具有拐彎的槽道顆粒流和雙通道顆粒匯流的實驗與模擬研究.pdf

1、顆粒物質(zhì)是大量離散固體粒子集合而成的物質(zhì)，是自然界中最為普遍的物質(zhì)，物理上屬于復(fù)雜非線性耗散系統(tǒng)，相變現(xiàn)象十分復(fù)雜。由于顆粒物質(zhì)的行為與堆積歷史和排列次序有關(guān)，具有不確定性的特點，其研究存在一定的困難。目前對于許多現(xiàn)象原因的解釋還停留在定性水平，物理本質(zhì)尚不明確。在顆粒物質(zhì)領(lǐng)域開展研究工作，一方面對解決工程實際問題有所貢獻，另一方面可以促進統(tǒng)計力學、非線性動力學、交通流、應(yīng)用數(shù)學和計算機科學的發(fā)展。
　　本文主要針對了顆粒在槽道中

2、的流動特性進行了一些實驗和模擬的研究，發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象，為進一步了解顆粒運動機理提供了契機。而且我們的實驗和模擬工作可以為顆粒的管道輸送、混合問題，甚至交通流等相關(guān)領(lǐng)域提供一些理論性的指導。
　　通常顆粒斜槽流實驗使用的流道為豎直流道，本文將之改為帶兩個拐彎的傾斜流道，通過改變兩個拐彎點之間的流道寬度，發(fā)現(xiàn)了顆粒系統(tǒng)的稀疏流，密集流的相轉(zhuǎn)變。實驗中的相轉(zhuǎn)變過程并不是突變的，而是經(jīng)歷了一個臨界的區(qū)域。在該區(qū)域中，顆粒的最終穩(wěn)定狀態(tài)

3、可能為稀疏流，也可能為密集流，即實驗發(fā)現(xiàn)的雙穩(wěn)現(xiàn)象。實驗確定了雙穩(wěn)區(qū)域存在的流道寬度范圍，而且離散元模擬得到的雙穩(wěn)區(qū)范圍和實驗結(jié)果也十分接近。由于流道中存在兩個瓶頸，初始時刻入口流量的波動導致兩瓶頸形成密集流的先后順序不同，從而導致了這種雙穩(wěn)的現(xiàn)象。為了更直觀地解釋該現(xiàn)象發(fā)生的原因，用離散元方法對流道的兩個瓶頸分開進行了模擬，得到了兩個瓶頸稀疏流臨界流量和密集流流量之間的關(guān)系。日常生產(chǎn)生活中既存在直流管道，同樣也會遇到帶拐彎的管道，因此

4、我們對拐彎流道的研究具有一定的實用價值。
　　顆粒雙流道匯流類似于交通問題中的入匝道系統(tǒng)。交通流中為了達到優(yōu)化交通的目的，通常會研究入匝道的相圖區(qū)域分布情況。本文希望通過類似的方法研究顆粒雙流道匯流的相分布，這同樣也有助于解決顆粒流量的優(yōu)化問題。實驗中通過調(diào)節(jié)兩個流道閥門開口（即入流），發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)呈現(xiàn)九個不同的流動相態(tài)，并實驗獲得了以兩個閥門開口寬度為橫縱坐標的系統(tǒng)相圖。顆粒匯流得到的相圖和交通流入匝道系統(tǒng)的相圖十分相似。離散元模擬