考虑漏斗倾角影响的筒仓卸料流态及动态侧压力研究

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筒仓作为一种重要的筒状构筑物,被广泛应用于粮食储藏行业。随着筒仓数量日益增多,筒仓结构的安全设计益发重要。在筒仓结构设计中,选取更为合理的贮料压力值进行验算设计是保证筒仓安全可靠的重要前提。筒仓在卸料过程中动态侧压力远大于静态侧压力,已经被学术界所普遍接受。但是,对于动态侧压力的增大机理和超压现象一直未能达成共识。筒仓在进行中心卸料时,漏斗倾角的差异会影响卸料流态,进而导致动态侧压力的改变。本文依托国家自然基金项目:“基于装卸料过程能量转换的筒仓动态超压机理研究”(51578216),通过室内模型试验、数值模拟以及理论推导等方法,从筒仓卸料流态和结拱原理的角度出发,探究筒仓卸料过程中动态侧压力的增大机理,为筒仓的安全设计提供参考,主要内容如下:(1)室内模型试验选取倾角分别为30度、45度和60度漏斗的有机玻璃筒仓,贮料采用粒径相同的黄豆和黑豆分层铺设。利用土压力传感器测量贮料的侧压力值,并同时记录卸料过程中贮料的流动情况。分别就静态侧压力值和规范值、动态侧压力值进行对比分析,并计算各个测点的超压系数,得到超压系数的最大值和超压分布范围。通过观察卸料过程中分层贮料的流动情况,分析贮料的流态与动态超压的关系。(2)利用颗粒流程序PFC2D建立与试验相同的模型筒仓,并分层生成贮料颗粒。对比模拟得到的静态侧压力与规范值差距不大,在此基础上进行卸料时动态侧压力的测量以及流动情况的记录。根据流态的差异、速度场和力链图的比较,并对比试验结果,进一步研究动态侧压力的增大机理。(3)通过室内模型试验以及数值模拟结果,有以下结论:漏斗倾角的不同并不会影响筒仓侧壁的静态侧压力,动态侧压力随着测点高度的增加而减小;且对于同一测点高度而言,漏斗倾角越小,动态侧压力值越大,超压系数也越大。漏斗倾角不同造成两种流动形式的交界位置不同,流态交界位置与超压显著区域几乎重合,流态变化的差异导致交界位置流速不同,进而导致动态侧压力的增大。(4)根据贮料的流动性和结拱原理,从贮料的流态角度分析筒仓卸料过程中动态侧压力的增大原理。参照试验与数值模拟结果,筒仓在卸料过程中同时存在整体流动和管状流动,两种流动形式交界的位置容易产生承压拱。承压拱的存在会阻碍贮料的正常流动,导致产生的惯性力完全作用在拱体上,进而导致动态侧压力的增大。漏斗倾角的差异主要影响承压拱出现的位置,漏斗倾角越大,承压拱的位置越接近仓壁底部。在此基础上建立方程进行理论分析,得到了动态侧压力的计算公式,并将计算值、试验值和模拟值进行对比,三者结果较为接近。
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