船運鐵精礦流態(tài)化模型試驗的離散元數(shù)值模擬

周　健,杜　強,簡琦薇,李　晨,張智卿,5

(1. 同濟大學土木工程學院,上?！?00092; 2. 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室,上?！?00092;3. 上海工程技術(shù)大學機械工程學院,上?！?01620; 4. 上海出入境檢驗檢疫局,上海　200135;5. 浙江樹人大學城建學院,浙江 杭州　310015)

船運鐵精礦流態(tài)化模型試驗的離散元數(shù)值模擬

周健1,2,杜強1,簡琦薇3,李晨4,張智卿1,5

(1. 同濟大學土木工程學院,上海200092; 2. 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室,上海200092;3. 上海工程技術(shù)大學機械工程學院,上海201620; 4. 上海出入境檢驗檢疫局,上海200135;5. 浙江樹人大學城建學院,浙江 杭州310015)

摘要：采用離散元程序PFC3D對散裝鐵精礦在動力荷載作用下發(fā)生流態(tài)化的室內(nèi)振動臺模型試驗進行數(shù)值模擬,從細觀的角度研究鐵精礦流態(tài)化的演化規(guī)律及內(nèi)在機理。考慮流態(tài)化過程中的非飽和特性,利用微小顆粒模擬水團,通過設(shè)置黏結(jié)模型模擬礦粉顆粒間的基質(zhì)吸力,實時觀察流態(tài)化過程中鐵精礦位移場、水顆粒遷移情況以及細觀組構(gòu)的變化和發(fā)展,并將數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)模型試驗進行對比分析。結(jié)果表明:鐵精礦發(fā)生流態(tài)化的主要原因是水液面的上升;其細觀機理為在動力荷載作用下,鐵精礦細顆粒沿著粗顆?？紫断蛳逻\動和顆粒間水團匯集形成水膜后的向上遷移。

關(guān)鍵詞：鐵精礦;流態(tài)化;數(shù)值模擬;細觀機理;離散元法

鐵精礦的主要運輸方式是散裝海洋運輸,由于其自身含水率加上人為噴水等因素往往導致海運時流態(tài)化風險增高。流態(tài)化的形成,會引起船體傾斜,最終導致沉船事故,造成生命財產(chǎn)重大損失[1]。

流態(tài)化指船運過程中產(chǎn)生搖擺和振動,使得精粉礦發(fā)生水分滲出礦體表面形成自由液面的現(xiàn)象。其形成機理和演化過程比較復(fù)雜,通過宏觀或連續(xù)角度進行研究可能會遇到瓶頸。而結(jié)合離散元數(shù)值模擬,可以從細觀和非連續(xù)的角度出發(fā)進行流態(tài)化演化過程的研究,為揭示船運礦產(chǎn)品流態(tài)化形成機理提供新的研究方法和研究思路。

Gallagher等[2]討論了粒子均勻度、粒徑、相對密度等可能對FMP產(chǎn)生的影響,但并未做深入的分析;周健等[3-4]探討了不同因素對鐵精礦流態(tài)化特性的影響,發(fā)現(xiàn)含水率是影響鐵精礦流態(tài)化的關(guān)鍵因素。Valentino等[5]通過室內(nèi)小模型試驗和DEM相結(jié)合的方法,對斜面上干砂顆粒的流動進行了分析。Tang等[6]利用二維離散元程序模擬了由地震引起的土體滑動,分析過程中考慮了顆粒間的黏結(jié)作用。胡明鑒等[7]采用PFC2D分析降雨作用下松散碎屑物質(zhì)流動過程及其與土體含水率的關(guān)系。Kikuchi等[8]基于Koshizuka等提出的固液流仿真多尺度DEM-MPS方法,修改了拉普拉斯模型和有效截斷半徑算法,修改后的模型可以直接處理小顆粒和大顆粒。Fabio[9]通過在DEM顆粒間增加吸引力來模擬黏性力,基于分子動力學計算方法提出了一種黏性物質(zhì)流動動力特性的數(shù)值模擬方法。 陳小亮[10]采用離散元法對地下結(jié)構(gòu)物周圍砂土層液化進行了數(shù)值模擬研究。

目前國內(nèi)外對于鐵精礦流態(tài)化力學特性的研究較少,采用離散元方法對流態(tài)化進行數(shù)值模擬更是鮮見。本文在前期研究基礎(chǔ)之上,結(jié)合室內(nèi)振動臺模型試驗,采用微小顆粒模擬水,從非連續(xù)和細觀兩方面對鐵精礦流態(tài)化析出水演化過程進行研究。

