《散料在筒仓中的静储与流动状态及其力学行为》 - 台灣·大書城 - 王学文 - 科学出版社

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『簡體書』散料在筒仓中的静储与流动状态及其力学行为

書城自編碼： 2648869
分類：簡體書→大陸圖書→自然科學→力学
作者：王学文
國際書號(ISBN)： 9787030454850
出版社：科学出版社
出版日期： 2015-09-01
版次： 1 印次： 1
頁數/字數： 132/155000
書度/開本： 16开釘裝：平装

售價：NT$ 498

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編輯推薦：

《散料在筒仓中的静储与流动状态及其力学行为》可为筒仓结构设计、防堵疏堵、运行维护等提供依据或参考，可供机械、矿山、冶炼、发电、农业等领域从事散料研究、离散元模拟、仓储设计与研究的科研和工程技术人员，以及高等院校相关专业的研究生和高年级本科生使用和参考。

內容簡介：

《散料在筒仓中的静储与流动状态及其力学行为》主要以煤仓和煤散料为例，采用理论推导、有限元模拟、离散元模拟与试验研究相结合的方法，围绕散料在各类筒仓中的静储、接触、流动等状态与影响因素及其对筒仓的力学行为等进行较系统的研究。除绪论外，《散料在筒仓中的静储与流动状态及其力学行为》包括七章内容，即矩形筒仓散料静压力解析分布、散料与筒仓静接触状态、筒仓中散料流态及其影响因素、筒仓中散料静动态压力行为、筒仓卸料斗散料流动分析、筒仓结构响应以及矩形筒仓试验研究。

目录
前言
第1章绪论 1
1.1引言 1
1.2研究目的与意义 1
1.2.1 T程背景 1
1.2.2研究意义 3
1.3筒仓压力经典理论与颗粒基本性质 4
1.3.1筒仓压力分布 4
1.3.2散料颗粒基本性质 7
1.4离散单元法及其模拟技术10
1.4.1离散单元法基本原理10
1.4.2颗粒接触理论13
1.4.3 PFC技术14
1.4.4 EDEM技术17
1.5 国内外研究动态19
1.5.1筒仓储料压力研究19
1.5.2筒仓结构分析与计算22
1.5.3颗粒接触与流动及其力学行为23
1.6 主要研究内容25
1.7小结26
第2章矩形筒仓散料静压力解析分布27
2.1引言27
2.2基本假设27
2.3侧压力系数28
2.4棱锥形卸料斗散料静压力分布29
2.5压力分解30
2.6棱柱形直筒散料静压力分布31
2.7接触分析32
2.7.1基本理论32
2.7.2计算模型33
2.7.3接触求解35
2.8对比、讨论与修正38
2.8.1结果对比与分析38
2.8.2公式修正39
2.9小结41
第3章散料与筒仓静接触状态 42
3.1引言42
3.2基本问题43
3.2.1力学准则43
3.2.2计算模型43
3.2.3接触状态43
3.2.4筒仓定义44
3.3求解过程46
3.4直筒仓静接触状态 49
3.4.1总体状态49
3.4.2筒仓深浅对接触状态的影响51
3.4.3散料属性对接触状态的影响52
3.5锥仓接触状态 53
3.5.1总体状态55
3.5.2锥仓深浅对接触状态的影响55
3.5.3散料属性对接触状态的影响56
3.6总结 56
3.6.1直筒仓56
3.6.2锥仓57
3.7讨论 57
3.8研究展望58
3.9小结58
第4章筒仓中散料流态及其影响因素59
4.1副言59
4.2筒仓中散料流动方式 60
4.3基于PFC3D的煤散料流动模拟 61
4.3.1力学模型61
4.3.2求解步骤62
4.3.3离散元建模63
4.3.4卸料流态分析66
4.3.5动态力学行为影响因素 68
4.4基于EDEM的煤散料流动模拟73
4.4.1煤仓模型73
4.4.2煤颗粒模73
4.4.3接触与流动模型74
4.4.4煤散料生成方法74
4.4.5煤散料流动模拟75
4.4.6流动状态影响因素76
4.5结论79
4.6小结80
第5章筒仓中散料静动态压力行为 81
5.1引言81
5.2模型建立 82
5.2.1 EDEM模型-82
5.2.2 PFC模型-83
5.3基于EDEM的筒仓压力分析84
5.3.1边界条件及装卸料模拟84
5.3.2静动态压力分析-85
5.3.3卸料超压分析-86
5.4基于PFC3D的筒仓压力分析87
5.5对比分析 88
5.6小结89
第6章筒仓卸料斗散料流功分析 90
6.1引言90
6.2漏斗卸料理论91
6.2.1理论分析91
6.2.2实例计算92
6.3离散元模拟 93
6.3.1模型建立93
6.3.2装卸料模拟94
6.3.3结果分析95
6.4小结96
第7章筒仓结构响应97
7.1引言97
7.2有限元模型97
7.2.1圆筒仓97
7.2.2方筒仓99
7.3结构线性分析 102
7.3.1圆筒仓 102
7.3.2方筒仓 104
7.4小结 106
第8章矩形筒仓试验研究 107
8.1引言 107
8.2试验目的 107
8.3试验装置 107
8.3.1总体设计 107
8.3.2卸料漏斗 108
8.3.3矩形料仓 108
8.4流动试验 110
8.4.1试验方案 110
8.4.2试验结果 110
8.5侧压力试验 111
8.5.1试验方案 111
8.5.2测试结果 113
8.6小结 114
参考文献 116

