微膠囊在水泥凈漿攪拌過程中的運動狀態(tài)分析
發(fā)布時間：2022-01-06 14:31
微膠囊自修復技術是針對于混凝土的裂縫劣化、鋼筋銹蝕等問題的一種有效的修復手段,在提高混凝土耐久性和使用壽命等方面都具有非常重要的意義。實現微膠囊自修復功能的前提是微膠囊在水泥基材料攪拌過程中保持完整性,而在硬化后,當裂縫擴展時發(fā)生破裂。本文通過計算流體動力學（CFD）-離散元（DEM）耦合方法分析微膠囊在凈漿攪拌過程中的運動狀態(tài)及受力分析,進而得到微膠囊在攪拌過程中的存活率。在凈漿攪拌過程中,利用現有的實驗手段無法準確的獲取流體以及顆粒的運動狀態(tài),為解決這一問題,本文采用CFD-DEM耦合模擬的計算格式進行計算,并通過小球下落模擬及攪拌桶試驗,驗證了計算模型的可靠性,為后續(xù)的計算結果提供保障。本研究對微膠囊的運動狀態(tài)從三個方面進行分析:（1）分析攪拌桶中擬凈漿的流場變化,包括了凈漿的速度場、壓力場、湍流強度場;（2）分析攪拌桶中微膠囊的運動狀態(tài),包括顆粒的速度場、運動軌跡、流體力、壓力、合力以及碰撞力;（3）通過微膠囊的破裂值估算出微膠囊在攪拌過程中的破裂率。發(fā)現微膠囊在凈漿攪拌過程中受到流體力、合力以及切向碰撞力時對微膠囊破裂幾乎沒有影響,而受到的壓力以及法向碰撞力的作用時容易導致其...
【文章來源】：深圳大學廣東省
【文章頁數】：82 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
微膠囊自修復Fig.1-1.Self-healingbasedonmicrocapsule
微膠囊在水泥凈漿攪拌過程中的運動狀態(tài)分析12圖2-1.EDEM基本處理框架Fig.2-1.EDEMbasicprocessingframework2.2.1顆粒運動的控制方程離散元素法的基本思想是將研究對象劃分為很多個獨立的單元，根據單元之間的相互作用，采用動態(tài)或者靜態(tài)松弛法進行迭代，計算確定在每一個時間步長內所有單元的受力和位移，并且實時的更新顆粒的坐標。通過對單個顆粒的微觀運動可以得到顆粒運動狀態(tài)。在離散元法中接觸模型決定了顆粒的力和位移之間的關系，牛頓第二定律可以用于求解顆粒的位移、速度以及加速度。由于離散元素法是建立在牛頓第二定律和不同的接觸模型上的，所以不同的接觸模型對于顆粒的運動會有不一樣的影響。（1）顆粒的運動方程顆粒的位移可以通過牛頓第二定律計算得到。顆粒受力包括了流體力，拖曳力，升力，浮力，顆粒之間碰撞力、顆粒和幾何壁面之間的碰撞力以及顆粒所收到的旋轉作用的力矩。根據牛頓第二定律可得，顆粒的運動方程以及由于旋轉受到力矩方程如下所示：=+∑(,+,)+,+,+,=1（2-11）,=163（2-12）=∑(,+,)=1（2-13）其中是顆粒質量；是顆粒速度；顆粒重力加速度；,和,顆粒受到的法向力和切向力；,顆粒受到的拖曳力；,顆粒受到的升力；,顆粒受到的浮力;是顆粒直徑；是顆粒密度；顆粒角速度；,和,分別是顆粒受到的法向和切向力矩；是由于旋轉顆粒受到的力矩。（2）接觸模型
微膠囊在水泥凈漿攪拌過程中的運動狀態(tài)分析13接觸模型是描述顆粒單元之間接觸力的計算，是組成離散元素重要的一部分。在EDEM軟件當中內置了很多的接觸模型，比如Hertz-Mindlin無滑動接觸模型[58]、Hertz-Mindlin粘結模型[58]、Hertz-Mindlin熱傳導模型[59]、線性粘性模型[60]等，當然該軟件也支持二次開發(fā)，通過API接口將自定義的模型進行導入。Hertz-Mindlin具有準確高效的計算性能，該模型成功的運用于各個領域。故本文采用此模型進行計算顆粒之間的接觸力。接觸力學模型又稱為彈性-阻尼-摩擦接觸力學模型，如下圖2-2所示，可以將接觸模型的計算分為法向力和切向力分別進行計算。