直剪颗粒体系的尺寸效应研究

本文通过改变直剪盒内高精度球形玻璃珠粒径、直剪盒厚度和长度的比例关系来观察体系剪切应力同试样边界条件的关系．发现随着玻璃珠粒径的减小样品所能承受的剪切应力会略微减小,而直剪盒长度的减小也会导致剪切应力的下降．实验结果表明直剪盒长度不足35倍颗粒粒径或者其厚度小于0．5倍直剪盒长度的时候,直剪实验具有明显的尺寸效应,现行的直剪实验指导标准应当予以修正．     

稠密颗粒介质热辐射传输特性的边界效应

稠密颗粒介质在自然界和工业生产中广泛存在。在高温条件下,辐射对传热过程有十分重要的影响,并且在实际工程应用中,边界的作用不可忽略。本文采用辐射传递函数(RDF)作为表征体系内辐射换热的特性参数,它是辐射传递因子(RD)从离散尺度到连续尺度的扩展,不仅包含几何信息还包含辐射能量信息。因此它可以完全表征体系中的辐射换热,从而有助于直观地分析边界对颗粒热辐射传输特性(以RDF分布进行表征)的影响。分析了在靠近反射性边界时颗粒填充率和颗粒表面发射率对颗粒热辐射传输的影响,结果表明,边界对于由RDF表征的系统内颗粒热辐射传输有重要影响,颗粒填充率和颗粒表面发射率对该影响具有调节作用。研究结果有助于深入理解稠密颗粒介质中的热辐射传输机制。     

带壳颗粒复合介质光学双稳的温度效应

研究非稀释极限下带壳的球形颗粒复合介质体系光学双稳的温度效应.其中带壳颗粒是由具有线性响应的核和非线性响应的壳层组成.由于复合体系中的空间局域场是不均匀的,所以应用自洽平均场理论,解析推导核内电场平方的空间平均值与外电场的关系表达式,并对不同温度及不同结构参数下的光学双稳进行了数值计算.结果表明,双稳与温度T、结构参数k和体积分数f有关.在k和f一定时,随温度的升高,双稳效应因上阈值减小、下阈值增大而逐渐减弱,直至双稳消失;在T和f一定时,随结构参数的增大,上、下阈值都增大,而上阈值的增速较大从而导致双稳区域宽度加大. 关键词： 带壳颗粒 复合介质 光学双稳 温度效应     

非局域颗粒复合介质的相干完美吸收效应

研究了两束相干光以相同的入射角从左、右两侧分别入射到Au-SiO_2复合介质板时,在不同的体系参数下该复合材料体系发生相干完美吸收的情形.运用有效媒质理论推导出了复合介质的有效介电常数以及有效磁导率;在得到有效电磁参数的基础上进一步推导得到平面波入射复合介质板时的反/透射系数.通过比较分析非局域和局域情况下颗粒复合介质的相干完美吸收现象,发现当颗粒尺寸很小时非局域效应的影响会导致复合介质产生相干完美吸收的入射光的频率范围显著变宽.在进一步的解析计算中,通过调节复合介质板的厚度、入射光波长、金属颗粒体积分数等参数得到了不同情况下产生的相干完美吸收现象,并由此分析非局域情形下对于相干完美吸收现象的调控.     

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.     

颗粒介质的离散态特性研究

回顾了颗粒介质中应力的分布和传播模式以及物体在颗粒介质中运动所受阻力的研究进展，并报道了我们对颗粒体系中代表离散特性的颗粒尺寸效应对颗粒介质特性影响的研究.研究发现物体由于自身重量在颗粒介质中下沉的深度随着颗粒尺寸的增大单调减小；球体在下陷过程中受到的颗粒床的支撑力，除了在约1 mm范围的表面作用区域以外，与下陷深度之间满足很好的幂率关系，幂值在1.5—1.0之间，并且此幂值随着颗粒尺寸的增大而单调减小.颗粒床的支撑力与下陷深度的幂率关系可解释为颗粒介质内部应力结构重组的宏观反应结果. 关键词： 颗粒物质 离散介质力学     

阻塞态颗粒介质的慢速阻力

报导了不同尺寸的大球缓慢压入颗粒床过程中所受阻力随深度变化的实验测量结果,发现阻力曲线在不同的深度区域有不同的增长规律,存在凹—凸转变.阻力在较浅的区域满足1.3次方的幂率增长,而在较深的区域趋向0.3次方的幂率增长.通过研究凹凸转变中拐点的性质,发现这种阻力增长速度趋缓的转变不是来源于前人认为的器壁支撑导致的介质压强饱和,而是来源于侵入物自身的体积效应.此外,适用于颗粒介质快速阻力的静水压力描述并不适用于阻塞态颗粒介质的慢速阻力行为,实验表明慢速阻力对深度的依赖关系不是线性,且测得的静水压力系数也远大于理论估算值. 关键词： 颗粒介质 阻力 力链重组     

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.     

