦系数 颗粒的重力密度 / ( kg·m - 3 ) 4 ×106 2 ×106 3 ×104 3 ×104 0. 5 0. 40 32 000 2 浅圆仓侧压力的模拟 缩尺模型中分层生成颗粒后 ,首先在重力作 用下达到平衡状态 ,再量测各测点的侧压力值 ,这 时侧压力值代表的是浅圆仓的静态侧压力值 ,在 静态侧压力与实测值相符的基础上 ,再对该模型 进行卸料模拟 ,这时模型浅圆仓所量测到的侧压 力值就是浅圆仓的动态侧压力值. 2. 1 浅圆仓静态侧压力模拟 在模型仓中分层生成颗粒 ,通过监测不平衡 力使每一层颗粒在重力作用下达到平衡 ,直至装 满整个模型仓. 在装满仓后再对整仓颗粒进行总 体平衡 ,图 3为平衡后的模型图. 总体颗粒的平均 不平衡力 ,经循环后平均不平衡力趋向于零 ,表示 仓内颗粒达到静态平衡 ,平均不平衡力见图 4. 此 时 ,监测静态侧压力数据 ,并将纪录的数据与实仓 实测数据 [ 8 ]进行比较分析 ,其比较结果见图 5. 图 3 静态平衡状态 94    河南工业大学学报 (自然科学版 ) 第 30卷   从图 5可以看出 : 浅圆仓缩尺模型所模拟的 静态侧压力值与实仓的实测结果 [ 10 ]以及原型浅 圆仓的浅仓规范值 [ 5 ]吻合较好 ,说明使用颗粒流 程序建立的模型所选取的参数是比较合理的 ,该 模型可以反映浅圆仓原型的实际受力情况. 2. 2 浅圆仓的动态侧压力模拟 在静态模拟与实测结果基本吻合的基础上 , 通过删除仓底部的 7、8、9号墙 (即打开仓底的 3 个出料口 )进行卸料时的动态侧压力的模拟. 在 卸料过程中 ,由各个测墙记录卸料时侧压力随时 间变化的动态数据. 图 6显示了 20一列测墙在卸料过程中侧压 力的动态变化情况 ;图 7显示了 32一列测墙在卸 料过程中侧压力的动态变化情况. 从图 6、图 7可以看出 : ( 1)在整个卸料过程 中 ,仓壁的侧压力值一直在上下波动 ; ( 2)各个测 点出现最大动态压力不是出现在开始卸料的瞬间 , 图 6 卸料时 20一列测墙的侧压力变化情况 图 7 卸料时 32一列测墙的侧压力变化情况 而是在卸料一段时间后 ,而且各个测点出现最大 动态压力的时间也各不相同 ; ( 3)对于仓壁底部 1 /3高度范围内的侧压力 ,由于比较接近漏斗口 , 在卸料过程中动态压力始终小于静态压力 ;而位 于仓壁中间 1 /3高度范围内的很大一段仓壁在卸 料过程中的动态侧压力有明显的增大 ;对于位于 仓壁顶端的大约 1 /4的仓壁侧压力会随着颗粒的 流出出现逐渐减小的现象. 图 8显示了 25一列测墙在卸料过程中侧压 力的变化情况 ;图 9显示了 35一列测墙在卸料过 程中侧压力的变化情况.   从图 8和图 9可以看出 : ( 1)在距仓壁上端 1 /3处的侧压力在卸料过程中随着颗粒的流出侧 压力逐渐减小 ,而在仓壁的下端 2 /3的很大一段 仓壁受卸料的影响比较大 ,在卸料开始的瞬间均 会出现侧压力的增大 ,但最大动态侧压力均出现 在卸料开始一段时间后 ; (2) 35一列测墙比 25一 列测墙距离出料口更近 ,仓壁的动态侧压力受卸 第 5期 张松松等 :  大直径浅圆仓“离心 ”模型的动态侧压力颗粒流试验 95    料的影响比较大 ,在卸料过程中动态侧压力值有 明显的上下波动. 由于在自重作用下卸料结束时 , 仓中仍有部分颗粒留存 ,因此图中显示的最终的 侧压力值不为零. 图 10显示了各个测墙在卸料时的动态侧压 力的峰值即卸料过程中的最大侧压力值 ,图 11显 示了各列测墙的超压系数即最大动态侧压力值与 静态压力值的比值.   从图 10、图 11可以看出 : ( 1)大直径浅圆仓 在卸料过程中 ,在离出料口较近的两侧仓壁 ( 20 一列和 32一列测墙 )在其上端 1 /3和下端 1 /3处 的仓壁侧压力无明显的增大现象 ,而位于中间的 1 /3仓壁有明显的超压现象 ,最大超压系数达到 1. 72; (2)在离出料口较远的仓壁 ,即与出料口所 在直线方向垂直的一侧仓壁 (25一列测墙 ) ,在仓 壁的上端 1 /3处的仓壁卸料时不引起仓壁侧压力 的增大 ,而对于下端 2 /3段的仓壁卸料时侧压力 的增大比较明显 ,最大超压系数达 1. 62; (3)在离 出料口方向相对较近 ,与 X轴即与出料口所在直 线大致呈 45°角方向的仓壁 (35一列测墙 ) ,在卸 料过程中位于仓体下端 2 /3高度的仓壁 ,侧压力 的增大则比较明显 ,最大超压系数高达 1. 62. 3 结论与展望 利用离散元 PFC程序进行大直径浅圆仓的 缩尺模型模拟 ,不但能够考虑浅圆仓内散体物料 的介质特性 ,而且能够提供计算原型浅圆仓所需 要的重力场 ,克服了模型实验不能反映原型浅圆 仓实际受力情况的缺点. 大直径浅圆仓各个测点 的最大动压力不是出现在卸料的瞬间 ,而是发生 在卸料一段时间以后 ,并且不同位置出现最大动 态压力的时间也各不相同 ,即仓壁各点的最大动 压力并未同时出现. 大直径浅圆仓卸料时仓壁的 动态侧压力与其距离出料口的距离密切相关. 离 出料口较近的仓壁超压主要发生在仓壁的中间 段 ,最大超压系数高达 1. 72. 而距离出料口位置 相对较远的其他仓壁下端 2 /3段均有明显的超 压 ,最大超压系数为 1. 62,其余各个位置的仓壁 的动态侧压力根据其距离出料口的位置不同均有 不同程度的超压现象. 从以上模拟结果可以看出 ,出料口位置对大 直径浅圆仓在卸料过程中仓壁侧压力的影响比较 大 ,在设计中应针对不同位置仓壁的不同受力进 行相应设计. 文中所建立的模型是对实仓的缩尺模型 ,实 仓中仓底有 5个出料口 ,而文中仓设 3个出料口 , 但是总出料口面积基本保持不变. 这主要考虑到 如果缩尺后出料口尺寸过小 ,要想使仓中颗粒顺 畅流出则颗粒粒径要设得很小 ,这样仓内的颗粒 数量巨大 ,计算量过大. 因此 ,作者适当增大出料 口尺寸 ,设 3个边长为 0. 06 m的方形出料口对卸 料时的动态侧压力进行定性的模拟与分析 ,将来 需随着计算机水平的改善进一步研究或者进行实 仓试验对模拟结果进行验证. 