圖2-2接觸力學模型：1-顆粒剛度（彈簧）；2-阻尼器；3-摩擦器Fig.2-2Contactmechanicsmodel:1-particlestiffness(spring);2-damper;3-friction（1）接觸模型法向力計算顆粒和顆粒之間的碰撞之間的接觸力和力矩通過Hertz-Mindlinmodel進行計算，其中i,j顆粒之間法向力,：,=43√,23,（2-15）,=256√2+√,（2-16）,=2√,（2-17）其中是楊氏模量；是顆粒質量；是等效半徑；,法向的重疊量；,是法向剛度；相對速度的法相分量；e是恢復系數（2）接觸模型的切向力計算顆粒之間的切向力,由,是切向重疊量；,切向剛度計算得出，且受限于μn,ij,μ是靜摩擦系數，顆粒受到的切向力如下所示：,=,,,（2-18）
【參考文獻】：
期刊論文
[1]微膠囊自修復水泥基材料的微觀結構研究[J]. 王險峰,孫培培,邢鋒,韓寧旭. 防災減災工程學報. 2016(01)
[2]A hybrid DEM/CFD approach for solid-liquid flows[J]. 邱流潮,WU Chuan-yu. Journal of Hydrodynamics. 2014(01)
[3]荷載與環(huán)境因素耦合作用下結構混凝土的耐久性與服役壽命[J]. 孫偉. 東南大學學報(自然科學版). 2006(S2)
[4]Characterization of the Mechanical Properties of Urea-Formaldehyde Microcapsules[J]. 劉天中. 過程工程學報. 2005(04)
博士論文
[1]石墨烯改性相變微膠囊的制備、應用及數值模擬[D]. 吳炳洋.天津工業(yè)大學 2018
[2]水泥基材料用微膠囊自修復技術與原理的研究[D]. 張鳴.中南大學 2013
碩士論文
[1]兩種壁材制備功夫菊酯微膠囊及其性能研究[D]. 孫陳鋮.揚州大學 2018
[2]KR法攪拌罐內自由液面及多相流混合特性數值模擬[D]. 何訊超.山東大學 2017
[3]多孔熱風管滾筒式茶葉殺青機技術研究[D]. 羅杰.浙江工業(yè)大學 2016
[4]微膠囊自修復混凝土修復過程及機理研究[D]. 房國豪.深圳大學 2016
[5]基于有限元和離散元碾米過程的動力學仿真及應用[D]. 李祖吉.武漢輕工大學 2016
[6]基于EDEM-FLUENT耦合的氣力輸送裝置的設計與研究[D]. 張學強.西華大學 2015
[7]減水劑對混凝土工作性和強度的影響[D]. 霍雷.哈爾濱工程大學 2012
本文編號：3572629
【文章來源】：深圳大學廣東省
【文章頁數】：82 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
微膠囊自修復Fig.1-1.Self-healingbasedonmicrocapsule
微膠囊在水泥凈漿攪拌過程中的運動狀態(tài)分析12圖2-1.EDEM基本處理框架Fig.2-1.EDEMbasicprocessingframework2.2.1顆粒運動的控制方程離散元素法的基本思想是將研究對象劃分為很多個獨立的單元，根據單元之間的相互作用，采用動態(tài)或者靜態(tài)松弛法進行迭代，計算確定在每一個時間步長內所有單元的受力和位移，并且實時的更新顆粒的坐標。通過對單個顆粒的微觀運動可以得到顆粒運動狀態(tài)。在離散元法中接觸模型決定了顆粒的力和位移之間的關系，牛頓第二定律可以用于求解顆粒的位移、速度以及加速度。由于離散元素法是建立在牛頓第二定律和不同的接觸模型上的，所以不同的接觸模型對于顆粒的運動會有不一樣的影響。（1）顆粒的運動方程顆粒的位移可以通過牛頓第二定律計算得到。顆粒受力包括了流體力，拖曳力，升力，浮力，顆粒之間碰撞力、顆粒和幾何壁面之間的碰撞力以及顆粒所收到的旋轉作用的力矩。根據牛頓第二定律可得，顆粒的運動方程以及由于旋轉受到力矩方程如下所示：=+∑(,+,)+,+,+,=1（2-11）,=163（2-12）=∑(,+,)=1（2-13）其中是顆粒質量；是顆粒速度；顆粒重力加速度；,和,顆粒受到的法向力和切向力；,顆粒受到的拖曳力；,顆粒受到的升力；,顆粒受到的浮力;是顆粒直徑；是顆粒密度；顆粒角速度；,和,分別是顆粒受到的法向和切向力矩；是由于旋轉顆粒受到的力矩。（2）接觸模型
