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.     

颗粒物质的多尺度结构及其研究框架

颗粒物质力学的研究刚刚起步,目前很多方面还不完善.文章作者认为,该学科是应用性很强的基础学科,因此提出了从实际应用中去发现科学问题,进而促进颗粒物质力学基础理论发展的研究思路,并以土力学为例做了说明.土是岩石经风化作用,由重力、流水和风力等搬运和沉积而成的产物,是密集颗粒物质体系之一.土粒是构成土体骨架、传递载荷的基本单元,与颗粒间复杂分布的孔隙水、气体共同决定了土体的非线件本构关系、剪胀(剪缩)和应力路径相关等复杂特征.以研究密集分布颗粒体系的颗粒物质力学在近20年内得到充分发展,它侧重现象的机理分析和实验的精细检测,为土力学的基础研究提供了重要启示.基于文章作者多年土力学和颗粒物质力学的研究经验,提出了土体具有多尺度结构的观点:除微观的单颗粒尺度和宏观土体尺度外,细观尺度的力链是颗粒接触力传递的路径,足存在于土体内的相对稳定的结构体.建立了初步的理论研究框架,提出了力链网络的复杂动力学响应决定土体复杂本构关系的基本没想.下一阶段将从理论分析、物理试验和基于自主开发的颗粒离散元模拟3个方面进行研究,逐渐充实土力学多尺度理论体系,以期取得突破.     

二维有摩擦颗粒体系振动态密度与玻色峰的研究

利用颗粒离散元方法,研究了由2048个有摩擦的单分散圆盘颗粒组成的体系在各向同性压缩条件下,颗粒摩擦系数μ对颗粒体系结构与振动特性的影响.结果表明:固定压强下,随μ的增大,区分德拜标度与态密度平台的过渡频率ω*与玻色峰频率ωBP均向低频移动,玻色峰高度D(ωBP)/ωBP逐渐增加.主要原因是μ增大导致颗粒体系无序程度增加(平均配位数减小)而在ωω*处出现了大量额外模式.模式分析表明:低频(ω1.0)模式主要是以平动为主的混合模式,中频(1.0ω4.0)模式主要是以平动为主的混合局域化模式,高频(ω4.0)振动模式几乎为纯转动的局域化模式;并且随μ的增大,低频下平动模式更加局域化,同时低频转动模式的贡献也逐渐增加,暗示在高摩擦系数下低频转动模式产生更重要的影响.     

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.     

岩土类颗粒物质宏-细观力学研究进展

岩土类颗粒物质在自然界、工程建设以及日常生活中普遍存在,其运动特性的研究在力学界已经开展了几十年.在近20年开展的一系列小尺寸物理实验中,颗粒物质表现出许多新奇现象,人们从物理角度开展了系统研究,在统计力学中,颗粒固体的流体动力学等理论研究以及实验检测技术等方面都取得突破性进展,深刻地揭示了颗粒材料的物理机制,促使力学...     

密集颗粒体系的颗粒运动及结构测量技术

颗粒材料由大量粗颗粒堆积形成,是复杂的多体相互作用体系,呈现出颗粒尺度的结构不均匀和动力学不均匀性的基本特征,这决定了颗粒材料具有很多独特的宏观性质.借鉴学科历史的发展途径,基于统计力学,从颗粒结构和动力学开始建立颗粒材料体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径.但是,颗粒材料的基本特征决定了从基本理论到实验手段上,表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性都极其困难.这是由于现有测试分析手段所描述的颗粒系统组织结构过于简单化,缺乏对颗粒结构和动力学的真正认识,从而制约了颗粒物质研究的发展.因此,开展颗粒体系结构和动力学性质的测量,是理解和认识颗粒材料重要物理和力学问题的基础和依据.笔者来自不同的科研院所,近十年来开展了颗粒体系结构和动力学性质的测量研究,主要集中于以下两个方向:(1)数字图像测速法、散斑能见度光谱法和X射线-CT等非侵入式测量技术在颗粒运动方面的应用;(2)体积响应谱、力学谱(有效质量和内耗等)和声速测量技术等直接或间接测量颗粒接触力和颗粒结构技术.本文综述了这些实验手段的基本原理及其特点、取得的主要成果,以及国际最新进展和困难.最后是对全文的总结,结合笔者开展测量的经验和教训,提出了自己的看法,并试图展望颗粒材料测量技术研究的前景.     

泡沫物理学史拾萃

人们对泡沫习以为常,却很难理解它的奇特性质,比如几乎完全由空气组成的泡沫,既能像固体一样发生弹性形变,又能像流体一样发生流动,这正是泡沫物理学的研究内容之一.泡沫物理是一门古老的学科,早在19世纪中下叶,气泡和泡沫结构静力学的描述已经完美,之后没有大的发展,直到1990年前后,随着流体力学、微观显像技术和计算技术等学科的发展,以及受材料科学和工业生产的需求,泡沫物理研究再次活跃起来.文章第一作者曾跟随英国皇家学会院士Denis Weaire从事泡沫物理研究多年,在他的演讲和个人收藏中,文章作者积累了一些材料,在此基础上,又仔细查阅了相关文献,整理成此文,它基本概括了泡沫结构静力学发展历程中的重要事件.     

垂直振动激励下颗粒材料有效质量和耗散功率的研究

研究了垂直振动激发下钨颗粒的动态有效质量(ω) 和耗散功率p(ω)随频率ω 的依赖关系. 实验发现, 在给定的振动幅度下, 自由表面样品有效质量的实数部分M₁ (ω) 、虚数部分M₂ (ω) 以及耗散功率p(ω)随频率的变化曲线均出现一个尖锐的共振峰. 随着在颗粒上表面施加压强的增大, M₁ (ω), M₂ (ω) 和耗散功率p(ω)曲线的峰值频率向高频移动, 且峰值高度也相应增大. 进一步研究发现, 有效质量实数部分的共振频率f_g 随表面压强P的变化满足分段幂律规律, 当P较小时, 幂指数为0.3, 当P较大时, 幂指数减小为1/6. 颗粒系统的品质因子的倒数1/Q随压强P的变化满足指数衰减规律.     

颗粒尺寸分散度对颗粒体系力学和几何结构特性的影响

利用颗粒离散元方法, 研究了由2048个光滑颗粒组成的体系在各向同性压缩条件下, 颗粒尺寸分散度s对颗粒体系力学和几何结构特性的影响. 结果表明: 配位数、剪切模量、静态结构因子以及取向序关联函数等都随分散度的变化而变化, 而力的累积分布不受分散度的影响. 其中, 单分散体系(亦即s=0)的静态结构因子在低波数区域(亦即低k)遵从幂律标度S(k)∝0.2k^-4/3, 各分散度下取向序关联函数峰值符合e指数变化规律g₆(r)∝ae^-r/ξ₆, 其中序关联长度ξ₆随分散度s增大而减小. 关键词： 颗粒物质 尺寸分散度 结构因子 取向序关联