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研究生:林冠瑋
研究生(外文):Kuan-Wei, Lin
論文名稱:以數值方法探討顆粒崩落之內部結構
論文名稱(外文):Numerical Study on the Structure of the Collapses Granular Column
指導教授:戴義欽
指導教授(外文):Yih-Chin, Tai
學位類別:碩士
校院名稱:國立暨南國際大學
系所名稱:地震與防災工程研究所
學門:環境保護學門
學類:環境防災學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:99
中文關鍵詞:PFC2D粒子影像追蹤測速法速度場流動層
外文關鍵詞:PFC2DPIVvelocity fieldflowing layer.
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本研究主要以ITASCA公司出產的軟體PFC2D模擬顆粒流運動的情況。本模擬採用純圓形玻璃珠 ( glass beads ) 直徑2 mm,高×寬 ( 140×120 mm )。團塊顆粒標準砂ottawa sand ( 20-30 ),高×寬 ( 130×80 mm )。越南砂,高×寬 ( shanken sand ) ( 150×80 mm ),其中團塊顆粒顆粒使用團塊邏輯功能 ( clump logic ),目的要讓純圓形的顆粒變成團塊顆粒,讓不規則顆粒的標準砂和越南砂符合模擬要求。
PFC2D能模擬顆粒崩塌時顆粒移動方向,和顆粒崩塌時速度的大小。我們另外使用PIV ( particle image velocimetry ) 系統拍攝顆粒崩落和搭配MATLAB軟體分析,崩落時速度大小及方向。此外,為了要更清楚流動層的厚度,利用PIV系統拍攝得到的照片,再利用MATLAB軟體分析前後兩張照片的值相減,就可以清楚看到顆粒內部流動層和靜止層的自然型態。最後,PFC2D模擬顆粒崩落後的速度場,和使用MATLAB軟體分析觀察實驗流動層的厚度,比較實驗的流動層和模擬PFC2D速度場的差異性。
In this dissertation, we study the flow motion using the commercial discrete element model software PFC2D, by ITASCA Co. Different granular materials are modeled. these include: spherical glass beads of diameter 2 mm, and polygon granules ottawa sand 20-30 and shankan sand .Two-dimensional column collapses are simulated. The initial height-width rations are set to 140×120 mm, 130×80 mm and 150×80 mm for the three kinds of materials respectively. The three-dimensional polygon shapes are achieved by the method called “clump logic” In the software.
Although PFC2D code can simulate the velocities and displacements of individual particles, we cannot easily see the behavior of the overall flowing layer, as from the macro collective point of view, during column collapsing. To assist understandings, experiments are performed. The images of the flows are taken by a high speed camera and analysed by a PIV ( particle image velocimetry ) system and in house developed PTV ( particle tracking velocimetry ) Matlab scheme for flow velocities. The boundary of the flowing layer, on the other hand, it clearly seen by the method of differential images. Comparison between the simulations and measurements are made.
