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.     

振动颗粒混合物中的周期性分聚现象与能量耗散

在垂直振动的激励下, 铜和玻璃珠组成的二元颗粒混合样品存在依次出现分界清晰的三明治, 巴西果, 反巴西果三种分聚结构的周期循环变化现象, 其中出现三明治结构的时段最长(大于90%). 循环周期随振动台频率的增加而增大, 随加速度的增加而减小. 对三种分聚结构的样品能量耗散功率的测量显示, 在相同的振动条件下反巴西果结构的能耗功率最大, 巴西果结构的最小. 利用Hong的凝聚和渗透两机理相互竞争的观点, 并结合能耗功率的测量结果, 可定性解释这个周期性分聚现象.     

类固态颗粒物质的剪切弹性行为测量

利用能以极慢变形率直接剪切颗粒固体的实验装置,测量了(玻璃珠)样品对大幅度循环剪切的力-位移曲线,以及一个循环周期后的塑性位移残留.发现随着循环频率的降低,样品会从有限塑性残留的弹塑行为转变到几乎没有塑性的纯弹性行为,同时伴随有率相关性.该转变在剪切力幅度高达样品破坏值的90%时依然存在,但需要极小的变形率(10~(-5)Hz)或惯性数(10~(-8)).这意味着无论是高频小幅度的声波扰动,还是极低频大幅度的直接剪切,静态颗粒固体都可做出纯弹性的力学响应.在足够慢的状态变化范围里,它仍是属于经典弹性理论范畴的一类材料.这个弹性区域一直未被报道和关注,可能是观测它时需要样品的变形率远比通常此类研究中所采用的慢变形还要小许多(大约两个数量级)的缘故.理论上本文测量结果支持描述颗粒固体宏观动力学的基本方程组,不能只有弹塑和率无关行为,它们必须在极慢变形极限下退化为经典弹性理论,并且在这个转变过程中表现出率相关特性.     

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.     

基于颗粒物质流体动力学的三轴力学分析

构建了颗粒体系热力学特征函数, 确定了宏观尺度不可逆过程的迁移系数, 将颗粒物质流体动力学理论应用于密砂的三轴加载力学性质分析, 得到了应力-应变关系和体积应变-应变关系, 还得到了颗粒温度演化过程.      

水中颗粒孔洞流的最大休止倾角和流量公式

实验测量了完全浸泡在水中的玻璃珠颗粒样品在重力驱动下通过不同倾角和孔径的圆形孔洞的流量.发现与空气中的情形类似,不同孔径时的流量均与倾角余弦呈良好的线性关系;线性外推得到的零流量角,即流量休止临界角,随颗粒粒径与孔洞直径之比d/D的减小而线性增加;在无穷大孔径极限下,此临界角在实验误差范围内与样品的休止角一致.此外,所有测量都可用Beverloo公式Q=C₀ρg^1/2(D-kd)^5/2很好地拟合;其中参数C₀和k仅与倾角余弦有关,分别呈线性和平方反比关系.与文献报道的空气孔洞流测量结果对比,发现差别主要来自浮力和流体拖曳力对参数C₀的影响.这些结果表明用倾斜孔洞流测量颗粒材料休止角的方法和Beverloo公式具有一定的普适性.无论颗粒间隙中填充的是水还是空气,孔洞流的行为在定性上是一样的.     

Ultrasound wave propagation in glass-bead packing under isotropic compression and uniaxial shear

The axial-stress dependence of sound wave velocity in granular packing is experimentally investigated with tri-axial and uni-axial devices. Preparing samples by repetitive loadings and unloadings in a range of 20 kPa–1000 kPa, we find that the axial-stress dependence of sound wave velocity approaches the Hertz scaling with an exponent of 1/6 for large axial stresses( 400 kPa). Weak deviation from the Hertz scaling is seen at low stresses. Repetitive axial loadings slightly reduce this deviation, and sound velocities increase nonlinearly approaching some saturated values. Velocities for uni-axial case are found slightly to be bigger than those for tri-axial isotropic compression case. These effects are discussed in the frameworks of granular solid hydrodynamics(GSH) and effective medium theory(EMT), which indicate that they cannot be explained with density nor Janssen ratio only. Dissipation occurring during wave propagation may be a non-negligible factor.     

倾斜沙漏流与颗粒休止角研究

本文发现在测量误差内颗粒物质的下列三个临界角度相等: 1)从直径为D的倾斜孔洞流出的Beverloo颗粒流的流量开始停止的临界倾角θ_c 向大孔径极限线性外推θ_c∞≡θ_c(D→∞) 的补角θ_s∞= 180°-θ_c∞;2) 从靠近堆顶的点源向光滑底板缓慢下落颗粒形成的圆锥形堆的休止角θ_r; 3) 直接剪切矩形颗粒固体测得的库仑内摩擦角φ. 该结果倾向支持倾斜孔洞和颗粒堆自由表面的固-液转变与颗粒固体内部的库仑屈服均来自材料的同一临界性质. 由于三种情况样品的内部应力和变形等都是目前还远不能定量分析的复杂非均匀分布, 我们仅从定性角度对此给出一些讨论.     

直剪颗粒体系声波探测

建立了声波监测系统,探测颗粒体系在直剪过程中声速与剪切应力的变化关系.发现声速在剪切开始后随着剪切应力的增加会迅速减小.而在应力达到屈服点之后,声速变化逐渐变缓并趋近于一个稳定值.剪切作用对声速变化的影响小于20%,而非所预测由于剪切带的形成,声波(尤其是横向波)的振动无法通过剪切带而使得探测的飞行速度变为零.这是由于直剪的应变率甚低于声波的频率,直剪的颗粒体系可被视为局部区域膨胀的准静态的弹塑固体.结合等效介质理论和颗粒弹性理论对以上结果进行了解释和讨论.     

浸润接触线的摩擦性质与固体表面张力的Wenzel行为

依据Adam和Jessop关于固-液-气三相接触线具有静摩擦性的观点，能从浸润接触角数据推算 出固体的表面张力系数，但结果显然会与摩擦条件的具体形式有关.以报道的不锈钢和聚丙 烯实验数据为例，通过对比Mises和Amonton两种摩擦定律给出的表面张力系数，后者给出的 张力才具有总是随表面粗糙性的增大而增加的Wenzel效应，以及当固-液，固-气界面的张力 系数之差等于液-气界面的张力系数时，退后角将变为零的全浸润条件.这似乎表明用Amonto n定律描写接触线的静摩擦要更为合理. 关键词： 浸润角 静摩擦 固体表面张力