Effect of size polydispersity on the structural and vibrational characteristics of two-dimensional granular assemblies

Two-dimensional disordered granular assemblies composed of 2048 polydispersed frictionless disks are simulated using the discrete element method. The height of the first peak of the pair correlation function, g1, the local and global gbond orientational parameters lψ6and ψ6, and the fluctuations of these parameters decrease with increasing polydispersity s,implying the transition from a polycrystalline state to an amorphous state in the system. As s increases, the peak position of the boson peak ωBP shifts towards a lower frequency and the intensity of the boson peak D(ωBP)/ωBP increases, indicating that the position and the strength of the boson peak are controlled by the polydispersity of the system. Moreover, the inverse of the boson peak intensity ωBP/D(ωBP), the shear modulus G, and the basin curvature SIS all have a similar dependence on s, implying that the s dependence of the vibrational density of states at low frequencies likely originates from the s dependence of the basin curvature.     

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.     

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.     

汶川地震堰塞体及相关力学问题

2008年5月12日,爆发了里氏8.0级汶川特大地震,120多秒内,形成了南起康定,北至青川,呈北东一南丙走向的长约300km、宽约30km的破裂带,当时山崩地裂,秀美河山被疯狂撕扯,尤数生灵瞬问淹没于碎石瓦砾之中.由于四川复杂的地质地貌条件和丰沛水系,这次地震诱发了大量的崩塌、滑坡、泥石流和堰塞湖等山地灾害.极震区有明显危害和威胁的堰塞湖34个,其中唐家山堰塞湖为震后最大的山地次生灾害,严重威胁下游沿岸城镇、村庄、水利水电设施和100余万人生命财产安全,是震后抢险的重中之重.清华大学水利水电工程系部分师生不畏艰险,始终奋战在抗震抢险第一线,为唐家山堰塞湖抢险提供水文预报和决策咨询服务等,对肖家桥堰塞湖进行现场踏勘,获得了翔实的第一手资料.目前正在深入开展有关堰摩体的几个具有挑战性的关键力学问题研究,首先,堰塞体形成机制问题,亦即地震诱发的崩塌和巨型滑坡填充河道的动力过程;其次,堰塞体的溃决机制问题,除了关心泻流时下游洪峰流最外.更关注堰塞体的冲刷过程,以及砾石、块石等大粒径滑坡堆积物构成的堰塞体蠕变和变形机理等.这些问题正是侧重机理研究的颗粒物质力学的主要研究内容之一.由于堰塞体颗粒组成复杂,基于唯象描述的土力学和散体力学显然不适合堰塞体力学行为的基础研究.     

颗粒介质固-流态转变的理论分析及实验研究

颗粒介质由大量离散的颗粒聚集而成,因而与传统固体和流体不同,运动过程中的颗粒介质中可能同时存在多种流态及其相互间复杂的转换过程. 颗粒介质弹性失稳机理、不可恢复应变量化是研究颗粒介质固态和流态及固-流态转变的关键. 在前期建立的双颗粒温度热力学(two-granular-temperature, TGT) 理论基础上,确定了颗粒介质的弹性稳定性条件,建立了不可恢复应变流动法则,搭建了描述颗粒固态-液态及其相互转化的简单模型. 颗粒堆积体坍塌过程是典型的颗粒介质固态和流态及其转变过程,因此本文首先开展了25 167 个陶颗粒堆积体坍塌过程的实验研究,并使用基于TGT 理论的物质点方法和离散元方法对物理实验进行了模拟. 结果表明,模型数值结果与物理实验在颗粒堆坍塌过程中的形态、速度分布等细节上吻合很好,同时也发现了现阶段所使用的物质点方法和TGT 理论的不足. 初步说明TGT 理论可以实现颗粒介质固态和流态,以及状态转变的描述.      

颗粒离散元法研究进展

回顾了颗粒离散元法(DEM)的发展过程.综述了该方法的理论和各种颗粒作用模型，包括各种实用的干颗粒 DEM模型和研究中的湿颗粒建模的进展；介绍了国内外颗粒离散元法模拟的成就以及离散元法与其他数值方法结合的扩展性研究的进展.最后指出了存在的问题，并对发展动向进行了预测.     