1室內(nèi)模型試驗

圖1　模型箱示意圖Fig. 1　Sketch of model box

項目試驗參數(shù)相似比尺(模型/原型)基本線性尺寸1/25加速度1土體密度1顆粒1動力特征速度1/5振動時間1/5振動頻率5動孔壓1/25

試驗使用自主設(shè)計的室內(nèi)小型振動臺,通過模型箱的往復(fù)運動來模擬波浪荷載的作用,試驗中采用1 Hz作為激振頻率。模型箱長度66 cm,寬度32 cm,高度40 cm,試驗相似比為1∶25,模擬5.7萬t級散貨船均勻裝艙時的鐵精礦堆載高度。表1給出了該相似比下,基于π定律得出的其他物理參量的相似比。在鐵精礦裝箱過程中,高度方向每隔10 cm設(shè)置一層橫向標志砂,并在鐵精礦中部設(shè)置一層豎向標志砂,振動臺模型箱及鐵精礦模型的正面圖如圖1所示。模型相似關(guān)系及其相似比見表1。

試驗所用鐵精礦產(chǎn)自加拿大,由上海出入境檢驗檢疫局提供。試樣級配曲線見圖2,基本物理參數(shù)如下:不均勻系數(shù)Cu=2.44，曲率系數(shù)Cc=1.13，內(nèi)摩擦角φ=34.5°，最大密度ρmax=3.12 g/cm3，最小密度ρmin=2.56 g/cm3，相對密度Dr=0.33，最大孔隙比emax=0.93，最小孔隙比emin=0.59,滲透系數(shù)k=5.03×10-3cm/s,顆粒相對密度Gs=4.95,干密度ρd=2.72 g/cm3,休止角為34.5°,平均粒徑D50=0.20 mm。

采用上述試驗儀器和試驗材料共進行了16組試驗[3],研究了含水率和加速度對鐵精礦流態(tài)化的影響,試驗結(jié)果見表2。

根據(jù)表2,選取比較有代表性的含水率為10%、加速度為0.3g條件下的試驗進行數(shù)值模擬研究,將數(shù)值模擬與試驗結(jié)果進行對比分析,以期從細觀角度去研究鐵精礦流態(tài)化的機理。

圖2　鐵精礦級配曲線Fig. 2　Grain size distribution curve of iron concentrate ore

試驗編號含水率/%加速度/g密實度是否流態(tài)化180.30.33否280.40.33否380.50.33否490.30.33否590.40.33否680.50.33是7100.20.33否8100.30.33是9100.40.33是10100.50.33是11110.20.33否12110.30.33是13110.40.33是14110.50.33是15120.10.33否16120.20.33是

2模擬方法選擇及模型改進

2.1模擬方法選擇

鐵精礦流態(tài)化過程屬于大變形問題。鐵精礦粉作為一種散粒體介質(zhì),使用基于小變形連續(xù)體假設(shè)的有限元方法不能精確模擬它的運動與破壞。本文選擇顆粒流離散單元法作為數(shù)值模擬方法,是基于這種方法允許顆粒發(fā)生平移、滑移和旋轉(zhuǎn),并且允許顆粒之間發(fā)生接觸分離和形成新接觸,適用于模擬離散顆粒組合體在動態(tài)條件下的變形及破壞過程,因而可以有效模擬流態(tài)化這種大變形問題,還可以實時觀察鐵精礦流態(tài)化過程中顆粒的運動狀況及其細觀組構(gòu)的變化和發(fā)展。

2.2模型改進

三維顆粒流程序(PFC3D)把真實的顆粒抽象為顆粒單元,通過對顆粒單元幾何性狀、接觸模型、邊界條件和若干應(yīng)力平衡狀態(tài)的分析計算,進行時步迭代,使數(shù)值模擬試樣的宏觀力學特性逼近真實材料的力學特性,以達到數(shù)值求解的準確。PFC3D的接觸模型有以下幾種:(a)線彈性或Hertz-Mindlin 模型;(b)滑動模型;(c)黏結(jié)模型。

