運(yùn)用離散元法的物料顆粒體流動(dòng)特性與儲(chǔ)料斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

趙亞蘭,郭紅兵

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 西安 710018； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院， 西安 710064)

儲(chǔ)料斗主要用于貯存顆粒狀或粉狀物料，被廣泛應(yīng)用于公路、建筑等土建工程類行業(yè)之中。在卸料過程中，儲(chǔ)料斗內(nèi)的物料顆粒體呈現(xiàn)出相對(duì)離散的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。然而，針對(duì)儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體所呈現(xiàn)出的離散化流動(dòng)狀態(tài)的數(shù)值分析，有限元方法不能很好地模擬其顆粒狀非均勻連續(xù)結(jié)構(gòu)，離散元方法則為此類問題提供了解決思路與途徑[1-3]，在顆粒狀或粉狀物料力學(xué)行為的數(shù)值分析方面得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。由于儲(chǔ)料斗內(nèi)部側(cè)壁與物料顆粒體之間的摩擦作用條件不同，在儲(chǔ)料斗底部出口的正上方位置，有可能會(huì)形成物料顆粒之間接觸力的“拱形”分布，從而產(chǎn)生“鎖閉”效應(yīng)；或者，由于儲(chǔ)料斗底壁與水平面之間所夾底角的角度太小，引起儲(chǔ)料斗內(nèi)的物料顆粒體有可能出現(xiàn)“核心流”的流動(dòng)狀態(tài)，從而導(dǎo)致儲(chǔ)料斗內(nèi)的物料顆粒不能正常卸除或無法完全卸除。針對(duì)諸如此類的儲(chǔ)料斗卸料問題，本文采用離散元方法，運(yùn)用二維顆粒流程序(PFC2D)，首先，從細(xì)觀角度對(duì)儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，闡釋儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體流動(dòng)狀態(tài)的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理；其次，進(jìn)一步分析在離散元數(shù)值模擬過程中，如何實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體卸料的伺服控制墻體機(jī)制；最后，基于對(duì)儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體“核心流”與“塊狀流”的流動(dòng)特性對(duì)比分析，研究如何合理設(shè)計(jì)儲(chǔ)料斗底壁與水平面之間所夾底角的角度值大小，為進(jìn)一步優(yōu)化儲(chǔ)料斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

包括構(gòu)建儲(chǔ)料斗-物料顆粒體系統(tǒng)的計(jì)算模型及離散元模型，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服控制墻體(儲(chǔ)料斗內(nèi)部側(cè)壁)機(jī)制的離散元數(shù)值模擬兩大部分。

1.1 儲(chǔ)料斗-物料顆粒體系統(tǒng)的模型構(gòu)建

利用二維顆粒流程序PFC2D，構(gòu)建儲(chǔ)料斗的墻體模型和物料顆粒體模型，形成儲(chǔ)料斗-物料顆粒體系統(tǒng)[6-7]；并設(shè)定物料顆粒體的目標(biāo)空隙率VV=12%、最小顆粒直徑dmin=0.01 m，以及最大顆粒直徑與最小顆粒直徑的比值dmax/dmin=1.5，儲(chǔ)料斗-物料顆粒體系統(tǒng)的計(jì)算模型及離散元模型見圖1。為了加快儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的初始擠密壓實(shí)過程，在初始階段，程序未給墻體單元(儲(chǔ)料斗內(nèi)部側(cè)壁)與物料顆粒體單元之間設(shè)定相應(yīng)的摩擦因數(shù)；當(dāng)程序自有的伺服控制墻體機(jī)制被激活之后，再賦予墻體單元(儲(chǔ)料斗內(nèi)部側(cè)壁)與物料顆粒體單元之間相應(yīng)的摩擦值。由圖1可知：在計(jì)算模型中，儲(chǔ)料斗由4個(gè)墻體組成，儲(chǔ)料斗內(nèi)的物料顆粒體呈初始密實(shí)狀態(tài)，儲(chǔ)料斗內(nèi)部的側(cè)壁(兩側(cè)墻體AD和BC)是固定的，一旦儲(chǔ)料斗底部的出口(墻體AB)被移除，兩側(cè)墻體AD和BC就限制了儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的側(cè)向流動(dòng)。在程序自有的伺服控制墻體機(jī)制作用下，儲(chǔ)料斗計(jì)算模型的頂部墻體EF沿豎向移動(dòng)，其移動(dòng)速度由程序自動(dòng)調(diào)整，以保證程序施加在伺服控制墻體單元(兩側(cè)墻體AD和BC)上的應(yīng)力始終為恒定不變的指定值。

