颗粒介质的结构及热力学

颗粒介质具有远程无序和近程有序的结构, 是产生动力学不均匀性(dynamical heterogeneity) 和复杂不可逆过程的根源. 本文分析了颗粒介质的结构特征、变形和能量耗散之间的内在关联, 讨论了颗粒介质的弹性, 提出了流变应变增量、耦合应变增量和弹性应变增量的应变增量分解方式. 沿用非平衡热力学框架, 引入表征运动无序的动理学颗粒温度T^k和表征弹性应力涨落的构型温度T^c, 作为非平衡态变量, 建立了双颗粒温度热力学(two-granular-temperature thermodynamics, TGT理论), 注重分析了不可逆过程中的热力学力和流, 并与著名的砂土内变量热力学进行了对比.     

激光等离子体去除微纳颗粒的热力学研究

微杂质污染一直是影响精密器件制造质量和使用寿命的关键因素之一.对于微纳米杂质颗粒用传统的清洗方式(超声清洗等)难以去除,而激光等离子体冲击波具有高压特性,可以实现纳米量级杂质颗粒的去除,具有很大的应用潜力.本文主要研究了激光等离子体去除微纳米颗粒过程中的热力学效应:实验研究了激光等离子体在不同脉冲数下对Si基底上Al颗粒去除后的颗粒形貌变化,发现大颗粒会发生破碎而转变成小颗粒,一些颗粒达到熔点后发生相变形成光滑球体,这源于等离子体的热力学效应共同作用的结果.为了研究微粒物态转化过程,基于冲击波传播理论研究,得到冲击波压强与温度特性的演化规律;同时,利用有限元模拟方式研究激光等离子冲击波压强和温度对微粒作用规律,得到了颗粒内随时间变化的应力分布和温度分布,并在此基础上得到等离子体对颗粒的热力学作用机制.     

颗粒介质弹性的弛豫

颗粒介质是复杂的多体相互作用体系, 其弹性源自内部的力链结构, 弹性能量处在亚稳态, 具有复杂的弛豫行为. 在常规作用下, 颗粒介质往往呈现明显的弹性弛豫. 应力松弛是应变恒定时应力的衰减现象, 弹性弛豫是应力松弛的主要原因. 在前期工作基础上, 从弹性势能面和双颗粒温度热力学角度分析了弹性弛豫的机理, 量化了弹性应力演化不可逆过程; 基于双颗粒温度热力学计算得到了弹性能、颗粒温度和应力的演化, 其中应力松弛的计算结果与实验结果基本一致, 讨论了颗粒温度初值和输运系数的影响. 指出, 开展力链结构及其动力学研究是揭示宏观弹性弛豫机理的关键.     

对含有非热力学平衡离子的尘埃等离子体中孤波特性的理论研究

得到了描述由尘埃颗粒电荷变化、非热力学平衡分布的离子和Boltzmann分布的电子组成的未磁化的热尘埃等离子体中的尘埃声波的修正的KdV (mKdV) 方程. 并对诸多的尘埃等离子体参数对尘埃声孤波结构的影响进行了理论研究，结果表明，尘埃等离子体参数决定着尘埃声孤波结构，且只在这些参数特别选定的一些区域，才会出现稳定的孤波. 关键词： 非热力学平衡离子 尘埃颗粒电荷变化 尘埃声孤波     

昂萨格倒易关系的简要证明

在线性非平衡热力学中,昂萨格倒易关系对其发展起着极为重要的作用.昂萨格倒易关系大大减小了实验分析的困难和工作量,为从实验角度来确定唯象系数提供了可能.本文分别以温度T和体积V以及温度T和粒子数N为自变量证明了昂萨格倒易关系,并探索了熵产生率中力和流的物理本质.     

Ising自旋体系的非平衡动态相变

在平均场理论架构下, 以含时金兹堡-朗道和Glauber动力学这两类动态模型为基础，研究 了受外场和温度共同驱动的Ising自旋体系的非平衡动态相变.确定了界定动态无序(动态顺 磁相P)和动态有序(动态铁磁相F)转变的动态相界.并根据动态序参量Q和Binder参数U随系统 温度t(r₀)、驱动外场频率ω和振幅h₀的变化规律，就上述两类模 型的动态相界上是否存在区分连续动态转变和非连续动态转变的三临界点这一引发争议的问 题做出了进一步分析说明. 关键词： Ising自旋体系 非平衡动态相变 含时金兹堡-朗道模型 Glauber 动力学模型     