PFC3D不能直接進行非飽和狀態(tài)下水與礦粉相互作用的模擬。考慮到流體與固體的相互作用,從細觀尺度來講也滿足牛頓力學定律,理論上將水進行離散模擬存在可行性。所以筆者嘗試一種全新的模擬方法:利用微小顆粒來模擬水團。在礦粉顆粒間的孔隙中生成水顆粒,同時在礦粉顆粒間采用接觸黏結(jié)模型和滑動模型近似模擬非飽和狀態(tài)下的基質(zhì)吸力,以此考慮鐵精礦流態(tài)化形成過程中的非飽和狀態(tài),在這基礎(chǔ)之上研究流態(tài)化的細觀機理。

作為一種液態(tài)物質(zhì),水在與礦粉相互作用時表現(xiàn)出了表面張力的影響,為了模擬水的表面張力,在建模時采取了給顆粒設(shè)定黏聚力的方法;考慮到水的不可壓縮性,對水顆粒設(shè)置一定的法向剛度進行模擬;為了模擬水不能受剪應(yīng)力的性質(zhì),將水顆粒之間的切向剛度設(shè)為0。通過不斷調(diào)整與嘗試,發(fā)現(xiàn)當水顆粒大小比土顆粒小一個數(shù)量級時,模擬的效果較好。此時數(shù)值模擬中水顆?？梢暂^好模擬水在礦粉中的滲透遷移現(xiàn)象。

3數(shù)值模擬模型的建立及分析

由于觀測手段和試驗方法的限制,室內(nèi)模型試驗?zāi)艿玫降臄?shù)據(jù)非常有限。相對于室內(nèi)模型試驗,數(shù)值模擬除了可以觀察宏觀破壞現(xiàn)象還能記錄每一點在任意時刻的速度、位移和作用力,并且數(shù)據(jù)記錄操作不會對流態(tài)化過程造成任何影響。采用數(shù)值模擬,可以從細觀的角度研究礦粉顆粒之間以及礦粉顆粒與水顆粒之間的相互作用,是研究鐵精礦流態(tài)化演化過程的一種有效輔助手段。

3.1模型建立

依據(jù)前文所述鐵精礦流態(tài)化室內(nèi)振動臺模型試驗建模并進行分析。在建模過程中考慮礦粉中水的分布以及初始的非飽和狀態(tài)。通過簡化顆粒流數(shù)值模型,分析在動力荷載作用下水顆粒運動情況、礦粉顆粒細觀組構(gòu)等變化規(guī)律,從細觀角度揭示鐵精礦流態(tài)化形成的內(nèi)在機理。

數(shù)值模擬模型箱由六面剛性墻組成，數(shù)值模型的邊界尺寸與振動臺模型箱尺寸一致，為660 mm×320 mm×600 mm。底面墻體摩擦系數(shù)與礦粉顆粒相同，取值為0.5；其他四面墻體模擬模型箱的玻璃前壁和側(cè)壁，摩擦系數(shù)取值為0，忽略墻體對顆粒運動的影響，墻體的細觀參數(shù)見表3。

表3　材料的計算參數(shù)

注：*為底板摩擦系數(shù)。

圖3　振動臺流態(tài)化數(shù)值模擬模型Fig. 3　Fluidization numerical simulation model on vibration table

然后在模型箱內(nèi)生成高度為400 mm的鐵精礦顆粒,為了更直觀地觀察到振動過程中的水分遷移現(xiàn)象,同時體現(xiàn)鐵精礦振動時的非飽和特性,采用微小顆粒模擬水團,水顆粒之間的接觸采用接觸黏結(jié)模型。水顆粒生成區(qū)域為鐵精礦顆粒的孔隙區(qū)域,為了有效地減少運算時間,同時考慮到底部礦砂含水率較低且對流態(tài)化現(xiàn)象影響不大,水顆粒僅在土體高度0.1～0.4 m的范圍內(nèi)生成,如圖3所示(圖中深色為水顆粒,淺色為礦粉顆粒)。

在進行數(shù)值建模時,還不能讓顆粒的所有特性與實際礦粉顆粒相一致。合理的方法是在不影響數(shù)值模擬結(jié)果的前提下,減少數(shù)值模型中顆粒的數(shù)量,即保持數(shù)值模擬試樣的外觀尺寸與室內(nèi)模型試樣相近,適當放大數(shù)值模擬試樣顆粒的平均粒徑,來減少生成的顆粒數(shù)量。數(shù)值試驗中土顆粒的粒徑取值范圍為0.8～1.8 mm,利用PFC3D內(nèi)置函數(shù)按均勻分布粒徑生成試樣,試樣的平均粒徑D50=1.3 mm,以密實度來控制顆粒生成數(shù)量。已有研究表明,當模型尺寸與顆粒的平均粒徑之比不小于30時,可忽略模型中顆粒粒徑的尺寸效應(yīng)[10]。本文建模采用的模型尺寸與顆粒的平均粒徑之比遠遠大于30,因此可以忽略尺寸效應(yīng)。鐵精礦顆粒和水顆粒的細觀計算參數(shù)見表3。

