周　健,杜　強(qiáng),簡(jiǎn)琦薇,李　晨,張智卿,5

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上?！?00092; 2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海　200092;3. 上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上?！?01620; 4. 上海出入境檢驗(yàn)檢疫局,上?！?00135;5. 浙江樹(shù)人大學(xué)城建學(xué)院,浙江 杭州　310015)

船運(yùn)鐵精礦流態(tài)化模型試驗(yàn)的離散元數(shù)值模擬

周健1,2,杜強(qiáng)1,簡(jiǎn)琦薇3,李晨4,張智卿1,5

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海200092; 2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092;3. 上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海201620; 4. 上海出入境檢驗(yàn)檢疫局,上海200135;5. 浙江樹(shù)人大學(xué)城建學(xué)院,浙江 杭州310015)

摘要：采用離散元程序PFC3D對(duì)散裝鐵精礦在動(dòng)力荷載作用下發(fā)生流態(tài)化的室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,從細(xì)觀的角度研究鐵精礦流態(tài)化的演化規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理。考慮流態(tài)化過(guò)程中的非飽和特性,利用微小顆粒模擬水團(tuán),通過(guò)設(shè)置黏結(jié)模型模擬礦粉顆粒間的基質(zhì)吸力,實(shí)時(shí)觀察流態(tài)化過(guò)程中鐵精礦位移場(chǎng)、水顆粒遷移情況以及細(xì)觀組構(gòu)的變化和發(fā)展,并將數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明:鐵精礦發(fā)生流態(tài)化的主要原因是水液面的上升;其細(xì)觀機(jī)理為在動(dòng)力荷載作用下,鐵精礦細(xì)顆粒沿著粗顆?？紫断蛳逻\(yùn)動(dòng)和顆粒間水團(tuán)匯集形成水膜后的向上遷移。

關(guān)鍵詞：鐵精礦;流態(tài)化;數(shù)值模擬;細(xì)觀機(jī)理;離散元法

鐵精礦的主要運(yùn)輸方式是散裝海洋運(yùn)輸,由于其自身含水率加上人為噴水等因素往往導(dǎo)致海運(yùn)時(shí)流態(tài)化風(fēng)險(xiǎn)增高。流態(tài)化的形成,會(huì)引起船體傾斜,最終導(dǎo)致沉船事故,造成生命財(cái)產(chǎn)重大損失[1]。

流態(tài)化指船運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生搖擺和振動(dòng),使得精粉礦發(fā)生水分滲出礦體表面形成自由液面的現(xiàn)象。其形成機(jī)理和演化過(guò)程比較復(fù)雜,通過(guò)宏觀或連續(xù)角度進(jìn)行研究可能會(huì)遇到瓶頸。而結(jié)合離散元數(shù)值模擬,可以從細(xì)觀和非連續(xù)的角度出發(fā)進(jìn)行流態(tài)化演化過(guò)程的研究,為揭示船運(yùn)礦產(chǎn)品流態(tài)化形成機(jī)理提供新的研究方法和研究思路。

Gallagher等[2]討論了粒子均勻度、粒徑、相對(duì)密度等可能對(duì)FMP產(chǎn)生的影響,但并未做深入的分析;周健等[3-4]探討了不同因素對(duì)鐵精礦流態(tài)化特性的影響,發(fā)現(xiàn)含水率是影響鐵精礦流態(tài)化的關(guān)鍵因素。Valentino等[5]通過(guò)室內(nèi)小模型試驗(yàn)和DEM相結(jié)合的方法,對(duì)斜面上干砂顆粒的流動(dòng)進(jìn)行了分析。Tang等[6]利用二維離散元程序模擬了由地震引起的土體滑動(dòng),分析過(guò)程中考慮了顆粒間的黏結(jié)作用。胡明鑒等[7]采用PFC2D分析降雨作用下松散碎屑物質(zhì)流動(dòng)過(guò)程及其與土體含水率的關(guān)系。Kikuchi等[8]基于Koshizuka等提出的固液流仿真多尺度DEM-MPS方法,修改了拉普拉斯模型和有效截?cái)喟霃剿惴?修改后的模型可以直接處理小顆粒和大顆粒。Fabio[9]通過(guò)在DEM顆粒間增加吸引力來(lái)模擬黏性力,基于分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法提出了一種黏性物質(zhì)流動(dòng)動(dòng)力特性的數(shù)值模擬方法。 陳小亮[10]采用離散元法對(duì)地下結(jié)構(gòu)物周?chē)巴翆右夯M(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于鐵精礦流態(tài)化力學(xué)特性的研究較少,采用離散元方法對(duì)流態(tài)化進(jìn)行數(shù)值模擬更是鮮見(jiàn)。本文在前期研究基礎(chǔ)之上,結(jié)合室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),采用微小顆粒模擬水,從非連續(xù)和細(xì)觀兩方面對(duì)鐵精礦流態(tài)化析出水演化過(guò)程進(jìn)行研究。

