基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法与流程

技术特征：
1.一种基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，其特征在于，所述基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法包括：制备二维循环剪切试验装置；通过所述二维循环剪切试验装置，对矿岩颗粒开展颗粒的循环剪切试验；使用图像采集设备，对每次循环剪切运动结束后，所述二维循环剪切试验装置内所装填的矿岩颗粒的堆积状态图像进行采集和记录；对所采集的图像进行处理，提取出图像中所有颗粒的位置和轮廓信息；基于提取的所有颗粒的位置和轮廓信息，计算细小颗粒穿流特性参量，对细小颗粒穿流特性进行定量化分析，得到循环剪切过程细小颗粒的穿流规律；基于提取的所有颗粒的位置和轮廓信息，计算颗粒体系结构表征量，对颗粒体系结构进行定量化表征，得到循环剪切过程颗粒体系结构的演化规律；利用预设的相关性分析算法，定量表征所述颗粒体系结构表征量与所述细小颗粒穿流特性参量之间的关联性，以揭示矿岩颗粒体系的结构特征与细小颗粒的穿流特性之间的关联机制。2.如权利要求1所述的基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，其特征在于，所述二维循环剪切试验装置包括：剪切机构、驱动机构以及控制机构；其中，所述剪切机构包括上平行板、下平行板、第一剪切侧板、第二剪切侧板、前钢化玻璃板、后钢化玻璃板及加压盖板；其中，所述上平行板与所述下平行板平行分布，所述上平行板上沿水平方向开设有多个第一通孔，所述下平行板上沿水平方向开设有多个第二通孔；所述第一剪切侧板一端通过所述第一通孔与所述上平行板铰接，另一端通过所述第二通孔与所述下平行板铰接，所述第二剪切侧板一端通过所述第一通孔与所述上平行板铰接，另一端通过所述第二通孔与所述下平行板铰接，且所述第一剪切侧板与所述第二剪切侧板平行分布；所述前钢化玻璃板和所述后钢化玻璃板分别设置在所述剪切机构的前后侧；所述加压盖板放置于所述第一剪切侧板与第二剪切侧板之间；所述第一剪切侧板、第二剪切侧板、前钢化玻璃板、后钢化玻璃板、下平行板以及加压盖板组成用于容纳矿岩颗粒的封闭空间，所述第一剪切侧板与所述第二剪切侧板的内侧均为波浪线；所述加压盖板用于向所述封闭空间内部装填的颗粒施加恒定的垂直压力；所述驱动机构包括驱动杆、滚珠丝杠直线滑台、伺服电机以及交流电源；其中，所述驱动杆一端通过所述第一通孔与所述上平行板铰接，另一端通过所述第二通孔与所述下平行板铰接；所述控制机构和所述伺服电机均与所述交流电源电连接，所述伺服电机通过所述滚珠丝杠直线滑台与所述驱动杆传动连接，在所述控制机构的控制下，所述伺服电机驱动所述滚珠丝杠直线滑台作直线运动，以带动所述驱动杆运动，使得所述剪切机构做循环剪切运动。3.如权利要求2所述的基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，其特征在于，所述驱动杆的中部开设有一矩形滑槽；所述滚珠丝杠直线滑台包括丝杠和穿设在所述丝杠上的滑台，所述滑台的侧面设置有滑动杆，所述滑动杆穿设在所述矩形滑槽中；所述伺服电机与所述丝杠传动连接，在所述伺服电机的驱动下，所述滑台沿所述丝杠作直线运行。
4.如权利要求2所述的基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，其特征在于，所述控制机构为可编程控制器。5.如权利要求2所述的基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，其特征在于，通过所述二维循环剪切试验装置，对矿岩颗粒开展颗粒的循环剪切试验，包括：将待研究的矿岩颗粒材料填装到所述二维循环剪切试验装置内，通过所述控制机构调整剪切参数，使所述驱动机构带动所述剪切机构对矿岩颗粒材料进行往复循环剪切运动；其中，所述剪切参数包括剪切角度和剪切应变率。6.