Stress distribution and surface instability of an inclined granular layer

Static granular materials may avalanche suddenly under continuous quasi-static drives. This phenomenon, which is important in many engineering applications, can be explained by analyzing the stability of the elastic solutions. We show this for a granular layer driven by its inclination angle in gravity, where the elastic problem can be solved generally and analytically. It is found that a loss of stability may occur only at the free surface of the layer. This result is considered to be relevant for understanding surface avalanches and the flows observed experimentally.     

稠密颗粒射流撞击壁面颗粒膜表面波纹特征

采用高速摄像仪对稠密颗粒射流撞击有限尺寸壁面的流动过程进行了实验研究,重点研究了颗粒膜及其表面波纹特征,考察了颗粒粒径、射流速度和固含率等因素对颗粒膜形态和表面波纹的影响.研究结果表明,随着颗粒粒径增大,稠密颗粒撞壁流由颗粒膜向散射模式转变.与液体射流撞壁液膜相比,颗粒膜扩展角较大,射流速度对其影响不显著.稠密颗粒射流撞壁颗粒膜表面波纹存在明显的叠加现象,颗粒膜表面波纹频率比液膜大约低一个数量级.颗粒膜表面波纹主要由射流脉动引起,表面波纹频率与射流脉动频率具有相同的数量级.     

重力驱动下运动物体在颗粒介质中的最大穿透深度

通过高速摄像的跟踪，研究了重力场中球形下落物体对松散颗粒床进行撞击并进入颗粒床内的运动过程.运用已得到的颗粒体系中运动物体的阻力模型，分析了物体质量对穿透深度的影响.研究表明，当物体与颗粒床撞击的初始速度较小时，物体在颗粒床中的最大穿透深度与物体质量呈近似线性关系. 实验得到的结果与模型符合很好. 关键词： 颗粒体系 阻力 动力学过程     

运动物体在颗粒介质中的阻力形式

物体由重力驱动在颗粒介质中的运动过程，从动力学上可以用等效重力、颗粒床的黏性阻力及静压阻力来描述.通过求解此动力学模型，找到了一个能够控制颗粒系统处于不同阻尼状态的参量Γ，Γ的表达式直接反映了黏性阻力项和静压阻力项的竞争.这种竞争使得颗粒介质能够处于不同阻尼状态，表现出不同的表观阻力行为.根据理论分析结果设计实验，实现了对颗粒介质体系阻尼状态的调节，验证了理论模型给出的运动物体在颗粒介质中受到的阻力形式. 关键词： 颗粒体系 阻力 动力学过程     

颗粒固体弹性势能的声波性质

基于大量静止颗粒堆积而成的物体属于非线性弹性体的观点,计算了其弹性势能的声速表达式(考虑圆柱对称和沿主应力方向传播的平面波情形).通过与己报道的一些实验数据的对比,认为精密的声学方法能够测定势能中的所有材料参数,因此是研究这类材料非线性弹性行为细节的一个重要观测手段,但需要对样品的所有应力、密度和均匀程度进行全面仔细的监控.     

不同形状的棒在颗粒物质中受到的静摩擦力

通过实验对横截面周长相同、形状不同的棒在颗粒物质中受到的最大静摩擦力进行了研究.实验结果表明:相同条件下,圆棒、方棒和扁棒受到的最大静摩擦力各不相同.用水平面上颗粒分层、对称分布模型对实验结果进行了定量分析.     

DEM simulation of granular segregation in two-compartment system under zero gravity

In this paper,granular segregation in a two-compartment cell in zero gravity is studied numerically by DEM simulation.In the simulation using a virtual window method we find a non-monotonic flux,a function which governs the segregation.A parameter is used to quantify the segregation.The effect of three parameters:the total number of particles N,the excitation strength F,and the position of the window coupling the two compartments,on the segregation and the waiting time%are investigated.It is found that the segregation observed in zero gravity exists and does not depend on the excitation strength F.The waiting time T,however,depends strongly on F:the higher the F,the lower the waiting time V,The simulation results are important in guiding the SJ-10 satellite microgravity experiments.     

