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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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     

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.     

Stress distribution and surface instability of an inclined granular layer

Static granular materials may avalanche suddenly under continuous quasi-static drives. This phenomenon, which is important in many engineering applications, can be explained by analyzing the stability of the elastic solutions. We show this for a granular layer driven by its inclination angle in gravity, where the elastic problem can be solved generally and analytically. It is found that a loss of stability may occur only at the free surface of the layer. This result is considered to be relevant for understanding surface avalanches and the flows observed experimentally.     

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.