1室內(nèi)模型試驗(yàn)

圖1　模型箱示意圖Fig. 1　Sketch of model box

項(xiàng)目試驗(yàn)參數(shù)相似比尺(模型/原型)基本線性尺寸1/25加速度1土體密度1顆粒1動(dòng)力特征速度1/5振動(dòng)時(shí)間1/5振動(dòng)頻率5動(dòng)孔壓1/25

試驗(yàn)使用自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)小型振動(dòng)臺(tái),通過(guò)模型箱的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬波浪荷載的作用,試驗(yàn)中采用1 Hz作為激振頻率。模型箱長(zhǎng)度66 cm,寬度32 cm,高度40 cm,試驗(yàn)相似比為1∶25,模擬5.7萬(wàn)t級(jí)散貨船均勻裝艙時(shí)的鐵精礦堆載高度。表1給出了該相似比下,基于π定律得出的其他物理參量的相似比。在鐵精礦裝箱過(guò)程中,高度方向每隔10 cm設(shè)置一層橫向標(biāo)志砂,并在鐵精礦中部設(shè)置一層豎向標(biāo)志砂,振動(dòng)臺(tái)模型箱及鐵精礦模型的正面圖如圖1所示。模型相似關(guān)系及其相似比見(jiàn)表1。

試驗(yàn)所用鐵精礦產(chǎn)自加拿大,由上海出入境檢驗(yàn)檢疫局提供。試樣級(jí)配曲線見(jiàn)圖2,基本物理參數(shù)如下:不均勻系數(shù)Cu=2.44，曲率系數(shù)Cc=1.13，內(nèi)摩擦角φ=34.5°，最大密度ρmax=3.12 g/cm3，最小密度ρmin=2.56 g/cm3，相對(duì)密度Dr=0.33，最大孔隙比emax=0.93，最小孔隙比emin=0.59,滲透系數(shù)k=5.03×10-3cm/s,顆粒相對(duì)密度Gs=4.95,干密度ρd=2.72 g/cm3,休止角為34.5°,平均粒徑D50=0.20 mm。

采用上述試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)材料共進(jìn)行了16組試驗(yàn)[3],研究了含水率和加速度對(duì)鐵精礦流態(tài)化的影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)表2,選取比較有代表性的含水率為10%、加速度為0.3g條件下的試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬研究,將數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,以期從細(xì)觀角度去研究鐵精礦流態(tài)化的機(jī)理。

圖2　鐵精礦級(jí)配曲線Fig. 2　Grain size distribution curve of iron concentrate ore

試驗(yàn)編號(hào)含水率/%加速度/g密實(shí)度是否流態(tài)化180.30.33否280.40.33否380.50.33否490.30.33否590.40.33否680.50.33是7100.20.33否8100.30.33是9100.40.33是10100.50.33是11110.20.33否12110.30.33是13110.40.33是14110.50.33是15120.10.33否16120.20.33是

2模擬方法選擇及模型改進(jìn)

