粗颗粒—壁面碰撞试验分析及随机反弹模型构建

作     者：王华昆 刘方舟 高婧 余杨 李彦豪 

作者机构：水利工程仿真与安全国家重点实验室(天津大学) 厦门大学建筑与土木工程学院 福建省滨海土木工程数字仿真重点实验室(厦门大学) 

出 版 物：《海洋工程》 (The Ocean Engineering)

年 卷 期：2023年

核心收录：

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主　　题：粗颗粒 随机反弹 图像识别 概率模型 深海采矿 

摘      要：为了揭示深海采矿水力输送过程中不规则粗颗粒与壁面碰撞的特征，建立了相应的随机反弹概率模型，为颗粒与壁面相互作用的数值分析提供了基础模型。采用粗颗粒自由落体试验和图像识别技术，对不同入射速度和入射角下粗颗粒的随机反弹过程进行了试验研究。通过自定义MATLAB程序实现了粒子运动参数的自动提取与分析。基于概率统计分析和非线性回归，建立了不同入射速度和冲击角度下粗颗粒随机反弹的解析预测模型。最后进行数值模拟，获得特定撞击条件下颗粒的随机反弹信息，并将模型预测与现有模型给出的预测进行了比较。研究表明：正态分布和广义极值分布均可较好的描述粗颗粒随机反弹运动特征；粗颗粒在低入射角碰撞下除反弹模式外还有滑移—偏转的模式，随入射角的增加，随机反弹角的均值先略有下降，然后逐渐增加，而反弹角的离散度随入射角增加呈指数增加；对于速度恢复系数，随着入射角的增加，能量耗散增加，速度恢复系数减小，恢复系数的离散略有增加；随着入射角的增加，角速度变化的均值遵循半正弦波函数，当入射角为45°时旋转最显著，旋转角速度的标准差先增大后减小。此外，数值重构时，应使用截断值以避免不合理的样本数据。