非独立散射对纳米颗粒介质光热效应的影响

本文采用有限元软件COMSOL结合双温度模型模拟了含金纳米颗粒复合介质的光热效应和温度分布,分析了金纳米颗粒非独立散射的影响,讨论了发生光热效应时复合介质内能量的传递方式。结果表明:将双温度模型与Fourier导热定律结合可以描述纳米颗粒及周围介质的温度变化;与独立散射的颗粒相比,非独立散射情况下光热效应与颗粒间的耦合现象有关,并且这种耦合效应与颗粒间的距离相关。     

火星进入热环境预测的热力学模型数值分析

采用数值模拟目的 研究不同热力学模型中火星飞行器表面的热环境.研究发现,驻点区域流动近似为热力学平衡,随着飞行高度增加,流动逐渐偏向热力学非平衡.当壁面为非催化壁时,不同热力学模型所得热流基本一致,当壁面为完全催化壁时,热力学非平衡模型所得热流更高,这种差异由化学反应特征温度差异引起,并随着流动的热力学非平衡特性增加而增加.     

雷达波段内磁性吸波颗粒光散射特性分析

针对目前在微波雷达隐身技术中广泛运用的吸波材料颗粒,根据米氏(Mie)散射理论对磁性吸波颗粒在雷达波段内的光散射特性进行了数值模拟和计算分析.在Mie系数中引入磁导率变量,分别计算了磁导率、折射率及颗粒粒径等参数对吸波颗粒光散射特性的影响;同时对比分析了磁性与非磁性吸波颗粒的散射光强、散射系数、吸收系数等散射特性规律.数值计算结果表明,颗粒磁特性的变化对其散射性能造成影响,磁导率的增大将使颗粒的吸收性能增强而后向散射强度减弱,有利于吸波颗粒雷达散射截面的减小,同时磁导率变化对颗粒散射特性的影响受到复折射率的制约.     

非球形颗粒布朗运动的涨落-格子Boltzmann数值研究

采用涨落-格子Boltzmann方法对非球形颗粒(二维)的布朗运动进行直接数值模拟.数值结果包括椭圆形、矩形颗粒的速度均方值及速度自相关函数等.研究发现,对于非球形颗粒,其方向性并没有影响能量均分原理的适用性,每个自由度的能量由其速度或角速度的均方值确定,而且计算的颗粒平动温度和转动温度一致.此外,颗粒的速度自相关函数在相对长的时间内以~ct^-1的规律衰减,其系数c与颗粒的形状无关.     

水-气-颗粒固体三相混合系统的流体动力学

按照经典物理中处理混合物的一般热力学方法, 将近年来报道的颗粒固体流体动力 学进一步推广到孔隙被水和气填充的情形, 建立了其自由能的初步模型. 水-气-颗粒三相体系是与岩土工程和地质灾害密切相关的材料, 但其经典宏观物理基础却一直未能全面澄清.目前用于分析这类混合物力学行为的基本工程理论含Darcy渗流定律、Terzaghi有效应力及其运动方程(即本构方程)等内容. 通过与经典物理对比, 本文澄清了渗流对应于不同相之间的质量扩散, 有效应力与这类材料特有的体积填充形式自由能有关, 这两部分内容工程与物理是一致的.目前的分歧具体体现在材料建模对象上, 前者认为是本构方程, 而后者是自由能和迁移系数. 该分歧的解决将是建立这类材料的连续介质物理基础、突破本构方法面临的困境的一个关键. 关键词： 颗粒物质 混合物 应力 流体动力学     

静态堆积颗粒中的力链分布

颗粒物质是由众多离散颗粒组成的软凝聚态物质,涉及多个物理层次结构和机制,是多尺度问题. 首先阐述了颗粒物质多尺度力学的研究框架,指出颗粒间接触力链构成的细观尺度是核心,颗粒物质显示出的独特静态堆积特性和动态流变特性都与细观尺度力链的复杂演变规律直接相关. 围绕着定量描述力链特征这一目标,采用严格的球形颗粒Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论,对重力作用下12000个球心共面的二维等径颗粒静态堆积进行了离散动力学模拟,对力链分布特征、接触力规律等做了量化分析,考察了颗粒 关键词： 颗粒物质 力链 离散模型 多尺度力学     

准静态颗粒介质的弹性势能弛豫分析

颗粒体系是典型的多体相互作用体系, 具有多重的能量亚稳态. 对于准静态颗粒体系, 引入构型颗粒温度T_c描述弹性势能涨落. 本文认为平衡的体系具有一定的构型颗粒温度T_a, 其量值反映了其结构特征. 当外界扰动激发的构型颗粒温度超出T_a时, 产生不可逆过程. 通过对应力松弛过程的分析, 发现(T_c-T_a)激发了弹性弛豫, 且(T_c-T_a)越大则松弛过程中应力变化越大, 最终构型颗粒温度T_c→T_a时,宏观应力松弛结束,体系达到新的能量亚稳态.     