圖1 儲(chǔ)料斗-物料顆粒體系統(tǒng)的計(jì)算模型及離散元模型

1.2 針對(duì)伺服控制墻體機(jī)制的數(shù)值模擬

基于儲(chǔ)料斗-物料顆粒體系統(tǒng)的計(jì)算模型及離散元模型，利用二維顆粒流程序PFC2D，設(shè)定物料顆粒體單元與伺服控制墻體單元(兩側(cè)墻體AD和BC)之間的摩擦因數(shù)值，并在伺服控制墻體單元上施加指定的目標(biāo)應(yīng)力值[8]；隨著程序的循環(huán)運(yùn)行，當(dāng)施加在伺服控制墻體單元上的應(yīng)力達(dá)到預(yù)期值時(shí)，儲(chǔ)料斗底部的出口(墻體AB)就會(huì)被移除；在重力作用下，儲(chǔ)料斗斗內(nèi)物料顆粒體就會(huì)向下流動(dòng)。在物料顆粒體向下流動(dòng)(卸料)過程中，程序會(huì)及時(shí)自動(dòng)更新與物料顆粒體單元相接觸的伺服控制墻體單元的長度范圍(接觸面積)，以及其相應(yīng)的接觸應(yīng)力值。程序循環(huán)運(yùn)行并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，直至其環(huán)運(yùn)行終止，程序會(huì)自動(dòng)記錄伺服控制墻體單元上應(yīng)力和速度的變化，以及物料顆粒單元與伺服控制墻體單元、顆粒與顆粒單元之間接觸點(diǎn)上的累計(jì)摩擦能。通過以上步驟，程序分析模擬了在卸料過程中，物料顆粒體-墻體之間的接觸面積隨著頂部墻體EF沿豎向不斷下移而持續(xù)變化的具體過程；同時(shí)，程序分析模擬了物料顆粒單元之間、物料顆粒體單元與伺服控制墻體單元之間的接觸應(yīng)力分布狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服控制墻體機(jī)制的數(shù)值模擬。

2 儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)特性分析

2.1 無摩擦條件下儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)特性分析

為了模擬物料顆粒體與儲(chǔ)料斗側(cè)壁墻體之間的無摩擦情況，在程序中設(shè)定物料顆粒體單元之間的摩擦因數(shù)，以及物料顆粒體單元與墻體單元之間的摩擦因數(shù)分別為1.0和0，以此實(shí)現(xiàn)物料顆粒體與儲(chǔ)料斗側(cè)壁墻體之間無摩擦條件下，儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)及其流動(dòng)特性分析[8-10]。初始狀態(tài)下儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)見圖2和圖3，程序經(jīng)過 2 500次周期性循環(huán)運(yùn)行之后達(dá)到該初始狀態(tài)。在這個(gè)階段，程序施加在儲(chǔ)料斗側(cè)壁伺服控制墻體上的目標(biāo)應(yīng)力為5 MPa。由圖3可知，隨著程序的不斷循環(huán)運(yùn)行，施加在儲(chǔ)料斗側(cè)壁伺服控制墻體上的應(yīng)力從4.74 MPa增至5 MPa，這表明：在該初始狀態(tài)下，物料顆粒體施加在墻體上的初始?jí)毫?.74 MPa；在程序自有的伺服控制墻體機(jī)制作用下，儲(chǔ)料斗頂部墻體EF沿豎向向下移動(dòng)，從而向儲(chǔ)料斗內(nèi)的物料顆粒體施加壓力，最終使其目標(biāo)應(yīng)力達(dá)到5 MPa(圖2中物料顆粒單元之間的最大接觸力比圖1中的相應(yīng)值更大一些)。

圖2 初始狀態(tài)下儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)(無摩擦條件下)

圖3 施加在伺服控制墻體上的應(yīng)力隨時(shí)間的演變過程(無摩擦條件下)

在卸料開始之后，儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)見圖4、圖5和圖6。程序經(jīng)過另一個(gè)5 000次周期性循環(huán)運(yùn)行之后達(dá)到該狀態(tài)。