2.1模擬方法選擇

鐵精礦流態(tài)化過(guò)程屬于大變形問(wèn)題。鐵精礦粉作為一種散粒體介質(zhì),使用基于小變形連續(xù)體假設(shè)的有限元方法不能精確模擬它的運(yùn)動(dòng)與破壞。本文選擇顆粒流離散單元法作為數(shù)值模擬方法,是基于這種方法允許顆粒發(fā)生平移、滑移和旋轉(zhuǎn),并且允許顆粒之間發(fā)生接觸分離和形成新接觸,適用于模擬離散顆粒組合體在動(dòng)態(tài)條件下的變形及破壞過(guò)程,因而可以有效模擬流態(tài)化這種大變形問(wèn)題,還可以實(shí)時(shí)觀察鐵精礦流態(tài)化過(guò)程中顆粒的運(yùn)動(dòng)狀況及其細(xì)觀組構(gòu)的變化和發(fā)展。

2.2模型改進(jìn)

三維顆粒流程序(PFC3D)把真實(shí)的顆粒抽象為顆粒單元,通過(guò)對(duì)顆粒單元幾何性狀、接觸模型、邊界條件和若干應(yīng)力平衡狀態(tài)的分析計(jì)算,進(jìn)行時(shí)步迭代,使數(shù)值模擬試樣的宏觀力學(xué)特性逼近真實(shí)材料的力學(xué)特性,以達(dá)到數(shù)值求解的準(zhǔn)確。PFC3D的接觸模型有以下幾種:(a)線彈性或Hertz-Mindlin 模型;(b)滑動(dòng)模型;(c)黏結(jié)模型。

PFC3D不能直接進(jìn)行非飽和狀態(tài)下水與礦粉相互作用的模擬?？紤]到流體與固體的相互作用,從細(xì)觀尺度來(lái)講也滿(mǎn)足牛頓力學(xué)定律,理論上將水進(jìn)行離散模擬存在可行性。所以筆者嘗試一種全新的模擬方法:利用微小顆粒來(lái)模擬水團(tuán)。在礦粉顆粒間的孔隙中生成水顆粒,同時(shí)在礦粉顆粒間采用接觸黏結(jié)模型和滑動(dòng)模型近似模擬非飽和狀態(tài)下的基質(zhì)吸力,以此考慮鐵精礦流態(tài)化形成過(guò)程中的非飽和狀態(tài),在這基礎(chǔ)之上研究流態(tài)化的細(xì)觀機(jī)理。

作為一種液態(tài)物質(zhì),水在與礦粉相互作用時(shí)表現(xiàn)出了表面張力的影響,為了模擬水的表面張力,在建模時(shí)采取了給顆粒設(shè)定黏聚力的方法;考慮到水的不可壓縮性,對(duì)水顆粒設(shè)置一定的法向剛度進(jìn)行模擬;為了模擬水不能受剪應(yīng)力的性質(zhì),將水顆粒之間的切向剛度設(shè)為0。通過(guò)不斷調(diào)整與嘗試,發(fā)現(xiàn)當(dāng)水顆粒大小比土顆粒小一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí),模擬的效果較好。此時(shí)數(shù)值模擬中水顆?？梢暂^好模擬水在礦粉中的滲透遷移現(xiàn)象。

3數(shù)值模擬模型的建立及分析

由于觀測(cè)手段和試驗(yàn)方法的限制,室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)艿玫降臄?shù)據(jù)非常有限。相對(duì)于室內(nèi)模型試驗(yàn),數(shù)值模擬除了可以觀察宏觀破壞現(xiàn)象還能記錄每一點(diǎn)在任意時(shí)刻的速度、位移和作用力,并且數(shù)據(jù)記錄操作不會(huì)對(duì)流態(tài)化過(guò)程造成任何影響。采用數(shù)值模擬,可以從細(xì)觀的角度研究礦粉顆粒之間以及礦粉顆粒與水顆粒之間的相互作用,是研究鐵精礦流態(tài)化演化過(guò)程的一種有效輔助手段。

3.1模型建立

依據(jù)前文所述鐵精礦流態(tài)化室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)建模并進(jìn)行分析。在建模過(guò)程中考慮礦粉中水的分布以及初始的非飽和狀態(tài)。通過(guò)簡(jiǎn)化顆粒流數(shù)值模型,分析在動(dòng)力荷載作用下水顆粒運(yùn)動(dòng)情況、礦粉顆粒細(xì)觀組構(gòu)等變化規(guī)律,從細(xì)觀角度揭示鐵精礦流態(tài)化形成的內(nèi)在機(jī)理。

