"城堡由沙子制成,最终落入大海" - J. Hendrix

在最近一次到外滩的旅行中,我看着孩子们捍卫自己的沙堡免受涨潮的影响,并想知道使这种乐趣变成现实的物理学。诸如沙子之类的粒状材料非常有趣,因为它们并不构成物质的单相,但根据情况的不同,它们可以像液体,固体或气体一样起作用。每个人天生就熟悉沙质的流动性,就像在沙漏中一样。加一点水后,它们作为结构固体的行为就不太为人所知了。更令我着迷的是,在第二次加水后,如泥石流,随后又转变为液体。然而, 液化 通过周期性压缩 流化床 是另一天的主题。

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一项小小的研究(#googling)表明,沙堡是通过相邻颗粒之间形成内聚键而形成的。在干沙中,不存在这样的键,并且每个天下足球都可以自由移动。当添加水时,水填充颗粒之间的空隙,同时也粘附到颗粒表面。由于液体表面张力,所谓的“毛细桥“”是在结构上将它们彼此链接的天下足球之间形成的,这是约瑟夫·路易斯·拉格朗日(Josef Louis Lagrange)于1760年首先研究的现象。

将天下足球保持在一起的力是 本质上是分子间的基本上是由水和沙粒的电荷产生的。在差价合约领域,我们很少涉猎分子水平。相反,我们更喜欢将这些关系抽象到连续统级别的相应数学方程式(或模型),然后可以使用计算机在空间和时间上进行离散化和求解。

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当我从海滩回来时(#workfromhome),我对观看过的潮汐冲走的沙堡感到非常好奇,因此我决定尝试使用最新的离散元素方法(DEM)来模拟这种沙尘行为可用的工具 STAR-CCM +多物理场仿真平台。 DEM是一种用于跟踪和模拟由数千个离散天下足球组成的系统的复杂相互作用的方法。这种相互作用包括摩擦力,接触可塑性,重力,热传递,静电和粘附/内聚力。

在STAR-CCM +中建模内聚力​​的一种方法是通过“平行键”模型。平行键模型使用连接一对键合天下足球的无质量棒的概念。杆可以在颗粒之间传递力和扭矩。在指定的形成时间段内,“平行键”模型用于从碰撞的天下足球形成簇。

随后,可以通过简单的故障模型或汇总损坏模型指定这些键的故障。在简单破坏模型中,承受超过一定阈值的拉应力或剪应力的键会立即断裂。在骨料损坏模型中,由于重复的应力会随着时间的流逝而产生断裂损坏,直到骨料损坏超过此阈值并破坏粘结为止。

DEM_Particles_Initialized_Showing_Regions_And_Interfaces.png

建立我们的DEM城堡将通过在最初受城堡形状限制的天下足球之间形成键来完成。将半湿砂模倒置并取出模具的数字模拟。幸运的是,由于STAR-CCM +中内置了一些非常漂亮的方法,初始化特定几何形状的天下足球并不重要,我们在优化工业设备(如农业喷头,填充床反应器和旋转油)的工作中经常这样做-沙烘干机。这是通过定义两个空间区域来完成的。一个用于城堡,另一个用于其余区域。

首先,区域之间由一个实体分区接口隔开。然后,用部分或晶格类型的天下足球注入器用形成键的天下足球初始化城堡区域。天下足球沉降并形成键之后,该界面将转换为流体界面,从而使流体和天下足球都不受阻碍地通过。

虽然该模拟的第一部分似乎很明显,但是如何用水破坏键更复杂。我们定期使用STAR-CCM +中可用的流体量(VOF)和波浪初始化工具,因此我知道可以轻松处理海浪的创建和模拟。剩下要解决的唯一难题是将粘结失败与颗粒的“润湿性”联系起来。只是为了展示其功能,我们采用了通过简单故障模型实施的简单“如果弄湿了,粘结断裂”的理念。编写了一个场函数,使得如果颗粒被淹没,将在其中发生故障的阈值应力将被设置为0。

虽然不完美,但使用STAR-CCM +中的剧本功能创建的动画非常漂亮,特别是在投入的时间和精力上。

 
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最值得注意的是,为了使此模拟快速又脏(又要在几个小时的时间内在笔记本电脑上运行),我通过使沙粒比实际颗粒大很多来减少了沙粒数量。首先,您会在动画中注意到模型的塔架有些摇摆。这是由于该塔仅具有有限数量的键,并且不像填充有成千上万个这样的键的塔那样严格地受到约束。其次,您可能会注意到,在释放接口之前,一些团块尚未粘合,从而使块掉下来而不会弄湿。我想我应该让他们安顿一点时间。我也很想听听您对这项工作的想法。

我将在15分钟的时间内进行一次互动式网络研讨会演示&要在7月29日展示这些STAR-CCM +功能,请务必收看并学习。使用下面的链接注册。

沙堡城堡在线讲座–离散元素方法(DEM)初始化,流体体积(VOF)和STAR-CCM +中的剧本

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