3 实验台模型设计 8

3。1 数值模拟方法简介 8

3。2 数值模拟软件简介 8

3。3 实验模型设计 10

3。4 模型验证 29

3。5 本章小结 30

4 实验研究 32

4。1 实验装置 32

4。2 实验步骤 33

4。3 实验数据及处理 33

4。4 本章小结 35

结 论 36

致 谢 37

参 考 文 献 38

1 绪论

1。1 研究背景及意义

颗粒材料是地球上存在最多，而且是人们最为熟知的物质之一。与生产、生活相关的物 质，比如自然界中的扬尘、积雪、煤炭，生产生活中经常接触的混凝土、加工原料、粮食、 药品等，都以颗粒的形式存在。颗粒材料在工程中有着广泛的应用，或作为原材料和产品， 如食品工业、粉体材料的烧结与制备工程或作为传热、隔热材料，如隔热填充层、耐火材料； 亦或其本身的变化对于物质属性产生影响，如炸药起爆过程、化学工业中的催化剂固化床， 等等。

由于颗粒材料的分散性和颗粒之间相互作用的复杂性，颗粒材料的传热性能也表现出相 当的复杂性，并且受到约束条件、颗粒物性、粒径分布、颗粒温度、间隙介质性质、外界气 氛环境等的影响。由此可见，对颗粒材料的热传导的相关理论和数值模型的研究是工程应用 的迫切要求。论文网

一般情况下，颗粒材料的热传导性能参数可以通过对稳态颗粒集合的试验方法获得。受 实验条件的限制，往往很难考察颗粒材料内部各个体颗粒之间的宏观联系。另一种方法则是 理论研究，通过建立数学模型，借助一系列方程进行求解计算，却也遇到如何建立准确合理 的传热模型的问题。随着各种研究的开展，人们对颗粒材料的认识不断加深，意识到只有建 立颗粒材料的宏观特性与颗粒的尺寸、材料属性及接触处物理属性、空间分布等因素的联系， 才能充分了解其性能[1]。因此，借助数值模拟软件（如：ANSYS、ABAQUS），离散元法等数 值方法便成为模拟不同情况下颗粒材料热传导性能的常用方法，为颗粒材料的热传导研究提 供有效数据。离散元法的基本思想是：把研究对象分离为刚性元素的集合，使每个元素满足 牛顿第二定律，用中心差分的方法求解各元素的运动方程，得到研究对象的整体运动形态。 该方法将颗粒材料内的接触关系解析为对于每两个颗粒之间接触所形成的颗粒接触对的分 析，因此准确地描述颗粒接触对的特性是反映颗粒体性质的关键。基于同样考量，使用离散 元方法来模拟颗粒材料热传导问题的关键也在于对颗粒接触对传热性能的合理描述[1]。

当颗粒特征尺寸小于一定值（本文为 d < 1 mm），颗粒材料的热传导主要通过颗粒与颗粒 之间的接触完成热量的传递。因为当粒径很小时，颗粒之间的间隙很小，其中的对流传热和 辐射传热可以忽略不计。两个名义上互相接触的固体表面，由于接触表面具有粗糙度，实际 上接触仅发生在一些离散的面积元上，而其余未接触的界面之间的间隙往往充满空气等其他 介质。由于间隙介质的导热系数与固体导热系数一般相差很大，因而引起接触面附近热流发生改变，形成对热流的附加阻力，即接触热阻。若忽略间隙的存在，则不存在间隙中的对流 换热和辐射传热，因此，颗粒材料热传导问题的唯一传导途径为颗粒材料的接触热传导。对