數(shù)值模擬模型箱由六面剛性墻組成，數(shù)值模型的邊界尺寸與振動(dòng)臺(tái)模型箱尺寸一致，為660 mm×320 mm×600 mm。底面墻體摩擦系數(shù)與礦粉顆粒相同，取值為0.5；其他四面墻體模擬模型箱的玻璃前壁和側(cè)壁，摩擦系數(shù)取值為0，忽略墻體對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，墻體的細(xì)觀參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　材料的計(jì)算參數(shù)

注：*為底板摩擦系數(shù)。

圖3　振動(dòng)臺(tái)流態(tài)化數(shù)值模擬模型Fig. 3　Fluidization numerical simulation model on vibration table

然后在模型箱內(nèi)生成高度為400 mm的鐵精礦顆粒,為了更直觀地觀察到振動(dòng)過(guò)程中的水分遷移現(xiàn)象,同時(shí)體現(xiàn)鐵精礦振動(dòng)時(shí)的非飽和特性,采用微小顆粒模擬水團(tuán),水顆粒之間的接觸采用接觸黏結(jié)模型。水顆粒生成區(qū)域?yàn)殍F精礦顆粒的孔隙區(qū)域,為了有效地減少運(yùn)算時(shí)間,同時(shí)考慮到底部礦砂含水率較低且對(duì)流態(tài)化現(xiàn)象影響不大,水顆粒僅在土體高度0.1～0.4 m的范圍內(nèi)生成,如圖3所示(圖中深色為水顆粒,淺色為礦粉顆粒)。

在進(jìn)行數(shù)值建模時(shí),還不能讓顆粒的所有特性與實(shí)際礦粉顆粒相一致。合理的方法是在不影響數(shù)值模擬結(jié)果的前提下,減少數(shù)值模型中顆粒的數(shù)量,即保持?jǐn)?shù)值模擬試樣的外觀尺寸與室內(nèi)模型試樣相近,適當(dāng)放大數(shù)值模擬試樣顆粒的平均粒徑,來(lái)減少生成的顆粒數(shù)量。數(shù)值試驗(yàn)中土顆粒的粒徑取值范圍為0.8～1.8 mm,利用PFC3D內(nèi)置函數(shù)按均勻分布粒徑生成試樣,試樣的平均粒徑D50=1.3 mm,以密實(shí)度來(lái)控制顆粒生成數(shù)量。已有研究表明,當(dāng)模型尺寸與顆粒的平均粒徑之比不小于30時(shí),可忽略模型中顆粒粒徑的尺寸效應(yīng)[10]。本文建模采用的模型尺寸與顆粒的平均粒徑之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于30,因此可以忽略尺寸效應(yīng)。鐵精礦顆粒和水顆粒的細(xì)觀計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

圖4　不平衡力曲線Fig. 4　Curve of unbalanced force

3.2數(shù)值模擬步驟

為了再現(xiàn)鐵精礦流態(tài)化過(guò)程中礦粉顆粒和水的位移場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等一系列宏細(xì)觀量的變化規(guī)律,將數(shù)值模擬程序劃分為制樣和振動(dòng)模擬2個(gè)步驟：(a)制樣。生成模型箱,然后在模型箱指定范圍內(nèi)生成礦粉顆粒,讓礦粉顆粒在自重作用下沉積達(dá)到初始平衡狀態(tài)。圖4為試樣的平均不平衡力曲線,當(dāng)系統(tǒng)的最大不平衡力與平均不平衡力之比小于0.1%時(shí),認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到初始平衡。礦粉顆粒達(dá)到平衡后,在孔隙中生成水顆粒,并為水顆粒設(shè)定黏聚力等參數(shù)。(b)振動(dòng)模擬。本試驗(yàn)?zāi)M含水率為10%的工況。對(duì)底部和側(cè)面墻體施加正弦循環(huán)的水平速度來(lái)模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中的動(dòng)荷載。根據(jù)振動(dòng)臺(tái)室內(nèi)模型試驗(yàn),設(shè)定振動(dòng)頻率為1 Hz,振幅為6 cm(模擬加速度0.3g),振動(dòng)次數(shù)為600次。振動(dòng)臺(tái)的正弦荷載曲線如圖5所示。設(shè)置輸出和量測(cè)函數(shù)提取和分析鐵精礦在振動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)形態(tài),以及礦粉顆粒和水顆粒的位移矢量分布圖、速度矢量分布圖,研究流態(tài)化的演化過(guò)程。

