振动对生物材料密实度之影响机制

　　振动对生物材料密实度之影响机制第一章绪论1.1课题的研究背景及意义随着社会的发展，人类对化石燃料（比如煤炭、石油）的需求量也越来越大，而这些化石燃料储量有限并且不可再生，如果按照现在的消耗速度，它们将很快被使用殆尽。并且，伴随着化石燃料的过度使用，环境的污染也变得日益严重。为了减轻资源和环境的压力，很有必要找到一种可替代的绿色能源。生物能源是一种可再生的绿色能源，它是以农林的废弃物、畜禽的粪便和农作物的秸秆等为原料[1-3]，通过一些技术可以转化为各种形态的能源，这种能源是可再生的并且对环境的污染也较小，也就可以有效地替代这些化石燃料。已有研究表明生物能源的使用可以确保一个国家的能源安全[4]。生物材料的巨大潜力在很多文献中都有涉及[5,6]。比如，在美国土地资源足以满足生物材料的生产，这些生物材料可以代替30%甚至更多的化石燃料的消耗[7]。在中国，一些没有被占用的，可以用来生产生物材料的土地达到35到75万公顷，而且生物材料潜在的产量可达每年6000万吨[5,6]。作为继煤和石油之后的第三大资源，生物能源到现在一直没有被有效的利用，主要原因是由于生物材料的一些缺点，比如密度小、体积大、湿度高等，这些缺点引起了运输和处理过程中巨大人力物力财力的花费[7]，而增大生物材料的密度可以很好地避免这些问题，在增大密度的过程中，一个关键步骤就是对生物材料进行密实化处理。通常，生物材料的密实化主要是通过对材料施加机械力得到的，随着所施加机械力的增加，生物材料的密度也会变得越来越大。由于材料内含有大量的水分、糖分，随着机械力的持续增加，可能会伴随着材料温度的增加、水分蒸发、糖分溶化等，随后再进行冷却，生物体就会变得更加密实。而高频的振动可以使颗粒间的摩擦力变大，生物材料的温度升高更快，更短时间内达到材料的相变温度，所以对振动下颗粒密实机制加以研究是很有必要的。1.2生物材料密实化的研究现状目前，生物燃料大规模、小成本的生产面临着很多障碍[8-10]。一个主要困难就是由于那些未加工的生物材料都具有比较低的密度，在材料的收割、运输、存储上都造成了较高的费用[8,10]。所以提高生物材料的密度在整个生物燃料的生产过程中都起着关键的作用。生物燃料生产的主要步骤如图1.1 所示[11]。首先是对大量的生物材料进行集中收集，比如秸秆、木屑、稻草等等；接下来对它们进行运输和加工处理，这是生物燃料的生产过程中最重要的一个步骤，这一过程要达到既经济又高效的结果目前还面临着很多技术难题，所以对生物材料密实化的研究就变得尤为关键；存储时也涉及到一些技术问题，如果存储不当还可能造成巨大的损失；最后是制成的生物燃料的实际应用，生物燃料不但可以方便的用于民用，经过不断的发展它的用途也会越来越广泛，不但节省了能源使用的经济成本，而且还为人们创造了更多的就业机会。通常，传统的密实化方法包括用螺杆挤出机进行密实，用压力进行制团或者使用锟压机进行密实化处理[12,13]。这些方法通常都用到高温和高压等技术，使得成本变得很高[14,15]。目前，出现了一种通过超声振动制粒的新密实化技术，超声振动制粒技术不需要传统技术的高温和高压就可以得到和传统技术下相当的材料密度[16,17]。第二章离散元法简介2.1引言通常生物材料的密实化是通过施加机械作用力迫使颗粒粘合在一起来实现的。此过程主要有两个阶段。首先，当对较为松散的生物颗粒施加机械作用力时，尺寸不一的颗粒进行重新排列以减少颗粒间的孔隙空间；在第二个阶段，当作用力逐渐增大，颗粒间的空隙几乎已经被其它颗粒填充，这时，颗粒材料主要发生的是弹性形变和塑性形变。离散元法有很多优点[50-52]，例如：在离散元法中可以观测到颗粒运动的细节；其运动方程是封闭的；避免推导复杂的本构方程等等。因此，离散元法已经成为处理散体颗粒问题的重要方法，在岩土力学、治理技术、农业土壤等方面得到了广泛的应用。2.2颗粒接触判断算法 离散元法中，在计算颗粒之间接触力之前，首先要对颗粒之间的接触情况进行判断。