二维颗粒流从稀疏态到密集态的临界转变

研究了斜槽中的二维颗粒流由稀疏到密集转变的临界现象.在二维颗粒槽的入口流量Q₀和出口尺寸d固定的条件下，记录并统计了稀疏流转变为密集流所经历的时间.研究发现，在统计时间内转变不发生的概率C(t)随时间指数衰减，其衰减的特征时间尺度α^-1(d)可以很好地由幂律函数a(d_c-d)^-γ来拟合，其中d_c为临界开口尺寸.此临界尺寸的存在确定了稀疏流到密集流转变的临界现象. 关键词： 颗粒物质 颗粒流 非平衡态相变 几何相变     

Scaling distribution of large transverse momenta

We compute the structure function of large k_T scaling law in the framework of a multiperipheral or parton model. This function depends on two scaling variables. We show that recent NAL data are in perfect agreement with the same 1/k_T⁸ law observed at ISR. The observed apparent change of the scaling power is faked by the neglect of the dependence on one of the scaling variables.     

Dual-phase-lag transfer equations and entropy behavior in relaxational hydrodynamics

Extended thermodynamics of irreversible processes is developed; based on two postulates by which additional variables of the entropy density are dissipative fluxes and material time derivatives of the ordinary thermodynamic variables. Within these theories a more general approximation of entropy production is obtained. As a consequence of the proposed formalism, the constitutive dual-phase-lag equations, as well as equations of the conventional version of extended irreversible thermodynamics are obtained. The behavior of the entropy during oscillatory approach to equilibrium is considered. The proposed theory leads to a strictly monotonic dependency of the entropy on time.     

Origin of a repose angle: kinetics of rearrangement for granular materials

A microstructural theory of dense granular materials is presented, based on two main ideas: first, that macroscopic shear results from activated local rearrangements at a mesoscopic scale; second, that the update frequency of microscopic processes is determined by granular temperature. In a shear cell, the resulting constitutive equations account for Bagnold's scaling and for the existence of a Coulomb criterion. In a granular flow down an inclined plane, they account for the rheology observed in experiments [Phys. Fluids 11, 542 (1999)]] and for temperature and velocity profiles measured numerically [Europhys. Lett. 56, 214 (2001)]] [Phys. Rev. E 64, 051302 (2001)]].     

Self-similar solutions of equations of the nonlinear Schrödinger type

Experimental data are presented for the temperature dependence of the conductivity of Cu: SiO₂ metal-insulator composite films containing 3-nm Cu granules. At low temperatures in the concentration range 17–33 vol % Cu, all of the conductivity curves have a temperature dependence of the form σ ∝ exp{ (T ₀/T)^1/2}, while at higher temperatures a transition is observed to an activational dependence. A numerical simulation of the conduction in a composite material shows that an explanation of the observed temperature dependence must include the Coulomb interaction and the presence of a rather large random potential. The simulation also yields the size dependence and temperature dependence of the mesoscopic scatter of the conductivities of composite conductors. It is shown that a self-selecting percolation channel of current flow is formed in the region of strong mesoscopic scatter.     

颗粒-颗粒接触力的热力学模型

以颗粒二体接触力模型为基础和出发点的软球离散元模拟是当前颗粒物理和力学领域广泛应用的研究手段.但文献上经常使用的、包括著名的Hertz-Mindlin和Luding在内的力模型并没有完全明确弹性势能或耗散热的计算方法,故从热力学层面看它们还需要完善.考虑到机械能的耗散行为是这类材料的重要物理内容,本文借鉴近年来提出的颗粒固体流体动力学(GSH)思路,提出一种具有明确势能和热功率的接触力建模方法.该理论除明确给出了机械能和热能的计算公式外,还能具体描述能量守恒、热力学平衡态和熵增加等基本原理,解决了传统接触力模型在这些方面的欠缺问题.初步计算显示本文模型的恢复系数可以随碰撞速率的增加而减弱,这比现有的其他模型更符合实验观测.虽然为简单起见这些公式仅局限于二维和忽略颗粒转动运动情况,文中讨论了如何推广到三维含转动情形,以及所涉及的滚动和扭转接触力的热力学处理问题.鉴于是否在Onsager非平衡热力学基础上建模是本文给出的接触力公式有别于当前其他模型的关键所在,文中强调了这里的主要建模对象应该是热力学特征函数和Onsager迁移系数,而接触力是它们的推导结果.这是一个与目前直接针对接触力进行建模的不同思路.文中对颗粒物质特有的、反映样品几何变形与弹应变之间联络的一个非对角迁移系数做了详细介绍,并且认为它与打滑等复杂力学现象关系密切,无论宏观GSH尺度上,还是细观接触力尺度上都不可忽略.