摩擦颗粒体系各向同性压缩过程中的堵塞行为

利用分子动力学方法,模拟了5000个表面轻微摩擦(μ=1×10^-4)的弹性颗粒组成的体系在各向同性压缩过程中的堵塞(jamming)现象,研究了颗粒体系对边壁压强P和对关联函数第一个峰的高度g₁随体积分数φ的变化规律. 结果表明,当体系的体积分数φ大于临界体积分数φ_c时,P(φ)曲线表现出明显的黏滑(stick-slip)行为,法向的力-力关联函数、切向的力-力关联函数和颗粒的位置-位置关联函数同时发生跳变,说明宏观黏滑现象源自内部的力位形和几何构形的调整. 体系在φ缓慢增大过程中得到了不同的堵塞态,随着颗粒粒径的缓慢减小,体系得以松弛(unjamming),实现松弛过程并得到相应的φ_c. 对于不同堵塞态,其边壁压强P与φ-φ_c遵从幂律标度P∝(φ-φ_c)^0.964. 关键词： 堵塞相图 对关联函数 力-力关联函数 标度规律     

点载荷作用下密集颗粒物质的传力特性分析

利用颗粒离散元商业软件PFC3D, 模拟了在2m*1m*0.01m容器中直径分别为0.01m, 0.008m和0.006m的颗粒各1*10$^4$个, 受重力作用下的静态密集堆积; 以此为初始条件, 在表层随机选择7个颗粒分别施加5.2*10$^{ - 2}$N(100倍最大颗粒重量)的点载荷, 进行应力传播特点研究. 结果表明: 力的传递在局部范围内呈现很强的各向异性; 应力涨落随着距离的增加呈指数下降; 在大于5倍最大颗粒粒径时, 其分布可以使用弹性力学理论来计算. 探讨了摩擦系数$\mu =0$, 0.2, 1对应力传递的影响, 随着摩擦系数的增加, 各向异性范围减小.     

二维圆盘颗粒体系声学行为的数值研究

数值测量了卸载过程中二维单分散圆盘颗粒系统的横波、纵波声速、声衰减系数、非线性系数随压强的变化以及声衰减系数随频率的变化.结果表明,二维(2D)圆盘颗粒体系的横波、纵波声速均随压强呈分段幂律标度:当压强P10~(-4)时,横波、纵波声速随压强的增大而减小;当P10~(-4)时,有v_t~P~(0.202),v_l~P~(0.338).进一步得到其剪切模量和体积模量的比值G/B也随压强呈幂律标度,G/B~P~(-0.502),暗示在低压强下,与三维(3D)球形颗粒体系类似,2D圆盘颗粒体系也处于L玻璃态.水平激励和垂直激励下2D圆盘颗粒系统的衰减系数随频率变化也呈现分段行为:当频率f0.05时,衰减系数不随f变化;当f0.05时,横波纵波的衰减系数α~f;当f0.35时,横波衰减系数α_T~f~2,纵波衰减系数α_L~f~(1.5).此外,竖直水平激励下的2D圆盘颗粒系统的非线性系数和衰减系数随压强也呈现与声速类似的分段规律:当P10~(-4)时,横波非线性系数β_T~P~(-0.230),其余都不随压强变化.当P10~(-4)时,两者均随压强增大呈幂律减小:β_T~P~(-0.703),β_L~P~(-0.684),α_T~P~(-0.099),α_L~P~(-0.105).进而得到2D圆盘颗粒系统中散射相关的特征长度?~*随压强呈幂律标度,当P10~(-4)时,?~*~P~(-0.595);当P10~(-4)时,?~*~P~(0.236).     

准静态颗粒流流动规律的热力学分析

本文分析了颗粒流的介观结构及其特征,提出了颗粒流的双颗粒温度概念Tkin和Tconf,表征颗粒无序运动和构型无序演化的程度;进而作为非平衡变量,与经典非平衡热力学(classical irreversible thermodynamics,CIT)变量共同构成颗粒流的热力学状态变量集,确定了颗粒流的能量转换规律和熵产生率等,发展了颗粒流双颗粒温度(two granular temperate,TGT)模型.以体积恒定的简单剪切准静态颗粒流为例,结合离散元模拟(discrete element method,DEM),确定了双颗粒温度模型所需的材料参数,分析了颗粒流发展段的规律和稳恒段的有效摩擦系数.