Couette颗粒系统中静态应力和侧压力系数的非线性弹性理论分析

经典弹性理论能否适用于静态颗粒物质是颗粒物理的一个基本问题.报道了非线性颗粒弹性方程对环柱几何(或称Couette几何)状样品中应力分布的计算结果.由于这些结果大都可在今后用实验直接测量,因而可将它们用于进一步判断这些弹性方程对颗粒材料的适用性以及澄清这个基本问题.另外,这些结果还可用于分析计算工程中的侧压力系数. 关键词： 颗粒物质 侧压力系数 非线性弹性理论     

边界条件对二维斜面颗粒流颗粒分布的影响

实验研究了粗糙边界条件、不同通道宽度以及不同斜面倾斜角下二维颗粒流的颗粒分布 ，发现颗粒流在稀疏流状态下尽管在现象上表现出类似流体的性质，但由于颗粒流系统的能 量耗散,所以颗粒流的速度和密度分布和牛顿流体完全不同，颗粒流在通道中的分布既受通 道宽度的影响同时也受重力场的影响，颗粒在通道中以通道中轴线呈对称分布，通道两侧的 颗粒密度明显高于通道中间，由于通道中颗粒受剪切力的作用，导致颗粒在通道中的密度分 布的变化，通道边界粗糙度明显影响着颗粒流横向分布. 关键词： 二维颗粒流 颗粒物质 稀疏流     

二维斜面粗糙边界附近颗粒流量密度分布

以往的实验研究中，已经知道粗糙边界条件下，二维颗粒流的颗粒流量是以通道中心横向对称分布的，颗粒流横向分布既受通道宽度的影响，同时也受通道斜面倾斜角的影响，而且颗粒在通道两侧的分布明显少于通道中间. 主要研究粗糙边界附近颗粒分布随通道宽度以及通道斜面倾斜角的变化规律. 在稀疏流状态以及保持边界墙体的粗糙度不变的条件下，对应不同通道宽度，粗糙边界附近10d范围内的颗粒流量密度(ξ=ρv)随斜面倾斜角的增大而减小，颗粒流量密度随通道宽度的变化存在一临界宽度Wc；在通道宽度小于Wc时，粗糙墙体附近10d范围内颗粒流量密度ξ随sinθ呈指数衰减，通道宽度大于Wc时，颗粒流量密度ξ_sinθ曲线随θ增大几乎呈线性减小. 关键词： 二维颗粒流 颗粒物质 颗粒流量密度     

二维颗粒流从稀疏态到密集态的临界转变

研究了斜槽中的二维颗粒流由稀疏到密集转变的临界现象.在二维颗粒槽的入口流量Q₀和出口尺寸d固定的条件下，记录并统计了稀疏流转变为密集流所经历的时间.研究发现，在统计时间内转变不发生的概率C(t)随时间指数衰减，其衰减的特征时间尺度α^-1(d)可以很好地由幂律函数a(d_c-d)^-γ来拟合，其中d_c为临界开口尺寸.此临界尺寸的存在确定了稀疏流到密集流转变的临界现象. 关键词： 颗粒物质 颗粒流 非平衡态相变 几何相变     

颗粒物质在冲击作用下的堆积分布

沙堆在冲击作用下的行为和静态沙堆的行为有着很大的不同.通过管道产生“高斯冲击”(速度水平分量成高斯分布)来研究沙堆堆积时的分布情况，发现沙堆自身的稳定性和外界冲击是影响沙堆形状的两大重要因素.给出了沙堆在冲击作用下高度随时间的演化方程.通过该方程，成功地得到了沙堆中心点的高度与外界参量之间的关系，并且提出了一种节能高效的颗粒混合方法. 关键词： 颗粒物质 堆积 高斯分布 冲击     

静态堆积颗粒中的力链分布

颗粒物质是由众多离散颗粒组成的软凝聚态物质,涉及多个物理层次结构和机制,是多尺度问题. 首先阐述了颗粒物质多尺度力学的研究框架,指出颗粒间接触力链构成的细观尺度是核心,颗粒物质显示出的独特静态堆积特性和动态流变特性都与细观尺度力链的复杂演变规律直接相关. 围绕着定量描述力链特征这一目标,采用严格的球形颗粒Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论,对重力作用下12000个球心共面的二维等径颗粒静态堆积进行了离散动力学模拟,对力链分布特征、接触力规律等做了量化分析,考察了颗粒 关键词： 颗粒物质 力链 离散模型 多尺度力学     

二维颗粒体系单轴压缩形成的力链结构

从接触力、能量分布和接触网络结构特点出发,提出了强力链的力大小(Fc)判据(Fc大于平均接触力〈F〉)和角度θc判据(θc=180/〈Z〉,其中〈Z〉是平均配位数),指出强力链和弱力链是本质不同的两类结构存在于颗粒体系中,其中强力链网络与体系的宏观性质直接相关.以二维颗粒体系的单轴压缩为例,计算发现了强力链长度的幂率分布规律,分析了侧向压力系数与相应强力链网络结构的关系:当内部强力链网络充分发育而不再变化时,侧向压力系数趋于稳定数值.     

