顆粒物質(zhì)動態(tài)特性的若干問題研究.pdf

1、本文通過實驗和計算機模擬研究了顆粒物質(zhì)在外加垂直正弦振動條件下的偏析特性，顆粒物質(zhì)堆中的能量耗散特性，沙堆形成過程中的動力學行為以及顆粒物質(zhì)在垂直管流中的走走停?，F(xiàn)象。研究結(jié)果既加深了對顆粒物質(zhì)在振動、剪切、流動等多種動態(tài)條件下非線性特性的認識，也對顆粒物質(zhì)的加工、存儲、運輸?shù)葘嶋H工程問題具有理論指導意義。 將顆粒物質(zhì)填充在具有瓶頸的容器中并對其施加垂直正弦振動時，發(fā)現(xiàn)多種新的偏析形態(tài)及對流特性：(1)在二維單瓶頸條件下，隨著瓶

2、頸寬度的變化，大小顆粒會產(chǎn)生“兩邊偏析”、“向左偏析”及大顆粒聚集在容器左上角的偏析形態(tài)，并且偏析界面以及顆粒床自由表面的傾斜角滿足一定的規(guī)律，顆粒床中的對流圈也發(fā)生相對有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)；(2)在三維單瓶頸條件下，大顆粒會形成“環(huán)狀偏析”，且偏析集簇環(huán)的位置和長度可以通過改變振動頻率來控制。我們對此作了相關的機理分析；(3)在三維多瓶頸條件下，顆粒會按照各自“活動性”的差異形成相互交替的偏析效果，利用離散元方法我們對其進行了數(shù)值模擬，取得了

3、與實驗相吻合的結(jié)果。這些新的偏析形態(tài)的發(fā)現(xiàn)不僅對認識顆粒物質(zhì)動態(tài)特性的復雜性具有重要的理論意義，也對指導顆粒材料的加工和傳輸過程中避免或者加強顆粒偏析有其工程意義。 采用離散元模擬研究了振動頻率對顆粒偏析形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)在低頻階段大顆?；旧仙⒉荚陬w粒床頂部；隨著振動頻率的升高，大顆粒開始沉入顆粒床；隨著振動頻率再進一步升高，大顆粒又在顆粒床中上升。我們研究了大顆粒聚集在頂部—下沉—上升的轉(zhuǎn)變機理，由此發(fā)現(xiàn)了顆粒床的輸入能量、空

4、隙率、有效恢復系數(shù)等之間的相互關系。 采用元胞自動機方法研究了沙堆形成過程中的動力學行為，提出了一個考慮慣性效應和具有崩塌方向的動能元胞自動機沙丘模型。模型中慣性效應是通過顆粒在沙堆表面流動過程中能量守恒來體現(xiàn)的。數(shù)值模擬驗證了前人從實驗中發(fā)現(xiàn)的沙堆形成過程中的“小河”旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，得到了旋轉(zhuǎn)角速度與沙丘高度的關系式，并揭示了沙堆形成過程的非對稱性以及沙粒對路徑的選擇性。 將固體內(nèi)耗的概念及其測量方法應用于測量顆粒物質(zhì)系統(tǒng)低

5、頻振動能耗散特性的實驗，自行設計了采用自由衰減法測量顆粒物質(zhì)低頻振動能耗散特性的倒扭擺裝置，發(fā)現(xiàn)在低頻激振的條件下，顆粒物質(zhì)的能量吸收率隨振幅的增大而呈現(xiàn)非線性下降的特性，且系統(tǒng)的振動頻率在盛料杯裝載顆粒以后都有不同程度的增大，但其振動頻率不隨著時間而變化。該發(fā)現(xiàn)可為顆粒物質(zhì)的某些集總行為的解釋提供理論依據(jù)。 顆粒流經(jīng)一個底端具有毛細出口，頂端開口的豎直玻璃管中，發(fā)現(xiàn)顆粒在某些尺寸下，當顆粒堆積高度遠高于某個閾值時，出口流量呈現(xiàn)