垂直振动激发下颗粒物质的能量耗散

本文对垂直振动激发下的铜和玻璃珠两种密集颗粒样品,通过实时测量样品盒的加速度和振台对它的作用力,研究了样品的平均耗散功率.实验发现该耗散功率在给定振动强度下随振动频率的变化曲线是一个峰值在几十赫兹的宽峰结构,在给定频率下随强度的变化具有幂率规律,其幂值小于简谐受迫振动模型的幂值2.这些结果将有助于研究测定颗粒流体和气体的迁移系数,以及它们在不同运动模式下的能耗差异.     

颗粒物质在冲击作用下的堆积分布

沙堆在冲击作用下的行为和静态沙堆的行为有着很大的不同.通过管道产生“高斯冲击”(速度水平分量成高斯分布)来研究沙堆堆积时的分布情况，发现沙堆自身的稳定性和外界冲击是影响沙堆形状的两大重要因素.给出了沙堆在冲击作用下高度随时间的演化方程.通过该方程，成功地得到了沙堆中心点的高度与外界参量之间的关系，并且提出了一种节能高效的颗粒混合方法. 关键词： 颗粒物质 堆积 高斯分布 冲击     

非均匀交换各向异性铁磁介质的非线性表面自旋波

利用Landau-Lifshitz 方程，研究了具有非均匀交换各向异性的半无限大铁磁体的非线性表 面自旋波理论。导出了部分钉扎纯交换铁磁介质的磁化强度所满足的边界条件和非线性表面 自旋波的色散关系，并获得了自旋波振幅沿z方向驻波的一维非线性Schrdinger方程和包 络振幅沿平面传播的二维非线性Schrdinger方程，结果表明铁磁体磁化强度的包络振幅随时空变化的性质是由二维非线性Schrdinger方程决定的。因此预言铁磁介质的表面非线性激发应是二维孤波的形式。对于弱非线性表面自旋波，对非线性Schrdinger方程存在孤子形式解的可能性作了讨论. 关键词： 表面自旋波 Landau-Lifshitz方程 非线性Schrdinger方程 孤子     

剪切振动下湿颗粒的力学谱

在恒温25 ℃剪切振动条件下,测量不同水分含量的NaCl湿颗粒体系的力学谱（能量耗散tanφ和剪切模量G）.研究发现,随着剪切振幅增大,NaCl湿颗粒体系的剪切模量G和能量耗散tanφ都表现出类似于干颗粒体系的阻塞（Jamming）转变行为.随着体系中水含量的增大,湿颗粒体系的剪切模量G和能量耗散tanφ在质量分数约等于11%的临界水浓度下均出现一个峰值,且峰位与应变振幅无关,表明此时颗粒之间主要的作用力发生了变化.     

颗粒气体的团簇行为

颗粒体系由于粒子间非弹性碰撞和摩擦等内秉的能量耗散特性,由宏观粒子形成的颗粒气体体系经常会有局部凝聚现象,这是颗粒气体体系与分子气体体系的最大区别之一。理解和预测这一现象的发生将有助于人们对远离平衡态体系的复杂现象(如有序结构、斑图和团簇形成)的认知。这种局部凝聚现象可以类比于分子气体中亚稳分解形成的液滴,将气液相分离用于解释和寻求局部凝聚现象的模型得到了分子动力学模拟的校验。但是实验的校验却由于宏观粒子运动受重力作用的影响难以在实验室中实现。实践十号卫星为我们提供了长时稳定微重力条件,使得实验观察成为可能,有望获得团簇形成及颗粒冷却行为等颗粒动力学重要实验结果。     

通道宽度和初始流量对颗粒稀疏流-密集流转变临界开口的影响

通过实验研究斜面上二维颗粒流，当出口尺寸减小到临界值Dc时，发生稀疏流到密集流的突变.发现临界尺寸Dc与初始流量和通道宽度有关，通道宽度一定的情况下，临界开口尺寸Dc近似随初始流量Q0的平方根增大.在初始流量Q0一定时，临界开口尺寸Dc随通道宽度W近似线性增大.给出了这些关系的表达式，理论计算与实验观测结果一致.同时，也讨论了通道宽度影响临界开口尺寸的原因. 关键词： 颗粒物质 颗粒流     

Symmetric waves are traveling waves for a shallow water equation modeling surface waves of moderate amplitude

Following a general principle introduced by Ehrnström, Holden and Raynaud in 2009, we prove that for an equation modeling the free surface evolution of moderate amplitude waves in shallow water, all symmetric waves are traveling waves.     