瓶颈开口角对二维颗粒流的影响

实验研究了平面传送带上颗粒流的特性，主要包括传送带出口处开口宽度以及瓶颈开口角度对颗粒流的影响.实验结果发现，改变瓶颈开口角度θ，当θ大于15°时，颗粒流量Q随着cosθ呈线性变化.同时，颗粒流量Q与传送带速度v以及开口大小R也密切相关，而在θ小于15°时，颗粒流量Q基本不随开口角度变化.     

二维颗粒流通道宽度效应的分子动力学模拟

通过用分子动力学方法对颗粒物质流的计算机模拟，研究发现增大通道宽度可以使二维颗粒流从稀疏流转变为密集流状态.通过对不同通道宽度下，固定开口为9.5d的颗粒流和 漏斗口以上9.5d×8d区域记录的模拟结果分析，发现随通道宽度增大，密度变大、温 度降低.当“颗粒温度”T较低时(T/m<0.05 J/kg),颗粒流内部接触数开始超过1.2 ，同时出现较为牢固的横向链状颗粒团簇，是造成流量突变以及密集流的原因. 关键词： 颗粒物质 颗粒流 计算机模拟     

二维颗粒堆积中压力问题的格点系统模型

为了便于从理论上探究粮仓效应产生的机理,处理筒仓中颗粒介质的应力分布等问题,将二维颗粒堆积简化为格点系统,并且以随机堆积为物理背景提出了一个由吸收系数p及侧向传递系数q决定的力传递模型.给出了矩阵形式的力传递方程,提出基于二阶差分方程的方法同时求解传递系数矩阵的特征值和特征向量,从理论上导出了一种典型情况下容器底部压力分布与顶部压力分布的关系式.对有效质量随总质量变化关系的理论分析表明,该模型可以给出与Janssen模型类似的结果.对无负载情况下的底部应力分布进行了理论计算,结果表明容器底部中央应力最大,离中央越远应力越小.运用数值计算讨论了p与q对容器底部压力随堆积高度变化曲线的影响.     

不同条件下颗粒物质的粘弹性响应

研制了能承受100 MPa压强的测量装置,并用该装置对加压下制备的紧密沙堆进行粘弹性响应测量,得球形镍颗粒沙堆在周期性竖直振荡下储能模量G′与压强p 的关系. 实验结果表明,反映沙堆整体弹性特征的储能模G′与压强p 的关系为G′~p0.45;不同形状颗粒体系的粘弹性响应行为不同.     

通道宽度对二维粗糙边界斜面颗粒流的影响

在此之前已经报道了二维斜面颗粒流在通道中的分布规律以及二维斜面粗糙边界附近的颗粒 流量密度（ξ=ρ·ν）分布.本文则主要研究通道宽度W对边界附近颗粒流量密度(ξ=ρ· ν)分布的影响.结果表明，颗粒流量密度随通道宽度的变化（ξ W）存在一临界通道宽度W c.在本实验条件下临界通道宽度Wc=70d.当通道宽度小于临界宽度Wc时 ，通道中距边界20d—30d区间内的相对颗粒流量密度随斜面倾斜角的变化可描述为ξ∝( sinθ)α，α是与通道宽度W有关的参数，其数值在032至085之间. 关键词： 二维颗粒流 颗粒物质 颗粒流量密度     

颗粒物质中的奇异现象

通过分析颗粒物质中一些有别于气体、液体和固体的奇异现象,结合生活和生产中的实际例子进一步认识颗粒物质的一些基本特性、规律、有待解决的问题及研究意义.     

二维成分无序颗粒体系中法向力的分布

运用离散元法研究成分无序体系中法向力的几率分布,该体系由两种不同刚度系数的颗粒规则堆积而成, 体系的无序程度由缺陷率控制.模拟发现,无缺陷时体系的力网几乎是均匀的,而有缺陷时力网变得不均匀. 提出了主法向力与次法向力的概念,并对它们分别进行统计;随着缺陷率的增加,主法向力的分布经历了比较复杂的变化过程,而次法向力总是指数型分布.模拟结果表明,缺陷率较小时成分无序体系中的法向力分布与随机堆积体系很不相同,而缺陷率较大时得到了与随机堆积类似的结果.这些结果有助于理解力网的不均匀性与体系无序性的关系.     

颗粒堆准静态崩塌及慢速流动过程中的堆结构研究

运用自行设计的实验装置并结合颗粒跟踪与成像技术,系统地研究了不同堆积程度的颗粒堆在准静态崩塌过程中的滑移行为.实验发现在颗粒堆中一部分颗粒沿着斜下方向滑动,而另一部分颗粒则几乎没有滑动.精确的数据分析还表明颗粒堆的滑动部分具有明显的层状结构特征,在每一滑动层中颗粒的滑移量基本相同,且各滑动层之间近似相互平行.这些滑动层与水平面的夹角约在40—50之间,与静态层表面与水平面的夹角一致.各滑动层中颗粒的滑移量随其距静态层表面的距离而线性的增加.不同堆积程度的颗粒堆的静态部分基本上不随堆积体积而改变.     

颗粒物质中压力随高度的变化规律

用实验方法研究了圆筒容器中静止沙堆内策略的分布及变化规律。直接测量了颗粒物质的摩擦力，给出摩擦力与颗粒填充密度的关系，摩擦力与颗粒堆积高度的关系，并分析讨论了相关因素。