最简单的方法就是对系统中的每个颗粒之间进行逐一的判断，而这一判断过程在离散元法的整个计算中占据了相当大的计算量，所以为了提高离散元法的计算效率，在对颗粒进行接触判断之前首先进行颗粒的邻居域搜索。实际上，在本文的模拟中，对于系统中的大部分颗粒来说，颗粒邻居的其它颗粒在有限的时间内变化都是有限的，所以，为了提高计算效率，首先把这些邻居颗粒都搜索出来，然后对这些邻居颗粒与目标颗粒之间的位置关系进行判断，这样就节省了大部分的时间。因此，可以将离散元法中的接触判断分为两步来进行，首先是对目标颗粒的邻居颗粒进行搜索，其次再进行邻居颗粒与目标颗粒之间的解除关系判定。研究者给出了多种邻居搜索方法用于离散元的模拟[40,53]，本节介绍了目前在离散元程序中最常用的邻居搜索方法，网格法和邻居列表法。..第三章静压和振动对生物材料密实化的影响........173.1生物材料密实化的模拟条件.......173.1.1模拟步骤.......173.1.2模拟参数选取....183.2生物颗粒的生成及自由堆积过程....193.3静压对生物材料密实结构的影响....223.4振动对生物材料密实结构的影响....273.5屈服极限对压强的影响......313.5.1轴向压强比较分析.....313.5.2侧向压强比较分析.....323.6本章小结......34第四章振动对生物材料温度的影响....374.1振动作用下颗粒温度的实验测定....374.1.1实验装置.......374.1.2实验结果.......384.2热传导的基本理论....384.3振动对颗粒温度的影响......424.4本章小结......48第五章总结与展望........495.1论文主要工作及结论.....495.2论文展望......50第四章振动对生物材料温度的影响4.1振动作用下颗粒温度的实验测定振动作用下颗粒温度的实验测定装置如图4.1所示。如图所示，热电偶分别测量三个不同位置的颗粒温度，T1表示顶层颗粒的温度，T2表示中间层颗粒的温度，T3表示底层颗粒的温度，三个热电偶分别与温度计连接，将所测得的温度输入电脑，电脑实时记录实验中所测得的数据。图4.2为实验过程中热电偶所测得的各层颗粒温度随时间的变化曲线。超声振动作用125s，由图4.2 可以看出，最高层颗粒温度（T1）、中间层的颗粒温度（T2）、最底层颗粒温度（T3）的变化趋势基本一致，在各个曲线初始阶段，振动作用过程中T1和T2基本相同，但是都高于T3，随着振动作用时间增加，T2逐渐高于T1，且增加幅度远远大于T1与T3的增加幅度。振动加载结束以后，由于生物材料与外界的热传导作用，各层颗粒温度都逐渐下降，最后都趋于未加载真动作用时的初始温度。.结论本文首先对离散元法进行了详细的介绍，然后自行编写了生物材料密实化的离散元法模拟程序，对生物颗粒的生成以及自由沉积过程进行了详细的模拟，并对静压密实和振动密实下生物材料的密实过程分别进行了模拟分析，其次，详细介绍了传热学的基本理论，对振动作用下生物材料温度的变化进行了模拟分析，并讨论了振动频率和振幅对生物材料温度的影响，具体过程如下：(1)根据离散元法建立了生物材料密实化的基本模型，通过对生物材料密实化过程的分析，发现生物材料在密实化的过程中会发生弹性形变和塑性形变，所以在模拟的过程中，接触的颗粒之间会发生弹性接触力和塑性接触力，由此得出了离散元法的本构方程。为了提高模拟的效率，本文还探讨了模拟过程中颗粒接触的判断方法。同时介绍了本构方程中各个参数的计算方法，并列出了模拟所需要的常量参数，最后给出了本文的模拟流程图。(2)基于离散元模拟方法，建立了生物颗粒自由沉积和密实过程的模型。在自由沉积的过程中，所有颗粒在重力的作用下自由下落，并与其周围颗粒发生随机的碰撞，最后达到稳定状态。本文用平均不平衡力、任意一个颗粒的位置变化及其在三个方向上的速度来证实颗粒自由堆积后的稳定状态。