如权利要求5所述的基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，其特征在于，所述将待研究的矿岩颗粒材料填装到所述二维循环剪切试验装置内，包括：先在所述二维循环剪切试验装置内部下方填装一定高度的预设类型的第一矿岩颗粒，然后再在所述第一矿岩颗粒的最上层添加一层预设类型的第二矿岩颗粒；其中，所述第一矿岩颗粒的粒度大于所述第二矿岩颗粒的粒度。7.如权利要求1所述的基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，其特征在于，所述细小颗粒穿流特性参量包括：细小颗粒的穿流率和穿流速率；所述对细小颗粒穿流特性进行定量化分析，包括：对循环剪切过程颗粒体系中细小颗粒的穿流率和穿流速率的最小值、最大值、平均值和分布频率进行统计分析。8.如权利要求1所述的基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，其特征在于，所述颗粒体系结构表征量包括：颗粒体系的空隙率、配位数、局部堆积密度、各向异性系数和键取向序参数；所述对颗粒体系结构进行定量化表征，包括：对每次循环剪切结束后颗粒体系的空隙率、配位数、局部堆积密度、各向异性系数、键取向序参数最小值、最大值、平均值和分布频率进行统计分析。9.如权利要求8所述的基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，其特征在于，所述空隙率α，根据公式(1)计算得到：其中，s
a
为颗粒体系的总空隙面积，s
l
为包含空隙在内颗粒体系的总面积；所述配位数的计算方式为：统计与中心颗粒直接接触的颗粒数量；所述局部堆积密度φ的计算方式为：根据颗粒体系的位置和轮廓信息，利用不规则voronoi剖分算法算出每一个颗粒的voronoi元胞，提取出颗粒的面积和所属voronoi元胞面积，再计算局部堆积密度φ，计算公式如式(2)所示：其中，s
p
为单个颗粒的面积，s
voro
为颗粒所属的voronoi元胞的面积；所述各向异性系数的计算方式，包括：计算出每个voronoi元胞的minkowski张量计算公式如式(3)所示：
其中，s表示对voronoi元胞的表面积积分，表示向量的直积，r表示某点到粒子质心的矢量，n(r)表示r处的表面法向量；a表示voronoi元胞的表面积；定义各向异性系数β为：其中，η1、η2为minkowski张量的特征值；所述键取向序参数的计算公式如下：所述键取向序参数的计算公式如下：所述键取向序参数的计算公式如下：其中，q
lm
(i)表示颗粒i的局部张量键取向序参数；n
i
表示颗粒i的邻接颗粒数目；j表示颗粒i的某个邻接颗粒j；表示球面谐波函数；θ
ij
，分别表示空间向量ij在球坐标系中的极角和方位角；q
l
(i)表示q
lm
(i)的二阶旋转不变量，-l≤m≤l；w
l
(i)表示q
lm
(i)的三阶旋转不变量；l，m1，m2，m3为wigner 3-j符号，-l≤m1，m2，m3≤l；l＝2，4，6，8，10。10.如权利要求1所述的基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，其特征在于，所述预设的相关性分析算法为person相关系数法。

技术总结
本发明公开了一种基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，包括：制备二维循环剪切试验装置；通过制备的循环剪切试验装置，开展颗粒的循环剪切试验；使用图像采集设备，对每次循环剪切运动结束后，循环剪切试验装置内所装填的矿岩颗粒的堆积状态图像进行采集和记录；对采集的图像进行处理，提取所有颗粒的位置和轮廓信息；基于图像处理结果，计算细小颗粒穿流特性参量以及颗粒体系结构表征量；利用相关性分析算法，定量表征颗粒体系结构表征量与细小颗粒穿流特性参量之间的关联性。本发明克服了现有研究手段的不足，能够揭示矿岩颗粒体系结构特征与细小颗粒穿流特性之间的关联机制，为细小矿岩颗粒穿流特性研究提供了一种新的方法。性研究提供了一种新的方法。性研究提供了一种新的方法。


技术研发人员：孙浩 韦立昌 金爱兵 刘美辰 贾俊泽
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2021.11.08
技术公布日：2022/1/6