颗粒流与流向内挡板相互作用的实验研究
作者单位：兰州大学
学位级别：硕士
导师姓名：王等明
授予年度：2020年
学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理]
主 题：颗粒流 挡板 流动状态 阻塞堆积形态 动态冲击力 机器视觉识别
摘 要：离散类颗粒物质的坍塌流动在自然界和工程领域非常普遍,这些复杂的流动过程会受到众多因素的影响,其流动模式复杂多样,在重力驱动下这些破坏性流动无论是对流向内的建筑结构还是交通设施都会产生巨大的威胁,深入理解这种破坏性流动与流向内物体或结构的相互作用过程具有极为重要的现实意义。作为简化的相似模型,直观、可控的室内小尺度颗粒流冲击实验为深入理解这种复杂的动力学过程提供的一种重要的途径。本学位论文基于自主设计的斜面颗粒流实验平台,从颗粒流动状态的演化和挡板受到的动态冲击力特征两个方面,系统定量的研究了不同条件下颗粒流与流向内挡板之间的相互作用过程。本学位论文主要包含以下几个方面的内容:1、自主设计了一种能精确控制颗粒流初始状态的斜面颗粒流实验平台,包括机械结构设计、动力系统设计,以及控制系统、数据采集与人机交互界面等;搭建了相应的颗粒流流动过程的测量方法,设计了图像采集的流程和分析方法;为了进行后期的海量图像数据处理,开发了基于机器视觉方法的轮廓识别软件,编写了颗粒流流动构型廓线的数据批量处理程序。2、通过在颗粒流向内设置不同类型的挡板,开展了三个系列的实验工作,通过控制斜面倾角和挡板宽度的变化,测量了无阻塞、部分阻塞和完全阻塞情形下斜面颗粒流的流动过程,系统分析了上述参数对于斜面颗粒流动状态、流动过程中的阻塞堆积形态和颗粒动力学特征的影响。在局部阻塞情形下,确定了三种不同的阻塞堆积形态,分别为向上延伸的形态I、具有稳定阻塞堆积形态的形态II及不发生阻塞的形态III,并给出了相应的堆积阻塞相图,讨论了阻塞效果最小时倾角和挡板宽度相应的特征参数值（|w）。对于全局阻塞情形,实验观测到了稳定堆积和流动溢出两种不同的流动形态,通过提取颗粒流动构型的瞬时轮廓线,定量研究了颗粒的堆积形态及其演化特征。3、基于研制和加装的测力装置,对斜面颗粒流对流向内挡板的冲击作用开展了一系列的实验研究,测量和分析了斜面倾角对冲击力演化特征的影响,并与周围颗粒流的阻塞堆积状态的进行了有效关联。在此基础上,进一步分析了挡板宽度对冲击力演化特征的影响,讨论了冲击力的最大值及其发生的时间、冲击力总持续时间等特征量随着挡板宽度的变化规律。最后,建立了局部阻塞情形下的冲击力理论模型,可以简单预测阻塞堆积区反向传播过程中冲击力随着时间的演化特征。实时原位的采集地质灾害中不同尺度流动的真实数据缺乏可操作性,而已发生的质量流动由于影响因素众多而很难对其进行有效重构,这对其流动过程的认识带来巨大的挑战。本学位论文基于小尺度颗粒流冲击实验,系统研究了斜面颗粒流与流向内挡板之间的相互作用过程,观测到了一些有趣的宏观现象,同时也得到了一些有意义的定量结果,这些研究工作的开展,一方面可以揭示颗粒流与防护体之间极为复杂的相互作用机制,另一方面可以为多变量影响下防护体的效率评估及其工程优化设计提供重要的理论依据。
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