典型粮食颗粒下的滚动摩擦效应及卸粮速度场演化机理研究

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筒仓作为一种重要构筑物,被广泛应用于农业和工业中散体物料的灌装和排放。而粮食作为典型散体颗粒,其摩擦特性要比固体之间或工程材料之间的摩擦复杂得多,特别是粮食颗粒的不规则性对其在筒仓卸料动态过程中所呈现的摩擦特性有很大的影响。粮食颗粒的摩擦特性能够直接或间接的作用于颗粒的流动状态,从而影响着粮仓的储、卸安全。因此,系统性研究不同典型粮食颗粒在卸料状态下的滚动摩擦耦合效应对研究粮食散体动力学细观机理有重要的现实和理论意义。本文依托国家自然基金项目(51708182)“筒仓卸粮成拱及其对仓壁超压作用的动态演进机制研究”对三种典型粮食颗粒(大豆、小麦、玉米)在筒仓卸料过程中的滚动摩擦耦合效应做了深入研究,采用室内物理模型试验和离散元仿真模拟,系统性探究了不同粮食颗粒的滚动摩擦特性对其在卸料过程速度场演化的影响。主要研究内容及结论如下:(1)本文采用倾斜脚架法对大豆、小麦、玉米三种粮食颗粒进行滚动摩擦系数测定,分别测得各粮食颗粒间及颗粒与筒仓材料间的滚动摩擦系数,为模拟动态卸粮提供数据演变基础。同时进行了室内卸粮试验,监测卸粮流动状态、出料口速率等实验数据,为仿真模型的建立提供试验验证基础。(2)通过离散元软件建立了大豆、小麦、玉米颗粒模型,模拟筒仓卸料场景,并将仿真结果与试验结果进行对照分析,验证筒仓卸粮模拟的合理性和准确性。研究证明,基于多球组合颗粒模型的卸粮模拟可以客观准确地揭示筒仓卸粮过程中各典型形状粮食颗粒的宏细观力学机理,为深入揭示筒仓卸粮宏细观动力学特征提供了新的研究手段。(3)基于三种典型粮食多球组合颗粒模型,对离散元模拟下的筒仓进行网格划分和数据处理,从垂直速度、水平速度和角速度三个方面量化分析了速度场的空间分布和演化机制,研究明晰了大豆、小麦和玉米颗粒在筒仓卸粮过程中内、外滚动摩擦对颗粒流的影响机制。(4)对比内外滚动摩擦效应下三种粮食在卸料过程中的速度场演化,探究了基于典型形状粮食颗粒的速度场演化规律的异同,进一步揭示了内、外滚动摩擦对不同粮种速度场的影响机理。本文紧密结合近年来散体力学的最新研究成果,针对大豆、小麦、玉米三种典型形状粮食颗粒建立了多球组合颗粒模型,并分别模拟卸粮工况,探究了内、外滚动摩擦对不同形状粮种下的速度场演化影响机制,关联了粮食颗粒形状效应和滚动摩擦效应,研究结论对于筒仓安全设计和研发具有重要的参考价值。
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