圖5　0.3 g加速度振型曲線Fig. 5　Curve of acceleration of 0.3 g

3.3數(shù)值模擬結(jié)果與分析

由不同振次下鐵精礦顆粒分布圖(圖6)可知,在振動(dòng)初始階段,礦粉總體發(fā)生沉降,且在頂部最先發(fā)生破壞,不再呈水平分布,而是向模型箱的一側(cè)傾斜,此時(shí)水分停留在礦粉內(nèi)部,有部分水分向下遷移,水液面并沒(méi)有析出礦粉表面。隨著振動(dòng)次數(shù)的增加,分散分布的水顆粒在振動(dòng)作用下相互連接成片,并逐步上升,礦粉表面也逐漸趨于平整。在振動(dòng)后期,水液面上升至礦粉表面,形成自由液面,流態(tài)化現(xiàn)象形成。

在數(shù)值模擬中,隨著振動(dòng)次數(shù)的增加,可以觀察到明顯的水顆粒遷移和自由液面的形成,這種流態(tài)化演化形式與室內(nèi)模型試驗(yàn)的流態(tài)化形態(tài)(圖7)非常相似。

圖6　鐵精礦不同振次時(shí)顆粒分布Fig. 6　Particle distributions of iron concentrate ore with different frequencies of vibration

圖7　鐵精礦流態(tài)化試驗(yàn)現(xiàn)象Fig. 7　Experimental phenomenon of iron concentrate ore fluidization

圖8是鐵精礦顆粒的豎向位移-時(shí)間曲線。由圖8可以看出,隨著振動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng),礦粉顆粒的豎向位移呈逐漸下降并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析,在振動(dòng)初期礦粉顆粒間孔隙較大,由于水分的存在,礦粉整體比較松散,此時(shí)水分受重力影響向下遷移。隨著振動(dòng)的繼續(xù),礦粉逐漸向下沉降密實(shí),最終趨于穩(wěn)定。此時(shí)顆粒間的孔隙變小,水分被擠出并不斷向上運(yùn)動(dòng),直到最后析出表層形成自由液面。

圖9是300振次時(shí)的顆粒接觸力分布圖。隨著深度的增加,顆粒之間的接觸力逐漸增大,在礦粉中部和頂部,接觸力較小。這也說(shuō)明了隨著振動(dòng)的增加,礦粉顆粒逐漸密實(shí),上部顆粒會(huì)向下運(yùn)動(dòng),顆粒間的孔隙減小,接觸力增大。在礦粉上部及表面處,由于有大量的水分存在,使得礦粉顆粒間接觸很少或沒(méi)有接觸,因此接觸力較小。礦粉顆粒接觸力的分布情況與室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)結(jié)果相符。

圖8　鐵精礦顆粒豎向位移-時(shí)間曲線Fig. 8　Vertical displacement vs. time for iron concentrate ore particles

圖9　鐵精礦顆粒接觸力分布Fig. 9　Contact force distribution of iron concentrate ore particles

通過(guò)離散元數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)的流態(tài)化過(guò)程基本吻合, 從圖6和圖7的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):(a) 在開(kāi)始振動(dòng)時(shí),上部土體受到重力及振動(dòng)密實(shí)的作用,產(chǎn)生表層沉降現(xiàn)象,尤其是在靠近側(cè)壁的土體沉降量較大。(b)與室內(nèi)試驗(yàn)相同,數(shù)值模擬中礦粉的變形沿試樣高度也基本呈線性變化,即距離表層越近的地方,礦粉的變形量越大;由于試樣底部的顆粒與底部墻體摩擦力的作用,使得底部顆粒的運(yùn)動(dòng)受到限制,礦粉的變形較小。(c) 礦粉在振動(dòng)過(guò)程中的流態(tài)化演化過(guò)程,表現(xiàn)為礦粉顆粒的壓縮和水分的向上遷移,數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3.4數(shù)值模擬細(xì)觀分析