由圖4可知，儲(chǔ)料斗底部的出口(墻體AB)已經(jīng)被移除，物料顆粒已經(jīng)開始從儲(chǔ)料斗底部流出；由程序自有的伺服控制墻體機(jī)制作用下，儲(chǔ)料斗頂部墻體EF已經(jīng)開始向下移動(dòng)，以保證施加在物料顆粒體上的壓應(yīng)力為恒定不變的指定目標(biāo)應(yīng)力值。在儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的上部區(qū)域，其物料顆粒單元之間的接觸力呈“拱形”分布；但由于物料顆粒體單元與儲(chǔ)料斗側(cè)壁墻體單元之間為無摩擦狀態(tài)，儲(chǔ)料斗底部出口的正上方位置區(qū)域未形成物料顆粒單元之間接觸力的“拱形”分布，從而不會(huì)阻止物料顆粒從儲(chǔ)料斗底部的出口流出。

由圖5可知，當(dāng)儲(chǔ)料斗底部的出口(墻體AB)在t≈0.1 s時(shí)刻被移除之后，儲(chǔ)料斗頂部的伺服控制墻體EF施加給物料顆粒體的壓應(yīng)力突然下降，并在一個(gè)平均值附近波動(dòng)，該平均值低于指定的目標(biāo)應(yīng)力5 MPa。根據(jù)伺服控制墻體EF上的應(yīng)力“波動(dòng)”現(xiàn)象可分析得出：圖4所示的儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒單元之間接觸力所呈現(xiàn)的“拱形”分布狀態(tài)極不穩(wěn)定，從而使得物料顆粒呈連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)，不斷破壞著整個(gè)儲(chǔ)料斗-物料體系統(tǒng)的內(nèi)部平衡。

由圖6可知，當(dāng)儲(chǔ)料斗底部的出口(墻體AB)在t≈0.1 s時(shí)刻被移除之后，物料顆粒單元之間接觸點(diǎn)上的累計(jì)摩擦能呈單調(diào)增大的變化趨勢(shì)，這說明物料顆粒單元之間呈連續(xù)滑動(dòng)狀態(tài)。

以上分析表明，由于物料顆粒體與儲(chǔ)料斗側(cè)壁墻體之間為無摩擦狀態(tài)，整個(gè)儲(chǔ)料斗-物料顆粒體系統(tǒng)呈現(xiàn)出極不穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)。隨著儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒的不斷流動(dòng)，位于儲(chǔ)料斗上部區(qū)域的物料顆粒單元之間的接觸力分布沒有形成“拱形”的可能性。由此可見，如果儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)繼續(xù)“循環(huán)”，儲(chǔ)料斗內(nèi)的物料顆粒體一定能夠全部卸除流出，最終成為空的儲(chǔ)料斗。

圖4 開始卸料之后儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)(無摩擦條件下)

圖5 施加在伺服控制墻體上的應(yīng)力隨時(shí)間的演變過程(無摩擦條件下)

圖6 物料顆粒之間接觸點(diǎn)上累積摩擦能隨時(shí)間的演變過程(無摩擦條件下)

2.2 有摩擦條件下儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)特性分析

為了模擬物料顆粒與墻體之間的摩擦狀態(tài)，在程序中設(shè)定物料顆粒體單元之間的摩擦因數(shù)，以及物料顆粒體單元與墻體單元之間的摩擦因數(shù)分別為2.6和2.6；以此實(shí)現(xiàn)物料顆粒體與儲(chǔ)料斗側(cè)壁墻體之間有摩擦條件下，儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)及其流動(dòng)特性分析[8-10]。初始狀態(tài)下儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)見圖7～10。程序經(jīng)過另一個(gè) 10 000次周期性循環(huán)運(yùn)行之后達(dá)到該狀態(tài)。

由圖7可知，程序?qū)⑽锪项w粒體與儲(chǔ)料斗側(cè)壁墻體之間設(shè)定較高的摩擦值，使得物料顆粒體內(nèi)部產(chǎn)生“鎖閉”效應(yīng)，在儲(chǔ)料斗底部開口的正上方位置區(qū)域形成了物料顆粒單元之間的接觸力“拱形”分布，阻止了更多的物料顆粒從儲(chǔ)料斗底部開口流出。

