粮仓效应的底部与侧壁压力的实验验证

为了探究颗粒物质的粮仓效应和验证Janssen模型的正确性,设计制作了侧壁可整体上下移动的实验装置,该装置不仅可以测量粮仓底部正压力,还能够测量任意深度的侧壁压力.理论推导出了方柱体底部正压力随颗粒堆积高度的变化规律,以及侧壁压力随深度的变化关系,并进行了数值模拟.结果 表明:实验测量值和理论模拟值符合得较好:当粮仓中...     

粮仓内颗粒压力的测量:Janssen行为及其偏差

基于侧壁分为上下两部分的装置,测量了圆柱对称颗粒系统(竖直粮仓)的压力随高度的变化,并讨论了测得的仓内压力与Janssen理论模型的偏离情况.实验结果显示无论是否对粮仓进行Vanel等建议的让"侧壁摩擦力充分动员"的底座缓慢下沉操作处理,测得的仓内压力都有不同程度的偏离Janssen现象.另外如果没有沉降处理,在填充颗粒的荷载下上侧壁会发生微弱下沉,从而显著增大压力偏离的程度,但沉降处理可将其消除.这些结果表明,粮仓的颗粒重量在仓底和沿侧壁边界上的分配情况受制备方式和装置变形的影响明显,具体分布情况复杂多样.因此颗粒物质的静应力弹性理论分析应该取应力边界条件.     

粮仓效应的实验设计

设计制作了观测静态颗粒物质粮仓效应的简单实验系统.实验数据充分地展现了颗粒物质与筒仓壁之间摩擦力的“巨大”作用以及具有流动性质的颗粒物质与静态流体的显著差别,且实验结果与理论计算吻合很好.     

大型粮仓温度分布反演数学模型的研究

采用有限元数值模拟方法,以响应面模型RSM(Response surface model)理论为基础对大型粮仓冬、夏两季的温度分布进行了深入分析,推导了粮仓温度反演数学模型。将采集的温度值导入RSM模型中,并结合单因素轮换法、正交实验和统计方法,通过构造一个具有明确表达形式的多项式来预测粮仓温度分布反演数学模型。在数学模型的基础上给出各因子交互作用下的设计空间、各因素对粮温影响的主效应及交互效应。实验证明该数学模型误差小,精度高,具有良好的计算性能,在大型粮仓温度监控系统中采用该模型能够解决布线少、预测空间范围广的问题。     

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     

应力未饱和粮仓系统中器壁与颗粒的摩擦阻力

对于仓壁不固定的粮仓系统,其底部压力会随颗粒高度线性增加.由于没有Janssen应力饱和现象,其力学状态与通常粮仓系统显然不同.通过上拉和下压这种应力未饱和粮仓系统的仓壁,实验研究了不同顶部负载时颗粒介质与仓壁的最大静摩擦阻力.结果显示阻力随颗粒质量的增加在上拉时呈线性增长关系,但在下压时呈指数增长关系,下压阻力强度比上拉时大一个量级以上.此外阻力与顶部负载呈线性变化关系.这些测量很好地符合了基于应力转向比为常数的假设（即Janssen假设）下给出的连续力学理论计算,表明该假设对于此应力未饱和粮仓系统依然适用. 关键词： 颗粒物质 粮仓 静摩擦 应力转向比     

颗粒物质的两个典型效应及其研究现状的分析

概述了颗粒物质领域中粮仓现象和巴西坚果效应两个典型现象及其解释理论，分析其理论的成功和不足之处，并给出了一些看法。     

二维颗粒流通道宽度效应的分子动力学模拟

通过用分子动力学方法对颗粒物质流的计算机模拟，研究发现增大通道宽度可以使二维颗粒流从稀疏流转变为密集流状态.通过对不同通道宽度下，固定开口为9.5d的颗粒流和 漏斗口以上9.5d×8d区域记录的模拟结果分析，发现随通道宽度增大，密度变大、温 度降低.当“颗粒温度”T较低时(T/m<0.05 J/kg),颗粒流内部接触数开始超过1.2 ，同时出现较为牢固的横向链状颗粒团簇，是造成流量突变以及密集流的原因. 关键词： 颗粒物质 颗粒流 计算机模拟     

颗粒物质(上)