內容試閱：

第1章绪论
1.1引言
筒仓主要用于储存和吞吐散落性与流动性好、不易结块的散料，如煤炭、沙石等工业用散料，由于其具有节省包装材料、节省劳动力和流通费用、吞吐能力大、便于长期储藏、储藏能力大、建筑费用低、易于实现自动化等优点，广泛应用于煤炭、港口、冶金、化工、粮油等行业。
针对筒仓这种特殊建筑结构的设计与计算，考虑的关键问题在于其内部储料压力变化。许多国家的设计规范都是基于修正的Janssen公式，即静压力分段乘以侧压力系数，不同之处在于对侧压力系数k的选取。
事实上，各国筒仓设计规范并不完善，涉及筒仓受力特别是筒仓动压力与散料流动，许多问题并没有系统的设计与计算理论。关于筒仓设计与使用的各类事故也说明现有的设计规范存在不足。例如，美国肯塔基州一个新建的直径18.3m、高54.9m的煤仓，在刚装煤并卸料时，在仓壁23高度处出现水平裂痕，随之裂痕在长度、高度和数量上都增加了很多，数秒内就坍塌了；在蒙大拿州，两个直径21.34m、高54.86m的储煤筒仓卸料时，煤仓出现振动和扭转［1］。
随着计算机技术与数值仿真技术的快速发展，针对筒仓与散料的设计计算有了新的研究手段，如有限元法（finite element method，FEM）和离散元法（discrete element method，DEM）。有限元法将介质复杂几何区域划分为具有简单形状的单元，单元内材料性质和控制方程通过单元节点的未知量进行表达，再通过单元集成、外载和约束条件的处理，得到方程组，求解该方程组就得到该介质行为的近似表达。离散元法是先简化颗粒单元模型，再建立其接触的本构关系和接触的物理力学模型，并根据牛顿第二定律得到离散单元的运动仿真方程。
1.2研究目的与意义
1.2.1工程背景
根据应用行业领域不同，筒仓可以分为农业筒仓和工业筒仓。农业筒仓主要用来储藏粮食，而工业筒仓则用于储藏焦炭、煤、水泥等工业散装物料。根据仓体高度与装料口直径之比，筒仓可以划分为深仓（比值大于或等于1.5）和浅仓（比值小于1.5）。根据截面形状的变化，筒仓可分为圆形筒仓、矩形筒仓和正多边形筒仓等，圆形筒仓的应用*为广泛。根据仓壁材料不同，筒仓可分为木质筒仓、钢结构筒仓、砖砌筒仓和钢筋混凝土筒仓等，其中钢筋混凝土筒仓和钢结构筒仓较为常见。筒仓结构如图1-1所示。
图1-1筒仓结构示意图
1-仓上建筑；2-仓顶；3-仓壁；4-仓底；5-支撑结构；6-地基
煤仓是筒仓工业应用中较为典型的一种，煤炭由上口自由落入仓内临时储煤的地方，在煤炭开采、生产、储存和运输等环节被广泛
使用。煤矿所使用的煤仓按照所处位置可以分为井下煤仓和地面煤仓。
井下煤仓，顾名思义，是煤矿井下用于储存煤炭的仓库，一般修建于上下两条巷道之间，上口敞开，下口安有控制装置（给煤机）。地面煤仓则是相对井下煤仓而言，是指在地面上使用并用于储存煤散料的容器。煤仓按建筑材料不同可分为钢筋混凝土筒仓、砖混筒仓和钢板筒仓，其中钢筋混凝土结构具有易施工、结构可靠稳定、使用周期长等优点，被广泛应用。煤仓的基本结构如图1-2所示。
图1-2煤仓基本结构
1.2.2研究意义
筒仓的储存和吞吐是散料生产和储运过程中的一个重要环节。作为筒仓的一种典型工业应用，煤仓是煤矿生产运输中不可缺少的关键设备。煤仓在
生产使用过程中，堵仓问题非常常见，严重影响了生产率的提高。而堵仓之后的突然冒落，则会造成严重的溃煤事故，轻则经济损失，重则人员伤亡。例如，2008年12月13日，贵州省湘能实业有限公司晋家冲煤矿在清理主井煤仓积水过程中，煤仓内煤泥垮落，造成3人被掩埋致死［2］。
煤仓堵仓现象主要有以下几种［3-6］：①卡塞，多发生于煤仓底口附近；②结拱，多发生于缩小的煤仓漏口处；③黏壁，一般靠近仓壁或锥底口，形成鼠洞现象或漏斗现象；④棚盖，可发生在煤仓的任何部位。形成以上堵仓现象的原因主要有以下几种：①筒仓形式不合理，包括结构设计、材料、制造工艺等；②煤散料物理属性方面的原因，如深煤仓储存含水煤或含黏土质煤时，煤散料潮湿、黏性增加等；③煤散料在筒仓中流动不合理，除有煤颗粒物理属性和筒仓结构原因之外，还有使用和维护原因等。
