顆粒物質(zhì)動(dòng)態(tài)特性的若干問題研究.pdf

1、本文通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬研究了顆粒物質(zhì)在外加垂直正弦振動(dòng)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(dòng)力學(xué)行為以及顆粒物質(zhì)在垂直管流中的走走停停現(xiàn)象。研究結(jié)果既加深了對(duì)顆粒物質(zhì)在振動(dòng)、剪切、流動(dòng)等多種動(dòng)態(tài)條件下非線性特性的認(rèn)識(shí)，也對(duì)顆粒物質(zhì)的加工、存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)葘?shí)際工程問題具有理論指導(dǎo)意義。 將顆粒物質(zhì)填充在具有瓶頸的容器中并對(duì)其施加垂直正弦振動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)多種新的偏析形態(tài)及對(duì)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(huì)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(duì)流圈也發(fā)生相對(duì)有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)；(2)在三維單瓶頸條件下，大顆粒會(huì)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(dòng)頻率來控制。我們對(duì)此作了相關(guān)的機(jī)理分析；(3)在三維多瓶頸條件下，顆粒會(huì)按照各自“活動(dòng)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(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，取得了

3、與實(shí)驗(yàn)相吻合的結(jié)果。這些新的偏析形態(tài)的發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)認(rèn)識(shí)顆粒物質(zhì)動(dòng)態(tài)特性的復(fù)雜性具有重要的理論意義，也對(duì)指導(dǎo)顆粒材料的加工和傳輸過程中避免或者加強(qiáng)顆粒偏析有其工程意義。 采用離散元模擬研究了振動(dòng)頻率對(duì)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(dòng)頻率的升高，大顆粒開始沉入顆粒床；隨著振動(dòng)頻率再進(jìn)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(jī)理，由此發(fā)現(xiàn)了顆粒床的輸入能量、空

4、隙率、有效恢復(fù)系數(shù)等之間的相互關(guān)系。 采用元胞自動(dòng)機(jī)方法研究了沙堆形成過程中的動(dòng)力學(xué)行為，提出了一個(gè)考慮慣性效應(yīng)和具有崩塌方向的動(dòng)能元胞自動(dòng)機(jī)沙丘模型。模型中慣性效應(yīng)是通過顆粒在沙堆表面流動(dòng)過程中能量守恒來體現(xiàn)的。數(shù)值模擬驗(yàn)證了前人從實(shí)驗(yàn)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(guān)系式，并揭示了沙堆形成過程的非對(duì)稱性以及沙粒對(duì)路徑的選擇性。 將固體內(nèi)耗的概念及其測(cè)量方法應(yīng)用于測(cè)量顆粒物質(zhì)系統(tǒng)低

5、頻振動(dòng)能耗散特性的實(shí)驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)了采用自由衰減法測(cè)量顆粒物質(zhì)低頻振動(dòng)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(dòng)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(dòng)頻率不隨著時(shí)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(gè)底端具有毛細(xì)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(dāng)顆粒堆積高度遠(yuǎn)高于某個(gè)閾值時(shí)，出口流量呈現(xiàn)