重力作用下颗粒介质应力链的离散元模拟

用离散元的方法模拟了仅有重力作用的二维颗粒系统内部力的分布情况,并根据力的大小得到颗粒之间的应力链.模拟结果与颗粒介质研究中的两个著名模型q模型和α模型作了对比,并与光弹实验的结果作了比较.对比结果表明,模拟结果与实验相似,而与两个概率模型有一定的差异.另外计算结果还表明,颗粒介质中力大小的概率分布极为不均匀,较大的力概率呈指数衰减,应力链的分布具有分形特征. 关键词： 颗粒介质 离散元 应力链 光弹实验     

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     

离散颗粒层被横向推移过程中的力学行为研究

研究发现,颗粒物质层被匀速推移挤压过程中,所需推移力先以线性规律增加,在某一确定点后,则会以指数规律增加.而颗粒物质是由众多离散颗粒组成的软凝聚态物质,其宏观上反映的是离散颗粒的个体性质和凝聚态物质的集体效应.颗粒与颗粒之间以及颗粒与边界之间的细观尺度接触力链的构成以及演变规律将会直接影响各种宏观受力情况,其摩擦力与挤压力便是力链的主要构成形式.围绕着定量描述细观力链特征,从而揭示力的变化规律这一目标,采用计算机模拟的方法,依照球形颗粒Hertz法向接触理论和Mindlin-Deresiewicz切向接触理论,对重力作用下不同数目的三维等径球体颗粒层的推移情况进行了离散元仿真模拟,量化分析了推移力变化规律、各摩擦力变化规律以及力链分布规律,发现摩擦力与挤压力在颗粒堆积的不同阶段对力链的构成起到了不同的主次作用,使得力链发生强弱演变,从而发现了推移颗粒物质层时推移力的变化规律及原因.这些结果有利于从力链角度揭示颗粒内部和颗粒与各边界之间的受力情况.     

颗粒堆内微观力学结构的离散元模拟研究

将离散单元法应用到三维堆积过程的模拟计算,探讨了滑动摩擦及滚动摩擦对堆积形成的影响,得到了颗粒堆内部的应力分布规律,发现颗粒堆的形态是由滑动摩擦和滚动摩擦共同决定的,在堆内颗粒间的作用力基本呈树状结构.在模拟得到的颗粒堆中出现了应力分布奇异现象,在堆积角较大的情况下,颗粒堆与地面间作用力的最大值常发生在距堆底中心不远的环状区域,而并非发生在堆底的中心;在堆积角相对较小时颗粒堆与地面间作用力的最大值较容易发生在堆底的中心.对于一个颗粒堆,具体会发生哪种受力情况具有一定的偶然性. 关键词： 堆积 离散单元法 计算颗粒力学     

湿颗粒堆力学特性的离散元法模拟研究

利用基于线性黏聚接触模型的离散元法对不同颗粒系统的堆积过程进行了数值模拟研究,分析了颗粒形状和湿颗粒间液桥力对颗粒堆积形态的影响机理,获得了球形和块状湿颗粒堆基底表面所受的法向力以及堆中颗粒间的法向力和切向力"中心凹陷"式的分布规律,讨论了颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面作用力和颗粒间作用力的影响.研究结果表明,颗粒形状和液桥力对颗粒堆的堆积形态具有显著的影响.堆积角随着黏聚能量密度的增加而增大,并且相同条件下的块状颗粒堆积角大于球形颗粒.颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面所受作用力和堆中颗粒间的作用力变化及最大幅值均有影响作用.当黏聚能量密度值逐渐增大时,颗粒堆的作用力最大幅值均逐渐增大,并且块状颗粒堆的作用力最大幅值大于球形颗粒堆.当黏聚能量密度值过大时,颗粒堆力学特性更加复杂,液桥力对颗粒堆积特性的影响作用大于颗粒形状的影响.     