颗粒物质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类型之一．大量颗粒组成的离散态物质体系具有特别的性质和运动规律．颗粒物质表现出许多不同于固、液、气物质的奇特现象和独特的运动规律．由于对颗粒物质运动规律的理解具有重要科学意义和应用背景，近十年来颗粒物质研究逐步成为物理学研究中的一个活跃领域．文章综述了颗粒物质的一些主要特性，如颗粒物质的静态性质、振动行为、流动特性等，其中也包括文章作者的一些新近研究结果．限于篇幅，文章分为上、下两部分发表．第一部分在对颗粒物质作一般介绍后讨论颗粒物质的静态特性，第二部分则主要讨论颗粒物质振动时的行为和流动性质．     

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     

Dynamic properties of the two-dimensional density-driven segregation

We discuss some dynamic properties of the segregation in vertically vibrated binary granular mixtures with the same size. We present a method that can accurately calculate the order parameter in the simulation. By use of the time evolution of the order parameter, we have found that the convergence of the segregated state depends at least on the vibration amplitude, the total mass of the particles, and also the density difference between the lighter and heavier particles.The convergence is quicker for larger vibration amplitude, lighter total mass of the particles and more density difference between the lighter and heavier particles. We have also found that thefluctuation is larger even after the steady state is reached for lighter total mass of the particles and less density difference between the lighter and heavier particles.     

Asymptotic Behavior of a Stationary Silo with Absorbing Walls

We study the nearest neighbors one dimensional uniform q-model of force fluctuations in bead packs,⁽¹⁾ a stochastic model to simulate the stress of granular media in two dimensional silos. The vertical coordinate plays the role of time, and the horizontal coordinate the role of space. The process is a discrete time Markov process with state space ^{1,...,N}. At each layer (time), the weight supported by each grain is a random variable of mean one (its own weight) plus the sum of random fractions of the weights supported by the nearest neighboring grains at the previous layer. The fraction of the weight given to the right neighbor of the successive layer is a uniform random variable in [0, 1] independent of everything. The remaining weight is given to the left neighbor. In the boundaries, a uniform fraction of the weight leans on the wall of the silo. This corresponds to absorbing boundary conditions. For this model we show that there exists a unique invariant measure. The mean weight at site i under the invariant measure is i(N+1–i); we prove that its variance is (i(N+1–i))²+O(N ³) and the covariances between grains ij are of order O(N ³). Moreover, as N, the law under the invariant measure of the weights divided by N ² around site (integer part of) rN, r(0, 1), converges to a product of gamma distributions with parameters 2 and 2(r(1–r))^–1 (sum of two exponentials of mean r(1–r)/2). Liu et al. ⁽²⁾ proved that for a silo with infinitely many weightless grains, any product of gamma distributions with parameters 2 and 2/ with [0, ) are invariant. Our result shows that as the silo grows, the model selects exactly one of these Gamma's at each macroscopic place.     

颗粒密度对旋转筒内二元颗粒体系分离的影响

用分子动力学的方法研究了颗粒密度对旋转筒内二元颗粒体系混合与分离的影响. 当增大粒度较小的颗粒密度时, 颗粒体系表现为巴西果效应, 而增加粒度较大的颗粒密度时, 分离状态则会发生反转, 表现为反巴西果效应. 进一步的研究发现二元颗粒体系的分离指数与颗粒的密度比之间存在定量的关系, 并利用Hong的渗流与凝聚竞争机理理论对密度分离状态的反转现象给予了理论解释.     

筒仓效应观测仪的设计及其应用

设计并制作了观测静态颗粒物质筒仓效应的实验系统,应用该装置研究了筒仓效应的尺寸依赖性.实验结果表明:圆柱形容器中的颗粒物质对于容器底部的饱和压力依赖于容器直径的3次方,而改变填入颗粒的直径时则饱和压力并无明显改变.     

一个谱元大气临近空间分辨模式

发展了一个可分辨大气临近空间且采用谱元数值计算技术的大气数值模式SEMANS(Spectral Element Model with Atmospheric Near Space resolved),并对模式模拟能力进行检验.数值模式采用立方体球面投影坐标,每个投影面分解为81个局地元,在元内利用8次Gauss-Lobatto-Legendre插值多项式对变量进行谱离散;模式大气在铅直方向分为66层,大气顶气压取为4.5×10^-6 hPa.进行了10年积分试验,利用ECMWF(European Center for Medium-Range Weather Forecasts)ERA-Interim再分析数据集和COSPAR(Committee on Space Research)国际参考大气1986对SEMANS模拟结果进行初步检验.结果表明,模式模拟出30 hPa等压面上北半球纬向2波特征及南半球纬向1波特征;模式能模拟出100 hPa和0.001 hPa等压面附近的低温区及1 hPa等压面附近和0.0001 hPa等压面高度之上的高温区;模式还模拟出0.001 hPa等压面高度以下1月及7月纬向平均纬向风随高度分布的主要特征.