圖4　不平衡力曲線Fig. 4　Curve of unbalanced force

3.2數(shù)值模擬步驟

為了再現(xiàn)鐵精礦流態(tài)化過程中礦粉顆粒和水的位移場、速度場、應(yīng)力場等一系列宏細觀量的變化規(guī)律,將數(shù)值模擬程序劃分為制樣和振動模擬2個步驟：(a)制樣。生成模型箱,然后在模型箱指定范圍內(nèi)生成礦粉顆粒,讓礦粉顆粒在自重作用下沉積達到初始平衡狀態(tài)。圖4為試樣的平均不平衡力曲線,當系統(tǒng)的最大不平衡力與平均不平衡力之比小于0.1%時,認為系統(tǒng)達到初始平衡。礦粉顆粒達到平衡后,在孔隙中生成水顆粒,并為水顆粒設(shè)定黏聚力等參數(shù)。(b)振動模擬。本試驗?zāi)M含水率為10%的工況。對底部和側(cè)面墻體施加正弦循環(huán)的水平速度來模擬振動臺試驗中的動荷載。根據(jù)振動臺室內(nèi)模型試驗,設(shè)定振動頻率為1 Hz,振幅為6 cm(模擬加速度0.3g),振動次數(shù)為600次。振動臺的正弦荷載曲線如圖5所示。設(shè)置輸出和量測函數(shù)提取和分析鐵精礦在振動過程中的運動形態(tài),以及礦粉顆粒和水顆粒的位移矢量分布圖、速度矢量分布圖,研究流態(tài)化的演化過程。

圖5　0.3 g加速度振型曲線Fig. 5　Curve of acceleration of 0.3 g

3.3數(shù)值模擬結(jié)果與分析

由不同振次下鐵精礦顆粒分布圖(圖6)可知,在振動初始階段,礦粉總體發(fā)生沉降,且在頂部最先發(fā)生破壞,不再呈水平分布,而是向模型箱的一側(cè)傾斜,此時水分停留在礦粉內(nèi)部,有部分水分向下遷移,水液面并沒有析出礦粉表面。隨著振動次數(shù)的增加,分散分布的水顆粒在振動作用下相互連接成片,并逐步上升,礦粉表面也逐漸趨于平整。在振動后期,水液面上升至礦粉表面,形成自由液面,流態(tài)化現(xiàn)象形成。

在數(shù)值模擬中,隨著振動次數(shù)的增加,可以觀察到明顯的水顆粒遷移和自由液面的形成,這種流態(tài)化演化形式與室內(nèi)模型試驗的流態(tài)化形態(tài)(圖7)非常相似。

圖6　鐵精礦不同振次時顆粒分布Fig. 6　Particle distributions of iron concentrate ore with different frequencies of vibration

圖7　鐵精礦流態(tài)化試驗現(xiàn)象Fig. 7　Experimental phenomenon of iron concentrate ore fluidization

圖8是鐵精礦顆粒的豎向位移-時間曲線。由圖8可以看出,隨著振動時間的增長,礦粉顆粒的豎向位移呈逐漸下降并趨于穩(wěn)定的趨勢。結(jié)合室內(nèi)模型試驗現(xiàn)象進行分析,在振動初期礦粉顆粒間孔隙較大,由于水分的存在,礦粉整體比較松散,此時水分受重力影響向下遷移。隨著振動的繼續(xù),礦粉逐漸向下沉降密實,最終趨于穩(wěn)定。此時顆粒間的孔隙變小,水分被擠出并不斷向上運動,直到最后析出表層形成自由液面。

圖9是300振次時的顆粒接觸力分布圖。隨著深度的增加,顆粒之間的接觸力逐漸增大,在礦粉中部和頂部,接觸力較小。這也說明了隨著振動的增加,礦粉顆粒逐漸密實,上部顆粒會向下運動,顆粒間的孔隙減小,接觸力增大。在礦粉上部及表面處,由于有大量的水分存在,使得礦粉顆粒間接觸很少或沒有接觸,因此接觸力較小。礦粉顆粒接觸力的分布情況與室內(nèi)振動臺模型試驗結(jié)果相符。

