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基于水平集方法的球谐函数颗粒材料流动特性研究

颗粒材料,球谐函数,离散单元法,水平集方法,流动特性

颗粒流动广泛存在于自然界或工业生产中，而颗粒形状显著影响颗粒材料的流动特性。本文通过球谐函数构造球体和不同球面度的凹形颗粒，并采用水平集方法准确计算球谐函数单元间的接触碰撞作用。水平集方法是将不同形态的球谐单元离散为由一系列点组成的零水平集函数和空间水平集函数，并将单元间的接触问题转化为两个水平集函数间的求解问题。通过将一系列零水平集点代入邻居单元的空间离散水平集函数中进行三线性插值，可确定两个接触单元间的多接触点及作用力。在此基础上，采用该模型进一步研究颗粒形状和料斗角度对颗粒材料流动速率、波动性及流动模式的影响规律。结果表明，随着颗粒球面度和料斗角度的增加，球形和凹形颗粒的流动速率增加，流动波动性降低。与球形颗粒相比，凹形颗粒更容易发生互锁，阻碍颗粒之间的滑动或旋转，从而产生间歇性颗粒流动。此外，颗粒形状和料斗角度对颗粒材料流动模式转变具有叠加影响。