微膠囊在水泥凈漿攪拌過程中的運動狀態(tài)分析13接觸模型是描述顆粒單元之間接觸力的計算，是組成離散元素重要的一部分。在EDEM軟件當中內置了很多的接觸模型，比如Hertz-Mindlin無滑動接觸模型[58]、Hertz-Mindlin粘結模型[58]、Hertz-Mindlin熱傳導模型[59]、線性粘性模型[60]等，當然該軟件也支持二次開發(fā)，通過API接口將自定義的模型進行導入。Hertz-Mindlin具有準確高效的計算性能，該模型成功的運用于各個領域。故本文采用此模型進行計算顆粒之間的接觸力。接觸力學模型又稱為彈性-阻尼-摩擦接觸力學模型，如下圖2-2所示，可以將接觸模型的計算分為法向力和切向力分別進行計算。圖2-2接觸力學模型：1-顆粒剛度（彈簧）；2-阻尼器；3-摩擦器Fig.2-2Contactmechanicsmodel:1-particlestiffness(spring);2-damper;3-friction（1）接觸模型法向力計算顆粒和顆粒之間的碰撞之間的接觸力和力矩通過Hertz-Mindlinmodel進行計算，其中i,j顆粒之間法向力,：,=43√,23,（2-15）,=256√2+√,（2-16）,=2√,（2-17）其中是楊氏模量；是顆粒質量；是等效半徑；,法向的重疊量；,是法向剛度；相對速度的法相分量；e是恢復系數（2）接觸模型的切向力計算顆粒之間的切向力,由,是切向重疊量；,切向剛度計算得出，且受限于μn,ij,μ是靜摩擦系數，顆粒受到的切向力如下所示：,=,,,（2-18）
【參考文獻】：
期刊論文
[1]微膠囊自修復水泥基材料的微觀結構研究[J]. 王險峰,孫培培,邢鋒,韓寧旭. 防災減災工程學報. 2016(01)
[2]A hybrid DEM/CFD approach for solid-liquid flows[J]. 邱流潮,WU Chuan-yu. Journal of Hydrodynamics. 2014(01)
[3]荷載與環(huán)境因素耦合作用下結構混凝土的耐久性與服役壽命[J]. 孫偉. 東南大學學報(自然科學版). 2006(S2)
[4]Characterization of the Mechanical Properties of Urea-Formaldehyde Microcapsules[J]. 劉天中. 過程工程學報. 2005(04)
博士論文
[1]石墨烯改性相變微膠囊的制備、應用及數值模擬[D]. 吳炳洋.天津工業(yè)大學 2018
[2]水泥基材料用微膠囊自修復技術與原理的研究[D]. 張鳴.中南大學 2013
碩士論文
[1]兩種壁材制備功夫菊酯微膠囊及其性能研究[D]. 孫陳鋮.揚州大學 2018
[2]KR法攪拌罐內自由液面及多相流混合特性數值模擬[D]. 何訊超.山東大學 2017
[3]多孔熱風管滾筒式茶葉殺青機技術研究[D]. 羅杰.浙江工業(yè)大學 2016
[4]微膠囊自修復混凝土修復過程及機理研究[D]. 房國豪.深圳大學 2016
[5]基于有限元和離散元碾米過程的動力學仿真及應用[D]. 李祖吉.武漢輕工大學 2016
[6]基于EDEM-FLUENT耦合的氣力輸送裝置的設計與研究[D]. 張學強.西華大學 2015
[7]減水劑對混凝土工作性和強度的影響[D]. 霍雷.哈爾濱工程大學 2012
本文編號：3572629
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