筒仓卸料流态的发生机理及卸料压力研究

In silo structural design, the emptying pressure applied onto wall of silos during discharging is usually the control stress. The emptying pressure is closely related with flow patterns. Different flow pattern result in different emptying pressure. This project aims to study the mechanism of flow pattern and the induced emptying pressure on wall of silos through model test, numerical simulation and theoretical study. The main content of this project is as follows. (1) Model test. Based on model tests, the evolution of flow pattern and the induced emptying pressure on wall of silos will be studied. (2) Numerical simulation .Using the experimental verified DEM model to study the behavior of the particle system, including the kinestate of particles, the interaction between particles and interaction between particle and wall of silos. Further, to explore how the particle behavior influence the flow pattern and the wall pressure. (3) Theoretical study. Considering the result of model tests and numerical simulations, the simplified calculation model and practical calculation method of emptying pressure will be proposed. The research aims to complete the flow pattern and the theory of wall pressure during silo discharge. Furthermore it is expected to provide experimental and theoretical basis for silo design.

筒仓卸料时贮料作用在仓壁的卸料压力通常是筒仓结构设计的控制应力。卸料压力与贮料的流态密切相关，流态不同作用在仓壁上的卸料压力也不相同。本课题拟通过模型试验、数值模拟和理论研究的方法，结合细观颗粒体系的力学行为与宏观表现，对筒仓卸料中贮料流态的发生机理以及引发的仓壁卸料压力进行研究。具体研究内容包括：（1）模型试验。从宏观层次，通过模型试验研究卸料中流态的演化过程，研究流态引发的仓壁卸料压力分布；（2）数值模拟。建立筒仓卸料的离散元数值模型，从细观层次，研究颗粒体系的运动机制，探讨流态的发生机理；研究颗粒体系的传力行为和力链网络演化，探讨卸料压力分布规律。进一步系统的研究影响流态及卸料压力的众多因素。（3）理论研究。基于模型试验和数值模拟结果，提出卸料压力的简化计算模型和实用计算方法。研究成果可以完善筒仓流态和贮料压力理论，为筒仓结构设计提供试验依据和理论支持。

筒仓卸料时，内部贮料的流动对仓壁产生的压应力为筒仓结构设计的控制应力。卸料时流态不同产生的仓壁压应力也不相同。为研究这一问题，自主设计了一种新型的筒仓试验模型，该试验模型利用对称性原理可以观测内部流态的演变，通过嵌入式压力传感器量测仓壁和仓底压应力变化过程。通过模型试验，精细化研究了仓壁压应力在卸料瞬间、卸料初期、以及整个卸料过程的波动性，得出卸料初期为筒仓结构设计的关键期，在该时期，贮料施加在仓壁上的压应力有最大的超压系数3.1。基于模型试验，提出了不同流态的发生机理，并将流态分区为流动区和静止区，研究了不同区域内贮料的力学和运动学特性，以及不同区域施加在仓壁上的压应力分布规律。用模型试验验证过的数值模型，研究了卸料口附近仓底压应力的分布规律，证实了“拱效应”的存在。进一步的系统的研究了众多参数如筒仓径高比、贮料密实度、仓壁摩擦和贮料粒径等对流态和卸料压力的影响。最终基于模型试验结果给出了实用的仓壁超压系数计算方法。