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.     

金属纳米线弹性性能的尺寸效应及其内在机理的模拟研究

本文应用分子动力学(MD)方法和改进分析型嵌入原子模型(MAEAM)研究了Ni, Al和V纳米线的弹性性能尺寸效应及表面对其影响, 并计算了相应完整晶格材料的弹性性能. 结果表明本文计算完整晶格材料的弹性性能与已有实验和理论的结果相符合. 而计算所得各金属纳米线的体模量明显低于相应块体材料的结果, 且随纳米线的尺寸增加而呈指数增加, 并接近于常数. 在此基础上, 通过研究Ni, Al和V纳米线表面能的尺寸效应及其分布特征进一步探讨了自由表面在尺寸影响纳米线弹性性能过程中的作用及其内在机理.     

运动物体在颗粒物质中的动力学过程及最大穿透深度仿真研究

利用离散元法仿真了运动物体在颗粒物质中的三维动力学过程, 仿真采用周期边界条件, 并考虑了重力、接触力、阻尼力、摩擦力的影响. 将仿真结果和相关的三维实验结果进行了对比, 两者符合较好. 仿真结果表明穿透深度与运动物体的冲击速度、运动物体质量、颗粒介质床的密度均有关系. 运动物体质量越大, 速度越快, 则穿透越深, 而且穿透深度和质量呈线性关系. 仿真过程较为真实地再现了小颗粒的飞溅现象. 关键词： 颗粒物质 动力学过程 仿真 离散元法     

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     

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.     

Effects of granular size on stress transmission in a granular column

We investigate the deflection and the fluctuation of stresses due to different sizes of granular material in a cylindrical column. It is experimentally observed that the saturation mass systemically increases with granule diameter . The results indicate the shielding of vertical stress in silo is varying. We show that the ratio between the horizontal and the vertical stresses, K, decreases with the increase in grainule diameter D. In addition, it has also been found that the presence of larger granules leads to stronger stress fluctuation on the bottom plate of silo.     

平面颗粒流的瓶颈效应及其与速度的关系

通过实验研究了二维传送带上圆片颗粒运动与开口大小及传送带速度的关系，发现当开口尺寸d固定时，存在临界速度vc，在v＜vc范围，流量Q随速度v线性增大，在vc处Q-v关系发生突变.改变颗粒运动速度v或改变开口尺寸d均有临界值，使颗粒流规律发生转变.这是由于开口尺寸或速度变化使颗粒间相互作用及颗粒流状态变化造成的. 关键词： 平面颗粒流 瓶颈效应     

Grain size effect on twin density in as-deposited nanocrystalline Cu film

Here, we report the formation of twins and grain size dependence of twin density in nanocrystalline (NC) copper films fabricated by pulsed laser deposition. It is found that the percentage of grains containing twins decreases with decreasing grain size in the grain size range of 2–10?nm. Surprisingly, although the twins were formed during the deposition process without mechanical deformation, our analysis suggests that they are most likely deformation twins formed under high internal stress existing in the NC Cu films. This phenomenon may also happen in other NC metallic thin films where internal stresses are high.     

振动颗粒物质中倍周期运动对尺寸分离的影响

实验研究了竖直振动颗粒床中,倍周期运动对尺寸分离的影响.实验中,当振动加速度足够大时,系统中出现稳定的对称对流,进一步增大振动加速度到某个临界值时,还会出现倍周期运动.观察表明,背景颗粒的对流运动对分离过程起主导作用,对流速度决定着分离过程的快慢,而在2倍周期和4倍周期分岔之后,分离时间有所减慢.对引起对流运动的起因进行了分析,以此为基础分析了倍周期运动产生影响的物理机理,并对分离时间进行了定量计算,结果与实验值符合很好. 关键词： 颗粒物质 “巴西果”效应 倍周期分岔 对流