圖8　鐵精礦顆粒豎向位移-時間曲線Fig. 8　Vertical displacement vs. time for iron concentrate ore particles

圖9　鐵精礦顆粒接觸力分布Fig. 9　Contact force distribution of iron concentrate ore particles

通過離散元數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗的流態(tài)化過程基本吻合, 從圖6和圖7的對比可以發(fā)現(xiàn):(a) 在開始振動時,上部土體受到重力及振動密實的作用,產(chǎn)生表層沉降現(xiàn)象,尤其是在靠近側(cè)壁的土體沉降量較大。(b)與室內(nèi)試驗相同,數(shù)值模擬中礦粉的變形沿試樣高度也基本呈線性變化,即距離表層越近的地方,礦粉的變形量越大;由于試樣底部的顆粒與底部墻體摩擦力的作用,使得底部顆粒的運動受到限制,礦粉的變形較小。(c) 礦粉在振動過程中的流態(tài)化演化過程,表現(xiàn)為礦粉顆粒的壓縮和水分的向上遷移,數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗結(jié)果基本一致。

3.4數(shù)值模擬細觀分析

圖10為數(shù)值模擬振動過程中水顆粒的位移矢量分布情況。在振動初期,下部水顆粒受重力和礦粉顆粒下沉的影響向下運動,但向下運動的趨勢較??；上部水顆粒則表現(xiàn)出明顯的向上運動現(xiàn)象,且向上運動明顯，尤其在靠近模型箱兩側(cè)的水顆粒,向上的位移最大。前者在宏觀上的表現(xiàn)為礦粉整體的沉降,而后者則引起水液面的上升。隨著振動次數(shù)的增加,在振動后期,水顆粒的位移主要集中在礦粉表面,且主要表現(xiàn)為水平運動,而礦粉內(nèi)部的水顆粒位移較小。這表明此時已形成流態(tài)化,礦粉表面為自由液面,隨著振動而水平運動。

數(shù)值模型中采用接觸黏結(jié)模型近似考慮顆粒在非飽和狀態(tài)下的基質(zhì)吸力。由于礦粉顆粒間存在黏結(jié)力,使得顆粒間保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。只有振動引起的水顆粒運動克服這種顆粒間的黏結(jié)力,礦粉由非飽和狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)時,才可能產(chǎn)生滑動破壞。由于水顆粒在礦粉中的遷移運動,導致礦粉顆粒間的基質(zhì)吸力減小,顆粒從下往上逐步由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài),在這個過程中顆粒間相互碰撞和摩擦,顆粒速度矢量不斷變化。

圖11為350振次時礦粉顆粒的速度矢量分布圖。從圖11可以看出,礦粉顆粒在振動過程中的運動主要集中在上部,呈現(xiàn)出圓弧狀分布,且主要為水平運動,具有很明顯的流態(tài)化特征。這與室內(nèi)振動臺模型試驗中礦粉的滑動破壞面分布基本一致,上部含水率較高,呈飽和狀態(tài),礦粉隨振動表現(xiàn)為水平剪切運動。

圖10　水顆粒位移矢量分布Fig. 10　Displacement vector distribution of water particles

圖11　鐵精礦顆粒速度矢量分布Fig. 11　Velocity vector distribution of iron concentrate ore particles

由室內(nèi)模型試驗結(jié)果可知,在振動過程中,鐵精礦顆粒骨架被壓縮、孔隙體積減小;同時細顆粒通過粗顆粒間孔隙向下運動、填充下部孔隙,使得下部孔隙中水分被擠出,上部粗顆粒發(fā)生結(jié)構(gòu)重組,孔隙變小,形成致密的粗顆粒骨架[11-12]。

在數(shù)值模擬中,觀測粒徑小于1.0 mm的礦粉顆粒的位移情況可以得出,在振動過程中細顆粒呈現(xiàn)出明顯的向下運動趨勢,且越靠近箱底處細顆粒越多。這說明顆粒的運動規(guī)律主要表現(xiàn)為:細顆粒向下運動,填充下部孔隙,上部粗顆粒結(jié)構(gòu)重組,形成致密的粗顆粒骨架,這一細觀上的顆粒運動過程反映在宏觀上就是滑動面從下往上遷移。同時,結(jié)合水顆粒的位移分析可以看出,引起水分液面遷移的另一原因是細顆粒的運動,表現(xiàn)為細顆粒向下運動,填充下部孔隙,孔隙中水分被擠出,引起水液面上升。

