基于颗粒流(PFC)的Fish语言编写了二维颗粒流程序,构建了二维混凝土细观模型,采用标定后的PB模型参数,对不同尺寸混凝土的破坏裂纹演化和破坏机理进行分析。模拟结果表明: 混凝土单轴抗压破坏是水泥砂浆界面以及骨料与水泥砂浆交界面裂纹扩张和演化造成的; 不同的尺寸以及随机骨料的分布会对混凝土的峰值应力和破坏模式有一定的影响; 单轴抗压试件内的裂纹起始于水泥砂浆界面,随后以骨料与水泥砂浆的交界面为主开始延伸,并随着载荷增加向混凝土内部发展,到90%峰值抗压强度后,裂纹的延伸速度和增加速度进入突增阶段,主裂纹和水泥砂浆界面的次生裂纹相互作用,呈现出贯穿状,使混凝土试件破坏; 随混凝土尺寸的增大和骨料数量增加,裂缝数量增加,且随混凝土尺寸的减小,裂纹突增的速度与数量比例更大。

针对密集颗粒流速度场分布的测量问题,提出了基于维诺图匹配的粒子跟踪测速法。首先,通过对图像粒子进行维诺图构建,给出面积相似度筛选匹配粒子的条件;其次,引入Delaunay三角网搜索结构,通过计算维诺多边形的形状相似度来匹配粒子;再次,研究了去除错误匹配粒子矢量的方法和匹配算法中的关键参数;最后,通过模拟二维旋转流场运动以及二维转盘中的颗粒流实验对算法进行了测试。结果表明:维诺图匹配的匹配准确率高于DTPTV并且在处理密集粒子匹配效果上更好;维诺图匹配算法适用于测量密集颗粒流速度场分布,颗粒匹配准确率高达99%,并由得到的颗粒流速度场分布验证了算法的有效性。

空间滤波测速法具有结构简单、稳定性好和适用性强等优点, 但传统线阵CCD空间滤波测速法要求CCD阵列方向与待测物体的运动方向一致, 因此不适合测量复杂的流场。针对这一问题, 本文提出了基于面阵CCD相机的空间滤波测速方法。对采集到测量区域的一系列面阵CCD输出图像进行处理, 在图像水平方向和垂直方向分别进行隔行采样, 模拟多狭缝空间滤波特性, 实现了对障碍流颗粒速度的光学非接触式测量。针对复杂流场功率谱密度的特点, 利用能量重心校正频谱提高了系统测量精度。通过调节传送带速度对本系统进行标定, 实现了不同速度下的流速测量, 平均误差小于4%。利用本系统还测量了由玻璃砂模拟的泥石流速度场分布, 最后讨论了空间周期和测量时间对测量结果的影响。结果表明, 采样时间大于0.5 s时, 测量结果趋于稳定, 空间分辨率最小可达1.28 mm。

散斑可见度光谱法是近年来兴起的研究密集颗粒流运动的新方法。针对散斑可见度光谱法测取颗粒温度的实验中,如何消除相干因子测量过程中的误差进行了研究。比较了静态散斑对比度以及散斑对比度系数的计算方法以及消除相干因子的方法,实验测量结果表明,由散斑对比度系数消除相干因子的方法能最大程度地保留测量准确度。该方法能够消除由环境不同及激光不稳定所带来的误差,使得同类实验具有更好的对比性。同时给出了计算量较大导致的时间分辨率较低这一问题的解决方法。

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于颗粒流的直接测量是实现固体物料特性在线监测的有效途径之一。以不同粒径的高纯石英砂为研究对象, 利用高精度的连续给粉机产生稳定连续的石英砂颗粒流。脉冲激光在大气环境下分别激发5组不同粒径的石英砂颗粒流, 研究LIBS直接测量颗粒流时的粒径效应及其修正方法。研究结果表明, 在相同粒径下质量流量小范围波动对激光等离子体光谱强度没有显著影响, 而粒径波动则会引起光谱强度的较强变化, 光谱强度随着粒径的减小而增强。通过分析各粒径的颗粒流在不同光谱信号探测延迟时间下的光谱特性, 发现在2~4 μs的延迟时间区间内, 粒径效应较弱。在此优化延时基础上, 将颗粒流直接激发时同步产生的N谱线作为石英砂组分谱线的内标时, 可以进一步减弱粒径效应, 从而获得可以表征颗粒流基体特性的修正光谱强度。在N元素的各条特征谱线中, 343.76 nm谱线的修正效果最佳。

飞灰含碳量是评价锅炉燃烧效率的重要指标之一, 对其进行在线测量有助于实时进行燃烧优化调整, 从而提高整个机组的经济性和安全性。 利用螺杆式给粉机搭建飞灰颗粒流含碳量测量台架, 将脉冲激光直接作用于飞灰颗粒流, 形成等离子体, 利用激光诱导击穿光谱技术测量飞灰颗粒流中的含碳量信息。 重点研究了激光能量对飞灰颗粒流中未燃碳有效激发和测量的影响规律。 研究结果显示, 在40～130 mJ能量的脉冲激光作用下, 碳谱线强度随着激光能量的增大线性增强, 而其信噪比则先增加后趋于稳定, 无效光谱的剔除率则呈下降趋势。 本实验条件下, 激光能量在90～100 mJ之间, 可得到较强的等离子体发射信号和较优的光谱数据利用率。 因而激光能量与颗粒流的激发状态、 碳元素特征谱线强度等密切相关。 合理的激光能量有利于保证飞灰颗粒流的有效稳定激发, 并获得具有良好信噪比的等离子体光谱信号。

将激光诱导击穿光谱技术(LIBS)应用于煤粉颗粒流的直接检测, 利用自行搭建的颗粒流实验台架重点研究不同收光角度下煤粉颗粒的等离子体光谱特性, 分析煤中具有代表性的C, Si和Al三种元素原子谱线的强度及其相对标准偏差的变化规律, 结果表明收光角度在30°～45°区间时收集到的等离子体信号强且稳定。