方江龍 王小鵬 陳天寧 李連升

摘要：

為了研究顆粒進(jìn)入對(duì)流狀態(tài)時(shí)非阻塞性顆粒阻尼（NOPD）的能量耗散機(jī)理，引入顆粒流理論建立NOPD能量耗散的解析模型。借助離散單元法（DEM）初步研究了阻尼器內(nèi)部顆粒的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，引入普朗特混合長(zhǎng)度理論對(duì)稠密顆粒流本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行修正；借鑒振蕩流理論最終得到NOPD的能量耗散解析模型。研究結(jié)果得到NOPD能量耗散率隨顆粒參數(shù)變化的一般規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，搭建NOPD能量耗散功率測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)NOPD的能量耗散功率進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了上述模型的正確性。研究結(jié)果進(jìn)一步揭示了顆粒處于對(duì)流狀態(tài)時(shí)NOPD能量耗散機(jī)理，為NOPD的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞： NOPD； 顆粒對(duì)流； 稠密顆粒流； 能量耗散模型

中圖分類號(hào)：O328

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1004-4523（2016）03-0371-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2016.03.001

引言

NOPD是將金屬或者非金屬顆粒按一定的填充比填充到空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)，通過(guò)顆粒與顆粒以及顆粒與腔壁之間的碰撞和摩擦作用，來(lái)耗散振動(dòng)能量，從而起到減振目的[1]。與傳統(tǒng)的阻尼技術(shù)，如摩擦阻尼、黏彈性阻尼等相比，NOPD的減振效果不受溫度、腐蝕、老化等因素的影響，因而能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境[2]。這一技術(shù)最早由Panossia提出，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)被成功應(yīng)用于航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)分流葉片、齒輪機(jī)組、捆鈔機(jī)等不同結(jié)構(gòu)中[3-4]。但由于NOPD的能量耗散機(jī)理復(fù)雜，而且在不同的振動(dòng)條件下，阻尼器內(nèi)部顆粒存在明顯的流變行為[5-6]。因而目前對(duì)NOPD的研究仍以實(shí)驗(yàn)分析和簡(jiǎn)單模型的仿真計(jì)算為主，并未有一個(gè)統(tǒng)一的理論模型來(lái)描述其耗能機(jī)理，并指導(dǎo)其在不同工況下的應(yīng)用，從而限制了NOPD的應(yīng)用范圍。

現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，NOPD受到振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，隨著振動(dòng)強(qiáng)度的提高，阻尼器內(nèi)部顆粒從類固態(tài)進(jìn)入類液態(tài)，并最終進(jìn)入類氣態(tài)。當(dāng)顆粒處于類固態(tài)時(shí)，顆粒處于整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)可以將顆粒阻尼當(dāng)做黏彈性阻尼來(lái)研究，得到黏彈性阻尼比等參數(shù)[7-8]。當(dāng)顆粒處于類液態(tài)，振動(dòng)強(qiáng)度超過(guò)一定的臨界強(qiáng)度時(shí)，顆粒流進(jìn)入湍流狀態(tài)，此時(shí)可以使用湍流理論中的Kolmogorov假設(shè)來(lái)描述顆粒流的能譜密度和速度相關(guān)函數(shù)，進(jìn)而得到NOPD的湍流耗散模型[9]。隨著外界振動(dòng)強(qiáng)度的進(jìn)一步提高，顆粒之間的能量傳遞以及質(zhì)量輸運(yùn)開(kāi)始有顆粒之間的碰撞主導(dǎo)，此時(shí)顆粒進(jìn)入類氣態(tài)。當(dāng)顆粒進(jìn)入類氣態(tài)時(shí)，可以將阻尼器內(nèi)部顆粒的運(yùn)動(dòng)與稠密氣體分子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行類比，使用動(dòng)理論建立NOPD的能量耗散模型[10]。總的來(lái)說(shuō)，由于振動(dòng)顆粒流流變特性的存在，目前所建立的NOPD的能量耗散模型都是針對(duì)顆粒處于特定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)所建立的，要建立一個(gè)統(tǒng)一的模型來(lái)描述顆粒處于不同相時(shí)NOPD的能量耗散機(jī)理是十分困難的。一個(gè)可行的方法就是針對(duì)不同相的顆粒建立不同的能量耗散模型，并根據(jù)顆粒阻尼器的實(shí)際工況來(lái)選擇合適的模型。本文借助離散單元法初步研究了阻尼器內(nèi)部顆粒在振動(dòng)激勵(lì)下的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，并引入普朗特混合長(zhǎng)度理論對(duì)稠密顆粒流本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了修正，得到顆粒進(jìn)入對(duì)流運(yùn)動(dòng)時(shí)的本構(gòu)關(guān)系，最終建立了NOPD的能量耗散模型。該模型的確定，不僅明確了NOPD能量耗散率與阻尼器參數(shù)如顆粒材料密度、外界振動(dòng)強(qiáng)度等的定量關(guān)系，還得出了NOPD能量耗散率在阻尼器內(nèi)部的分布情況。本文所得到的理論模型與仿真及實(shí)驗(yàn)規(guī)律具有較好的一致性，為理解NOPD的耗能機(jī)理，指導(dǎo)其在不同工況下的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

6結(jié)論

本文使用離散單元方法初步研究了NOPD內(nèi)部顆粒在振動(dòng)激勵(lì)下的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上引入顆粒流一般本構(gòu)關(guān)系，并使用普朗特混合長(zhǎng)度理論對(duì)其修正，最終建立NOPD能量耗散的理論模型。該模型不僅得到了NOPD能量耗散率隨顆粒參數(shù)以及振動(dòng)強(qiáng)度的一般規(guī)律，還明確了阻尼器內(nèi)部不同區(qū)域耗能功率的差異。研究結(jié)果表明，靠近阻尼器腔壁的顆粒較中心位置處的顆粒消耗更多的能量；阻尼器底部的顆粒較表層顆粒有更高的能量耗散率。通過(guò)對(duì)NOPD在不同振動(dòng)條件下的能量耗散功率進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了本文模型的正確性。該模型的提出不僅能夠進(jìn)一步揭示NOPD的耗能機(jī)理，也為NOPD的參數(shù)設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)，并為提高NOPD的減振效果提供了一種新的途徑。

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