圖10為數(shù)值模擬振動(dòng)過(guò)程中水顆粒的位移矢量分布情況。在振動(dòng)初期,下部水顆粒受重力和礦粉顆粒下沉的影響向下運(yùn)動(dòng),但向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)較??；上部水顆粒則表現(xiàn)出明顯的向上運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,且向上運(yùn)動(dòng)明顯，尤其在靠近模型箱兩側(cè)的水顆粒,向上的位移最大。前者在宏觀上的表現(xiàn)為礦粉整體的沉降,而后者則引起水液面的上升。隨著振動(dòng)次數(shù)的增加,在振動(dòng)后期,水顆粒的位移主要集中在礦粉表面,且主要表現(xiàn)為水平運(yùn)動(dòng),而礦粉內(nèi)部的水顆粒位移較小。這表明此時(shí)已形成流態(tài)化,礦粉表面為自由液面,隨著振動(dòng)而水平運(yùn)動(dòng)。

數(shù)值模型中采用接觸黏結(jié)模型近似考慮顆粒在非飽和狀態(tài)下的基質(zhì)吸力。由于礦粉顆粒間存在黏結(jié)力,使得顆粒間保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。只有振動(dòng)引起的水顆粒運(yùn)動(dòng)克服這種顆粒間的黏結(jié)力,礦粉由非飽和狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)時(shí),才可能產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。由于水顆粒在礦粉中的遷移運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致礦粉顆粒間的基質(zhì)吸力減小,顆粒從下往上逐步由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài),在這個(gè)過(guò)程中顆粒間相互碰撞和摩擦,顆粒速度矢量不斷變化。

圖11為350振次時(shí)礦粉顆粒的速度矢量分布圖。從圖11可以看出,礦粉顆粒在振動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)主要集中在上部,呈現(xiàn)出圓弧狀分布,且主要為水平運(yùn)動(dòng),具有很明顯的流態(tài)化特征。這與室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中礦粉的滑動(dòng)破壞面分布基本一致,上部含水率較高,呈飽和狀態(tài),礦粉隨振動(dòng)表現(xiàn)為水平剪切運(yùn)動(dòng)。

圖10　水顆粒位移矢量分布Fig. 10　Displacement vector distribution of water particles

圖11　鐵精礦顆粒速度矢量分布Fig. 11　Velocity vector distribution of iron concentrate ore particles

由室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果可知,在振動(dòng)過(guò)程中,鐵精礦顆粒骨架被壓縮、孔隙體積減小;同時(shí)細(xì)顆粒通過(guò)粗顆粒間孔隙向下運(yùn)動(dòng)、填充下部孔隙,使得下部孔隙中水分被擠出,上部粗顆粒發(fā)生結(jié)構(gòu)重組,孔隙變小,形成致密的粗顆粒骨架[11-12]。

在數(shù)值模擬中,觀測(cè)粒徑小于1.0 mm的礦粉顆粒的位移情況可以得出,在振動(dòng)過(guò)程中細(xì)顆粒呈現(xiàn)出明顯的向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),且越靠近箱底處細(xì)顆粒越多。這說(shuō)明顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要表現(xiàn)為:細(xì)顆粒向下運(yùn)動(dòng),填充下部孔隙,上部粗顆粒結(jié)構(gòu)重組,形成致密的粗顆粒骨架,這一細(xì)觀上的顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程反映在宏觀上就是滑動(dòng)面從下往上遷移。同時(shí),結(jié)合水顆粒的位移分析可以看出,引起水分液面遷移的另一原因是細(xì)顆粒的運(yùn)動(dòng),表現(xiàn)為細(xì)顆粒向下運(yùn)動(dòng),填充下部孔隙,孔隙中水分被擠出,引起水液面上升。