以上原因可以总结为由于煤散料属性、煤仓结构、使用维护等，煤散料在煤仓中的力学行为难以掌握，煤散料颗粒之间以及煤散料与煤仓之间的接触压力和接触摩擦力分布不合理，在装料、下料、储存等状态下难以消除其与仓壁的摩擦，导致煤散料在仓内流动不合理，装料、下料状态下难以获得合适交变速度和加速度影响，从而难以有效克服煤散料的内摩擦力和聚集力，以顺利消除煤仓内煤散料间的相对稳定性，*终使得煤散料之间以及煤散料与仓壁之间不能顺利脱离接触，形成堵仓。
正是基于上述原因，本书采用有限元方法与离散元方法，针对筒仓（主要以煤仓为例）和其储存的散料（主要以煤散料为例），进行“散料在筒仓中的静储与流动状态及其力学行为”研究，主要包括散料在筒仓中的静动态压力分布与行为、静接触状态、流动状态及影响因素、卸料行为与结构响应等，并进行相应试验研究。希望研究成果可对筒仓特别是煤仓的结构设计、防堵疏堵、运行维护等提供理论依据，*终为机械、矿山、冶炼、发电等应用领域提供科学支持。
1.3筒仓压力经典理论与颗粒基本性质
1.3.1筒仓压力分布
1. 直筒仓压力分布
在一般的液体容器中，根据帕斯卡原理和液体压力公式，液体压力与深度呈正比例关系，且同一水平的压力相等。虽然散料颗粒物质流动时表现出一定流体的性质，但在储料筒仓中，其储料压力与液体压力差异很大。对此，Janssen利用微分平衡方程对仓壁微
单元数学建模，计算推导出了直筒仓仓壁静应力储料公式，即Janssen理论公式。其理论存在以下几个合理假设条件：①仓内储料颗粒均匀填充且其性质一致、不可压缩；②颗粒在同一水平面的铅垂压力大小相等；③筒仓内任意一点垂直压力与水平压力的比值恒定。根据以上假设，颗粒内摩擦系数为一恒定系数。
对图1-3中的颗粒在直筒仓中的储料模型，取散料模型的一个薄层单元来进行微分研究，筒仓静置时，该圆薄片在竖直方向上的力处于平衡状态，列出的平衡方程为
π4D2p+π4D2ρpgdh=π4D2p+dp+πDμkpdh（1-1）
式中，D——筒仓直径；
p——该深度下压力，参照图1-3；
g——重力加速度；
ρp——仓内散料颗粒的密度；
μ——颗粒与仓壁内摩擦系数；
k——侧压力系数，为一常数，即仓内颗粒水平应力ph与铅垂应力pv的比值。
图1-3直筒仓中颗粒压力示意图
在内摩擦角恒定时，根据库仑公式得到的散体破坏包络线计算侧压力系数
k=1-sin 1+sin （1-2）
对式（1-1）求解整理，有
Dρpg－4μkpdh=Ddp（1-3）
左右两边分别积分，有
h=-D4μklnρpg-4μkpD+D4μklnρpg（1-4）
化简后得到Janssen公式的储料竖向压力为
pv=p=ρpgD4μk（1-e-4μkhD）（1-5）
则颗粒对仓壁的水平作用力为ph=kpv，即
ph=ρpgD4μ（1-e-4μkhD）（1-6）
Janssen公式仅适用于静置时的筒仓压力计算，未考虑卸料时动态因素的影响。实际测试表明，卸料时侧压力存在明显波动，侧壁受到反复冲击载荷。故不少国家的筒仓结构设计标准是对静压力进行一定修正，在其前乘以一个侧压力修正系数，即修正后为
pv=CvρpgD4μk（1-e-4μkhD）（1-7）
ph=ChρpgD4μ（1-e-4μkhD）（1-8）
式中，Cv——竖向方向上的侧压力修正系数；
Ch——水平方向上的侧压力修正系数。
从Janssen公式中可以看出，当h→∞时，有
pv=ρpgD4μk（1-9）
由此得出，当仓内储料颗粒达到一定深度后，仓内压力不可能无限增大，压力p趋于一个恒定常数，同时也反映了储料颗粒压力与流体压力的区别。
2.卸料斗压力分布
漏斗仓内的储料颗粒压力的推导过程，也可根据Janssen公式的微分单元法来计算。如图1-4漏斗仓颗粒压力示意图所示，取其中一层微单元体来研究，对其竖向方向上的力进行平衡分析。
图1-4漏斗仓颗粒压力示意图

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