垂直载荷下颗粒物质的声波探测和非线性响应

对于玻璃珠组成的颗粒介质样品,本文测量了横波和纵波声速,同时分析了剪切模量(G)与体积模量(B)的比值(G/B)随压强的变化规律.结果表明,在低压强下,颗粒体系的纵波声速(C_L)明显大于横波声速(c_T),且体系的CL,CT及G/B均随压强p变化呈幂律标度,即CL∝p~(0.3817),CT∝p~(0.2809)G/B∝p~(-0.4539),幂指数与文献[1]中预言的-1/2非常接近,暗示在我们实验压强范围内的颗粒样品处于L玻璃状态.此外,本文还利用快速傅里叶变换法测量了玻璃珠样品中的声学衰减特性及二阶谐波随压强的变化,发现:纵波声衰减系数(α)、接收端二倍频振幅(μ_(2ω))与基频振幅(μ_(1ω))平方的比值(μ_(2ω)/μ_(1ω)~2)均随压强的增大而幂率减小,分别为α∝p~-(-0.1879),和μ_(2ω)/μ_(1ω)~2∝p~(-0.866).     

冲击荷载下颗粒物质缓冲性能的试验研究

颗粒物质是一种复杂的能量耗散体系. 颗粒间的摩擦和黏滞作用可使冲击荷载引起的能量有效衰减, 颗粒间的力链结构又可将瞬时局部冲击荷载进行空间扩展和时间延长, 达到良好的缓冲效果. 为研究颗粒物质对冲击荷载的缓冲性能, 本文采用重力作用下球体冲击筒内颗粒物质的试验系统, 研究了筒体底部作用力在颗粒材料、颗粒厚度等因素影响下的变化规律. 试验结果表明: 非规则颗粒具有更加良好的缓冲性能, 粗颗粒的缓冲性能略高于细颗粒. 颗粒厚度H是影响缓冲性能的重要因素, 并存在一个临界厚度H_c. 当H<H_c时, 缓冲性能随H的增加而增强; 当H>H_c时, H对缓冲效果的影响不再显著. 以上研究是在同一冲击能量下进行的, 而对于不同冲击能量下的H_c还需要深入开展. 通过颗粒物质对冲击荷载缓冲性能的试验研究, 可揭示颗粒材料的基本物理力学行为, 为其在缓冲减振领域中的应用提供依据.     

振动条件下颗粒的分离现象

介绍并分析比较了竖直振动条件下巴西坚果效应与反巴西坚果效应形成的机制和转化条件,以及水平振动下颗粒的分离现象,提出一些意见和建议.     

一种颗粒底部压力不趋向饱和的粮仓系统

随着深度的增加竖直圆筒容器中的颗粒物质会把自己的重量逐渐转移到容器的侧墙壁上,使容器底部的压力出现不随筒中颗粒材料高度的增加而增加的饱和现象.但值得注意的是,圆筒中的颗粒柱体并不总是表现为这个称为粮仓效应的力学状态.例如当改变侧墙壁的力学环境使其无法承担颗粒的重量时,柱底部的压力显然将随其高度的增加而线性地增加.本文分析讨论了Janssen模型假设对这类处于静力平衡下,但违反粮仓效应的颗粒系统的行为预测. 关键词： 颗粒物质 粮仓 静摩擦 应力     

Effects of granular size on stress transmission in a granular column

We investigate the deflection and the fluctuation of stresses due to different sizes of granular material in a cylindrical column. It is experimentally observed that the saturation mass systemically increases with granule diameter . The results indicate the shielding of vertical stress in silo is varying. We show that the ratio between the horizontal and the vertical stresses, K, decreases with the increase in grainule diameter D. In addition, it has also been found that the presence of larger granules leads to stronger stress fluctuation on the bottom plate of silo.     

Dissipative effects on internal gravity waves in geophysical fluids

Summary In the present paper we develop a systematic analysis of the dispersion and dissipation effects on internal gravity waves in fluids of geophysical interest. Dissipation induces a cut-off in the short wavelengths, leading to an admissible range of waves. Defining a suitable criterion for detection of waves, an observable wave range results, in which the frequency dispersion is nearly the same as for the inviscid case, whereas the amplitude is damped. The peculiar behaviour displayed by the dispersion relationship for Prandtl number equal to one is discussed.