以上分析說(shuō)明,在對(duì)動(dòng)荷載條件下鐵精礦流態(tài)化的數(shù)值模擬中,除了能較準(zhǔn)確再現(xiàn)模型試驗(yàn)的真實(shí)流態(tài)化現(xiàn)象,還能從細(xì)觀角度驗(yàn)證試驗(yàn)所得的結(jié)果,體現(xiàn)了該方法的可行性和優(yōu)越性。

4結(jié)論

本文利用PFC3D程序,對(duì)室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了鐵精礦流態(tài)化過(guò)程中宏觀試驗(yàn)現(xiàn)象、位移場(chǎng)變化以及水顆粒和細(xì)顆粒的細(xì)觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律,結(jié)合宏細(xì)觀規(guī)律,揭示了鐵精礦流態(tài)化的內(nèi)在機(jī)理,主要結(jié)論如下：

a. 含水率是影響散裝鐵精礦流態(tài)化形成的關(guān)鍵因素。加速度對(duì)含水率低于8%的鐵精礦流態(tài)化形成基本無(wú)影響。

b. 鐵精礦流態(tài)化的演化過(guò)程包括礦粉壓密、上層礦粉滑動(dòng),細(xì)顆粒遷移、水液面上升和自由液面的形成。

c. 水液面上升是鐵精礦發(fā)生流態(tài)化的主要原因。水液面上升引起表層鐵精礦強(qiáng)度降低,形成滑動(dòng)面,導(dǎo)致鐵精礦發(fā)生流態(tài)化。

d. 引起水液面上升的主要原因是鐵精礦的水分和細(xì)顆粒的遷移。其細(xì)觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要表現(xiàn)為:分散于顆粒間的水團(tuán)聚集形成水體,沿著顆粒間孔隙向上流動(dòng);上部細(xì)顆粒向下遷移,填充下部粗顆?？紫?上部粗顆粒骨架結(jié)構(gòu)重新排列。

e. 對(duì)鐵精礦流態(tài)化進(jìn)行離散元數(shù)值模擬,可以得到詳細(xì)的礦粉破壞形態(tài)、顆粒運(yùn)動(dòng)、位移、速度分布規(guī)律等宏觀和細(xì)觀結(jié)果,是研究礦粉流態(tài)化宏觀和細(xì)觀機(jī)理有利的輔助手段。但是由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算效率,采用顆粒放大的方法,對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,使得數(shù)值模擬具有一定的局限性,這還需要對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化與調(diào)整。

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Discrete element numerical simulation of model experiments of iron concentrate ore fluidization during shipping

ZHOU Jian1, 2,DU Qiang1,JIAN Qiwei3,LI Chen4,ZHANG Zhiqing1, 5

(1.CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;3.CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China;4.ShanghaiEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Shanghai200135,China;5.CollegeofUrbanConstruction,ZhejiangShurenUniversity,Hangzhou310015,China)

Abstract:The discrete element program PFC3Dwas used for numerical simulation of a model experiment, which was carried out on an indoor vibration table, in order to study the fluidization of iron concentrate ore in bulk under dynamic loads. The evolution and internal mechanism of the iron concentrate ore fluidization was studied from a mesoscopic perspective. With consideration of the unsaturation during the fluidization process, the water was simulated with small granules and the matrix suction was simulated by setting a bond model between fine granules of ore. The change and development of the displacement field, water particle migration, and mesoscopic fabric were observed during the fluidization process. The results of numerical simulation were compared with those of the model experiment. It was found that the main cause of iron concentrate ore fluidization is the increase of the water level. The mesoscopic mechanisms of fluidization are as follows: under dynamic loads, the fine particles move downwards through the spaces between coarse particles, and the water between the particles that becomes water film flows upwards.

Key words:iron concentrate ore; fluidization; numerical simulation; mesoscopic mechanism; discrete element method

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.03.006

收稿日期：2015-07-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家公益性基金(201310065)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41272296)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2013M541544)

作者簡(jiǎn)介：周健(1957—)，男，浙江臨海人，教授，博士, 主要從事土動(dòng)力學(xué)、土體細(xì)觀力學(xué)和離散元數(shù)值分析等研究。E-mail：tjugezhoujian@#edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：P64

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1980(2016)03-0219-07