由圖8、9可知，物料顆粒單元之間的接觸力“拱形”分布的穩(wěn)定性，又體現(xiàn)在伺服控制墻體的應(yīng)力和速度上。當(dāng)儲(chǔ)料斗底部的出口(墻體AB)在t≈0.1 s時(shí)刻被移除之后，伺服控制墻體上的應(yīng)力值和速度值均有所波動(dòng)。隨著儲(chǔ)料斗底部開口的正上方位置區(qū)域的物料顆粒接觸力“拱形”分布的進(jìn)一步發(fā)展，以及物料顆粒體中“鎖閉”效應(yīng)的產(chǎn)生，伺服控制墻體EF上的應(yīng)力等于目標(biāo)應(yīng)力5 MPa，而其向下移動(dòng)的速度趨于零，這表明物料顆粒已停止向下流動(dòng)。

由圖10可知，當(dāng)儲(chǔ)料斗底部的出口(墻體AB)在t≈0.1 s時(shí)刻被移除之后，同時(shí)，在儲(chǔ)料斗底部開口的正上方位置區(qū)域，物料顆粒接觸力的“拱形”分布已經(jīng)形成，物料顆粒單元之間接觸點(diǎn)上的累計(jì)摩擦能呈單調(diào)增加的變化趨勢(shì)；當(dāng)儲(chǔ)料斗底部開口的正上方位置區(qū)域的物料顆粒接觸力“拱形”分布呈穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，物料顆粒單元之間接觸點(diǎn)上的累計(jì)摩擦能不再變化。

以上分析表明，由于物料顆粒體與儲(chǔ)料斗側(cè)壁墻體之間的摩擦因數(shù)值較高，整個(gè)儲(chǔ)料斗底部開口的正上方位置區(qū)域的物料顆粒接觸力呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)的“拱形”分布，從而在物料顆粒體中產(chǎn)生“鎖閉”效應(yīng)，導(dǎo)致儲(chǔ)料斗內(nèi)的物料顆粒流動(dòng)僅發(fā)生在卸料的初始階段；當(dāng)儲(chǔ)料斗底部開口的正上方位置區(qū)域的物料顆粒接觸力形成穩(wěn)定狀態(tài)的“拱形”分布時(shí)，儲(chǔ)料斗內(nèi)的物料顆粒就會(huì)停止流動(dòng)，最終導(dǎo)致絕大部分物料顆粒殘留在儲(chǔ)料斗內(nèi)，造成物料的浪費(fèi)。

圖7 初始狀態(tài)下儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)(有摩擦條件下)

圖8 施加在伺服控制墻體上的應(yīng)力隨時(shí)間的演變過程(有摩擦條件下)

圖9 伺服控制墻體向下移動(dòng)速度隨時(shí)間的演變過程(有摩擦條件下)

圖10 物料顆粒單元之間接觸點(diǎn)上累積摩擦能隨時(shí)間的演變過程(有摩擦條件下)

3 儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的“核心流”與“塊狀流”對(duì)比分析

在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于儲(chǔ)料斗底壁與水平面之間所夾底角的角度問題，在卸料過程中，有可能會(huì)引起儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體呈現(xiàn)出“核心流”或“塊狀流”兩種流動(dòng)狀態(tài)[8,11-13]。儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的“核心流”與“塊狀流”二者之間的差異性，主要體現(xiàn)在其流動(dòng)方式有所不同。顧名思義，“核心流”是指從儲(chǔ)料斗底部出口流出的物料顆粒主要來自于儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的中心區(qū)域，在“核心流”狀態(tài)下，物料顆粒體以“管道”方式流出，“核心流”現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在淺底壁、小角度的儲(chǔ)料斗卸料過程中。這種淺底壁、小角度的儲(chǔ)料斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有可能會(huì)導(dǎo)致在儲(chǔ)料斗底部的邊側(cè)位置存在無物料顆粒流動(dòng)的“死角”區(qū)域，即當(dāng)卸料結(jié)束后，儲(chǔ)料斗底部的邊側(cè)位置仍滯留有一部分物料顆粒，無法被排至儲(chǔ)料斗底部的開口之外。在工程實(shí)踐中，應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)“核心流”現(xiàn)象，以防止造成大量的物料浪費(fèi)?！皦K狀流”是指在卸料過程中，儲(chǔ)料斗內(nèi)的所有物料顆粒均處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的應(yīng)力分布不允許“管道”流動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)，因此，在“塊狀流”狀態(tài)下，儲(chǔ)料斗內(nèi)的所有物料顆粒均會(huì)被全部卸除排出。