目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
圖目錄 VI
PFC2D之參數符號表 XIV
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究方法 1
1.3 論文架構 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 幾何形狀影響顆粒崩塌研究 3
2.2 數值實驗探討高寬比 ( a=Hi/Wi ) 與崩塌幾何形狀關係 5
2.3 顆粒崩塌結果內部探討 8
2.4 PIV應用於顆粒崩塌之量測 11
第三章 PFC2D理論與背景 12
3.1 背景 12
3.2 PFC2D離散元素法運算過程 13
3.3 PFC2D模型理論 15
3.4 運動定律 ( Law of Motion ) 16
3.5 力與位移定律 ( Force and Displacement Law ) 16
3.6 PFC2D接觸力理論 19
3.7 PFC2D接觸組成模型 ( Contact Constitutive Models ) 20
3.7.1 接觸勁度模型 ( Contact Stiffness Models ) 20
3.7.2 滑動模型 ( The Slip Models ) 20
3.7.3 鍵結模型 ( Bonding Models ) 21
3.7.3.1 接觸鍵結模型 ( The Contact-Bond Model ) 21
3.8 阻尼消能機制 23
3.8.1 局部阻尼 ( Local Damping ) 23
3.8.2 黏性阻尼 ( Viscous Damping ) 24
3.9 PFC2D之團塊邏輯功能 ( Clump Logic ) 25
3.10 PFC2D GUI ( Graphical User Interface ) 操作介面 27
3.10.1 PFC2D繪圖視窗 28
3.10.2 PFC2D Command Window 29
3.11 參數及程式 30
3.11.1 command指令 30
3.11.2 FISH指令 31
3.11.3 FISH 變數的定義 32
3.11.4 FISH變數 34
3.12 PFC2D產生顆粒應用於擴大半徑法定義 34
3.13 PFC2D孔隙率 ( porosity ) 定義 35
3.15 PFC2D使用流程 39
第四章 PFC2D模擬實例 41
4.1 PFC2D模擬顆粒材質在平面上的崩塌實驗 41
4.1.1 實驗設置 41
4.2 顆粒材料 42
4.3 玻璃珠 ( d=2 mm,Hi=140 mm,2Wi=120 mm ) 圓形顆粒模擬 43
4.3.1 玻璃珠 ( d=2 mm,Hi=140 mm,2Wi=120 mm ) 圓形顆粒模擬 50
4.4 越南砂 ( Hi=150 mm,2Wi=80 mm ) 團塊顆粒模擬 52
4.5 ottawa sand ( 20-30 ) Hi=130 mm,2Wi=80 mm團塊顆粒模擬 57
4.5.1 ottawa sand ( 20-30 ) Hi=130 mm,2Wi=80 mm 團塊顆粒 61
4.6 PFC2D應用於圓盤型顆粒模擬 ( Set Disk On ) 64
第五章 應用PIV於水平面上的顆粒物質崩塌過程 65
5.1 實驗準備-顆粒砂 65
5.2 實驗材料 65
5.3 攝影器材 66
5.3.1 高速攝影機 ( High Speed Camera ) 66
5.3.2 輔助器材 67
5.3.2.1 空氣壓縮機和空氣乾燥機 67
5.3.2.2 輔助攝影設備 68
5.3.2.3 數位量角器 69
5.3.2.4 三向雲台 69
5.4 實驗步驟 70
5.5 水平面上顆粒物質崩塌應用於PIV速度場量測 71
5.5.1顆粒崩落時速度場大小 ( 標準砂20-30,Hi=130 mm,2Wi=80 mm ) 73
5.5.2顆粒崩落時速度場大小 ( 標準砂30-50,Hi=110 mm,2Wi=120 mm ) 75
5.5.3顆粒崩落時速度場大小 ( 玻璃珠 d=2 mm,Hi=140 mm,2Wi=120 mm ) 77
5.5.4顆粒崩落時速度場大小 ( 越南砂,Hi=150 mm,2Wi=80 mm ) 79
5.6 顆粒崩落後流動層移動情況 81
5.6.1 標準砂 ( 20-30 ),Hi=130 mm,2Wi=80 mm 81
5.6.1.1 標準砂 ( 20-30 ), Hi=130 mm,2Wi=80 mm應用於PFC2D模擬速度場 84
5.6.2 標準砂 ( 30-50 ) ,Hi=110 mm,2Wi=120 mm 86
5.6.3 玻璃珠 d=2 mm ( Hi=140 mm,2Wi=120 mm ) 88
5.6.3.1 玻璃珠d=2 mm, Hi=140 mm,2Wi=120 mm應用於PFC2D模擬速度場 90
5.6.4 越南砂 ( Hi=150 mm,2Wi=80 mm ) 92
5.6.4.1 越南砂,Hi=150 mm,2Wi=80 mm應用於PFC2D模擬速度場 94
第六章 結論與建議 96
6.1 結論 96
6.2 建議 97
參考文獻 98
參考文獻
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