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     

颗粒复合介质在高温下的光学双稳特性

利用Maxwell-Garnett近似，结合谱表示方法，理论研究了金属/绝缘颗粒复合介质的光学双稳特性随环境温度的依赖关系.数值结果表明，体系的光学双稳区域随环境温度的升高而逐渐变窄，甚至消失.还进一步研究了复合体系的折射系数和消光系数随温度的变化关系. 关键词： 颗粒复合介质 光学双稳     

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。     

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.     

爆炸平面冲击波在金属颗粒介质中的衰减

 分析了颗粒介质在冲击载荷下的加载、卸载本构关系,应用特征线理论对平面一维爆炸冲击波在颗粒介质中的衰减进行了计算。结果表明：组成颗粒的材料、孔隙率及炸药的爆速决定了初始冲击波峰值的大小。炸药爆速越高,介质孔隙率越大,材料本身的冲击阻抗越大,初始压力越高。炸药长度、材料本身的冲击阻抗及介质的孔隙率决定了冲击波的衰减速度。炸药长度越小,材料本身的冲击阻抗越大,介质的孔隙率越高,冲击波衰减越快。     

重力驱动下运动物体在颗粒介质中的最大穿透深度

通过高速摄像的跟踪，研究了重力场中球形下落物体对松散颗粒床进行撞击并进入颗粒床内的运动过程.运用已得到的颗粒体系中运动物体的阻力模型，分析了物体质量对穿透深度的影响.研究表明，当物体与颗粒床撞击的初始速度较小时，物体在颗粒床中的最大穿透深度与物体质量呈近似线性关系. 实验得到的结果与模型符合很好. 关键词： 颗粒体系 阻力 动力学过程     

Effect of granular size on the angle of repose in the chute

Avalanche in the chute has been studied to examine how the sizes of granules affect the angle of repose θ _r when the width of the chute is fixed. The results show that the angle of repose in the chute has exponential decay with λ, which is the reciprocal of granular diameter d. The fluctuation of the angle of repose is also studied during the chute being tilted, and the results indicate that the fluctuation of the angle of repose increases with the increase of granular diameter d. Supported by the Youth Project Foundation of Taizhou University (Grant No. 06QN08)     

颗粒密度对旋转筒内二元颗粒体系分离的影响

用分子动力学的方法研究了颗粒密度对旋转筒内二元颗粒体系混合与分离的影响. 当增大粒度较小的颗粒密度时, 颗粒体系表现为巴西果效应, 而增加粒度较大的颗粒密度时, 分离状态则会发生反转, 表现为反巴西果效应. 进一步的研究发现二元颗粒体系的分离指数与颗粒的密度比之间存在定量的关系, 并利用Hong的渗流与凝聚竞争机理理论对密度分离状态的反转现象给予了理论解释.     

气压对颗粒物质振动分离的影响

文章作者系统地研究了垂直振动颗粒床中，在不同气压、颗粒尺寸以及密度情况下大球的运动规律。实验发现，系统处于真空状态或低气压时，大球总是向上运动。然而，当在通常大气压下，大球则会出现上升和下降两种运动状态。大球下降这种运动状态，只在大球的密度和颗粒床中颗粒尺寸足够小时才会出现，颗粒床中的负气压梯度导致大球下降。     

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     

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     

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.     

Effect of number density on velocity distributions in a driven quasi-two-dimensional granular gas

The motion of mono-disperse spherical steel particles in a vibration driven quasi-two-dimensional (2D) square cell is studied. The cell is horizontally vibrated to eliminate the effect of gravity compaction. The velocity distributions at different particle number densities are studied and found to obey the form exp[-β(|vy|/σy)α], in which v y and σ y are velocity and its variance in the transverse direction, and α and β are fitting parameters. The value of α is found to decrease with the number density of particles increasing. To investigate the effect of the bottom plate, the molecular dynamics simulation without considering any bottom friction is performed. The accordance between the simulation result and the experimental result shows that the influence of bottom plate friction force on the high energy tail of the velocity distribution can be neglected.