由于儲(chǔ)料斗具有幾何對(duì)稱性，因此在對(duì)儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的“核心流”與“塊狀流”進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，利用二維顆粒流程序(PFC2D)對(duì)儲(chǔ)料斗的計(jì)算模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，只采用了1/2平面模型，其精度滿足離散元數(shù)值分析的相關(guān)要求。為了監(jiān)測(cè)儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒的流動(dòng)狀態(tài)，在構(gòu)建儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的“核心流”與“塊狀流”的計(jì)算模型時(shí)，對(duì)位于水平位置的物料顆粒單元施加了較深的顏色，并對(duì)相對(duì)應(yīng)的物料顆粒體單元添加了流動(dòng)標(biāo)記(見圖11～18)。

3.1 儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體“核心流”的流動(dòng)特性分析

為了分析儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體出現(xiàn)“核心流”時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)及流動(dòng)特性，程序?qū)?chǔ)料斗計(jì)算模型中底壁與水平面之間夾角的角度值設(shè)定為17°，由于其夾角值較小，在卸料過程中會(huì)導(dǎo)致“核心流”發(fā)生。儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的“核心流”流動(dòng)狀態(tài)見圖11～14。

圖11 儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的初始分布狀態(tài)(“核心流”)

圖12 卸料初期儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的分布狀態(tài)(“核心流”)

圖11為“核心流”儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的初始分布狀態(tài)，也是靜止?fàn)顟B(tài)下儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體“核心流”的二維離散元模型。在儲(chǔ)料斗底部的出口打開之前，儲(chǔ)料斗內(nèi)所有的物料顆粒體均處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)發(fā)生“核心流”時(shí)，為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)，程序在物料顆粒體中水平方向的窄帶上標(biāo)記了較深的顏色，除此之外，儲(chǔ)料斗內(nèi)所有的物料顆粒體單元均具有相同的材料屬性。

圖12為卸料初期，“核心流”儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的分布狀態(tài)，即當(dāng)儲(chǔ)料斗中卸除少量物料之后，儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)。由圖12可以看出：在卸料初期，位于儲(chǔ)料斗的幾何對(duì)稱軸附近中心區(qū)域的物料顆粒體具有明顯向下流動(dòng)的趨勢(shì)，但是，在距儲(chǔ)料斗的幾何對(duì)稱軸附近的中心區(qū)域相對(duì)較遠(yuǎn)端位置處，其中標(biāo)記了較深顏色的水平方向窄帶內(nèi)的物料顆粒尚未被擾動(dòng)。

圖14 卸料結(jié)束后儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的分布狀態(tài)(“核心流”)

圖13為卸料過程中，“核心流”儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體呈“管道”流動(dòng)狀態(tài)，即允許卸料之后，儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)。由圖13可以看出：在卸料過程中，儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體以“管道”方式流出，但是，在距儲(chǔ)料斗的幾何對(duì)稱軸附近的中心區(qū)域相對(duì)較遠(yuǎn)端位置處，其中標(biāo)記了較深顏色的水平方向窄帶內(nèi)物料顆粒單元的水平標(biāo)記線仍相對(duì)完整。

圖14為卸料結(jié)束后，“核心流”儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的分布狀態(tài)，即卸料結(jié)束時(shí)，儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的最終狀態(tài)。由圖14可以看出：在儲(chǔ)料斗卸料結(jié)束后，仍有一小部分處于靜止平衡狀態(tài)的物料顆粒滯留在儲(chǔ)料斗內(nèi)，無法被完全卸除掉。

3.2 儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體“塊狀流”的流動(dòng)特性分析

為了分析儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體出現(xiàn)“塊狀流”時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)及流動(dòng)特性，程序?qū)?chǔ)料斗計(jì)算模型中底壁與水平面之間夾角的角度值設(shè)定為45°，在卸料過程中會(huì)導(dǎo)致“塊狀流”發(fā)生。儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的“塊狀流”流動(dòng)狀態(tài)見圖15～18。

圖15 塊狀流儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的初始分布狀態(tài)(“塊狀流”)

圖16 卸料初儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的分布狀態(tài)(“塊狀流”)

圖15為“塊狀流”儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的初始分布狀態(tài)，也是靜止?fàn)顟B(tài)下儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體“塊狀流”的二維離散元模型，其他與“核心流”儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的初始狀態(tài)相同。