以上分析說明,在對動荷載條件下鐵精礦流態(tài)化的數(shù)值模擬中,除了能較準確再現(xiàn)模型試驗的真實流態(tài)化現(xiàn)象,還能從細觀角度驗證試驗所得的結(jié)果,體現(xiàn)了該方法的可行性和優(yōu)越性。

4結(jié)論

本文利用PFC3D程序,對室內(nèi)振動臺模型試驗進行了數(shù)值模擬,研究了鐵精礦流態(tài)化過程中宏觀試驗現(xiàn)象、位移場變化以及水顆粒和細顆粒的細觀運動規(guī)律,結(jié)合宏細觀規(guī)律,揭示了鐵精礦流態(tài)化的內(nèi)在機理,主要結(jié)論如下：

a. 含水率是影響散裝鐵精礦流態(tài)化形成的關(guān)鍵因素。加速度對含水率低于8%的鐵精礦流態(tài)化形成基本無影響。

b. 鐵精礦流態(tài)化的演化過程包括礦粉壓密、上層礦粉滑動,細顆粒遷移、水液面上升和自由液面的形成。

c. 水液面上升是鐵精礦發(fā)生流態(tài)化的主要原因。水液面上升引起表層鐵精礦強度降低,形成滑動面,導致鐵精礦發(fā)生流態(tài)化。

d. 引起水液面上升的主要原因是鐵精礦的水分和細顆粒的遷移。其細觀運動規(guī)律主要表現(xiàn)為:分散于顆粒間的水團聚集形成水體,沿著顆粒間孔隙向上流動;上部細顆粒向下遷移,填充下部粗顆?？紫?上部粗顆粒骨架結(jié)構(gòu)重新排列。

e. 對鐵精礦流態(tài)化進行離散元數(shù)值模擬,可以得到詳細的礦粉破壞形態(tài)、顆粒運動、位移、速度分布規(guī)律等宏觀和細觀結(jié)果,是研究礦粉流態(tài)化宏觀和細觀機理有利的輔助手段。但是由于計算機的計算效率,采用顆粒放大的方法,對數(shù)值模型進行簡化,使得數(shù)值模擬具有一定的局限性,這還需要對數(shù)值模型進行進一步優(yōu)化與調(diào)整。

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Discrete element numerical simulation of model experiments of iron concentrate ore fluidization during shipping

ZHOU Jian1, 2,DU Qiang1,JIAN Qiwei3,LI Chen4,ZHANG Zhiqing1, 5

(1.CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;3.CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China;4.ShanghaiEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Shanghai200135,China;5.CollegeofUrbanConstruction,ZhejiangShurenUniversity,Hangzhou310015,China)

Abstract:The discrete element program PFC3Dwas used for numerical simulation of a model experiment, which was carried out on an indoor vibration table, in order to study the fluidization of iron concentrate ore in bulk under dynamic loads. The evolution and internal mechanism of the iron concentrate ore fluidization was studied from a mesoscopic perspective. With consideration of the unsaturation during the fluidization process, the water was simulated with small granules and the matrix suction was simulated by setting a bond model between fine granules of ore. The change and development of the displacement field, water particle migration, and mesoscopic fabric were observed during the fluidization process. The results of numerical simulation were compared with those of the model experiment. It was found that the main cause of iron concentrate ore fluidization is the increase of the water level. The mesoscopic mechanisms of fluidization are as follows: under dynamic loads, the fine particles move downwards through the spaces between coarse particles, and the water between the particles that becomes water film flows upwards.

Key words:iron concentrate ore; fluidization; numerical simulation; mesoscopic mechanism; discrete element method

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.03.006

收稿日期：2015-07-01

基金項目：國家公益性基金(201310065)；國家自然科學基金(41272296)；中國博士后科學基金(2013M541544)

作者簡介：周健(1957—)，男，浙江臨海人，教授，博士, 主要從事土動力學、土體細觀力學和離散元數(shù)值分析等研究。E-mail：tjugezhoujian@#edu.cn

中圖分類號：P64

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1980(2016)03-0219-07