参考文献 : [ 1 ]  Lambert F W. 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PFC3D SIMULATION ON DYNAM IC LATERAL PRESSURE OF LARGE2D IAMETER SQUAT SILO CENTR I FUGAL MODEL ZHANG Song2song, YUAN Fang (School of C ivil Eng ineering, Henan U n iversity of Technology, Zhengzhou 450052, Ch ina) Abstract: The scale model of squat silo in large diameter was established with Particle Flow Code 3 D imension ( PFC3D ). This scale model draws lessons from the experiment p rincip le of centrifugal model, it can p rovide the field of gravity in the circulation of archetypal squat silo. Firstly, the static lateral p ressure of this model was simulated. Then, the simulation analysis of the unloading p rocess in this model squat silo was performed on basis of consistency between the lateral p ressure and the measured value in archetypal squat silo. In con2 clusion, the variation trend and the scope of overp ressure coefficient of the dynam ic lateral comp ression in large - diameter squat silo’s wall could be obtained in the unloading p rocess. Key words: squat silo; centrifugal model; PFC; dynam ic lateral p ressure (上接第 91页 ) [ 6 ] Marek Franaszek, Geraldine S Cheok, Christo2 ph W itzgall. Fast automatic registration of range images from 3D imaging system s using sphere targets [ J ]. Automation in Construc2 tion, 2009 (18) : 2652274. [ 7 ] 摩腾森 M E. 几何造型学 [M ]. 莫重玉译. 北京 :机械工业出版社 , 1992. MASS MEASUREMENT METHOD OF GRA IN STACK W ITH IRREGULAR SHAPE BASED ON REVERSE ENGINEER ING L I feng, HU I Yan2bo, ZHANG Hong2jing, WU Xiao2qing (School of M echan ica l & E lectrica l Eng ineering, Henan U niversity of Technology, Zhengzhou 450007, Ch ina) Abstract: The reverse2engineering - based method for mass measurement of large grain stack with irregular shape was p roposed. Through repeated measurements, the multi2view point cloud data of grain stack surface can be obtained and the 3D surface model can be reconstructed after point cloud data registration. The volume of the stack can be calculated through image acquisition, data analysis and 3D reconstruction. After measuring density of grain samp les, the mass can be calculated through the volume and density of the grain stack. The result of the experiments of rice stack shows that the measuring error of the system is lower than 1%. It is suit2 able for the mass measurement of grain stack with irregular shape. Key words: reverse engineering; grain stack; volume measurement; mass measurement
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