圖16為卸料初期，“塊狀流”儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的分布狀態(tài)，即當(dāng)儲(chǔ)料斗中卸除少量物料之后，儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)。由圖16可以看出：在卸料初期，儲(chǔ)料斗內(nèi)所有物料顆粒體的流動(dòng)標(biāo)記線(圖中標(biāo)記了較深顏色的水平方向的窄帶)均發(fā)生移動(dòng)，這說明儲(chǔ)料斗內(nèi)所有的物料顆粒體均在移動(dòng)。

圖17 卸料中儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的分布狀態(tài)(“塊狀流”)

圖18 卸料后期儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的分布狀態(tài)(“塊狀流”)

圖17和圖18分別為程序經(jīng)過 15 000次和 25 000次周期性循環(huán)之后，儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)狀態(tài)。由圖17和圖18可以看出：在整個(gè)卸料過程中，儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的“管道”流動(dòng)均未發(fā)生，儲(chǔ)料斗內(nèi)所有的物料顆粒體都隨著卸料過程而不斷運(yùn)動(dòng)著，并且在卸料結(jié)束后，儲(chǔ)料斗內(nèi)所有的物料顆粒體被全部卸除掉。

4 結(jié)論

1) 儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的流動(dòng)特性分析結(jié)果表明：① 物料顆粒體與墻體之間無摩擦?xí)r，料斗內(nèi)物料顆粒體能不斷流動(dòng)，位于料斗上部區(qū)域的顆粒單元之間的接觸力分布不會(huì)形成“拱形”分布，料斗內(nèi)的物料顆粒體能全部卸除。② 物料顆粒體與墻體之間有摩擦?xí)r，儲(chǔ)料斗上部區(qū)域的物料顆粒接觸力會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的“拱形”分布，物料顆粒流動(dòng)僅發(fā)生在卸料初始階段，由于物料顆粒與墻體之間的摩擦和“拱形”分布，中后階段物料顆粒從料斗底部無法流出。

2) 儲(chǔ)料斗內(nèi)物料顆粒體的核心流與塊狀流對(duì)比分析結(jié)果表明：① 當(dāng)儲(chǔ)料斗底壁與水平面之間的夾角為17°時(shí)，會(huì)導(dǎo)致核心流發(fā)生，料斗內(nèi)的物料顆粒體以“管道”方式流出，當(dāng)料斗卸料結(jié)束后，仍有一小部分處于平衡狀態(tài)的物料顆粒位于“死角”區(qū)域，滯留在料斗內(nèi)無法卸除；② 當(dāng)儲(chǔ)料斗底壁與水平面之間的夾角為45°時(shí)，料斗在卸料過程發(fā)生塊狀流，所有的物料顆粒都隨著料斗的卸料過程而不斷運(yùn)動(dòng)，最終所有的物料顆粒會(huì)被全部卸除。

3) 由以上分析結(jié)果可以得出，在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)儲(chǔ)料斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)解決好兩個(gè)問題：① 合理選擇用于儲(chǔ)料斗制作的優(yōu)質(zhì)基材，以保證物料顆粒體與儲(chǔ)料斗側(cè)壁之間的相互摩擦作用應(yīng)盡可能小一些；也就是說，儲(chǔ)料斗側(cè)壁的內(nèi)表面應(yīng)盡可能光滑一些，以防止在卸料時(shí)產(chǎn)生物料顆粒之間接觸力的“拱形”分布和“鎖閉”效應(yīng)，從而導(dǎo)致儲(chǔ)料斗內(nèi)的物料顆粒不能正常卸除；在卸料結(jié)束之后，應(yīng)及時(shí)清理儲(chǔ)料斗內(nèi)側(cè)壁表面的殘留物，或者采用噴涂隔離劑等措施予以保障；② 合理設(shè)計(jì)儲(chǔ)料斗底壁與水平面之間的夾角值，以防止該夾角值過小(α≤17°)而導(dǎo)致“核心流”發(fā)生。建議儲(chǔ)料斗底壁與水平面之間的夾角值不宜小于45°，以保證在卸料過程中，物料顆粒體的“管道”流動(dòng)現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生；在卸料結(jié)束之后，儲(chǔ)料斗內(nèi)所有的物料顆粒都能被全部卸除而得以應(yīng)用，從而提高工程類物料顆粒材料(瀝青混合料、礦粉、煤渣等)的實(shí)際使用效能。