颗粒物质(上)

颗粒物质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类型之一．大量颗粒组成的离散态物质体系具有特别的性质和运动规律．颗粒物质表现出许多不同于固、液、气物质的奇特现象和独特的运动规律．由于对颗粒物质运动规律的理解具有重要科学意义和应用背景，近十年来颗粒物质研究逐步成为物理学研究中的一个活跃领域．文章综述了颗粒物质的一些主要特性，如颗粒物质的静态性质、振动行为、流动特性等，其中也包括文章作者的一些新近研究结果．限于篇幅，文章分为上、下两部分发表．第一部分在对颗粒物质作一般介绍后讨论颗粒物质的静态特性，第二部分则主要讨论颗粒物质振动时的行为和流动性质．     

颗粒物质的两个典型效应及其研究现状的分析

概述了颗粒物质领域中粮仓现象和巴西坚果效应两个典型现象及其解释理论，分析其理论的成功和不足之处，并给出了一些看法。     

振动条件下颗粒的分离现象

介绍并分析比较了竖直振动条件下巴西坚果效应与反巴西坚果效应形成的机制和转化条件,以及水平振动下颗粒的分离现象,提出一些意见和建议.     

颗粒物质内部滑动摩擦力的非线性振动现象

实验研究了探测棒竖直穿过圆筒中颗粒物质运动时所受的滑动摩擦阻力.研究发现，厚度为容器直径的0.5到2倍之间，粒径为2 mm的颗粒堆，对探测棒的滑动摩擦力在一个平均水平上随时间作非线性振动.当探测棒以小于2×10^-3 m/s的匀速率上升时，滑动摩擦力平均水平超过初始最大静摩擦力F₀的0.2到0.5倍，变化范围可从F₀到2F₀.频率低于1.35 Hz时，各种频率成分的强度随频率增加按幂函数方式衰减，其主要部分的平均周期T与探测棒运动速率v成反比关系. 关键词： 颗粒物质 滑动摩擦力 非线性振动     

颗粒物质中的空洞效应

通过实验研究了颗粒体系内部的空洞对整个颗粒体系的影响.当在颗粒体系中向上提拉探测棒时,棒下端即刻产生空洞.由于空洞的存在,将导致整个颗粒体系内部结构的崩塌,崩塌的情况可通过测定棒受到的摩擦力来研究.实验发现整个体系崩塌的时间t与空洞产生的深度h间存在着一个指数的对应关系,即t正比于exp(h/λ),并且这个关系不随颗粒尺寸的变化而改变.同时,还进行了二维的辅助实验,对颗粒体系内部的情况进行了较为细致的观察.     

颗粒物质(下)

根据热力学基本原理，一个封闭体系总会趋于自由能最小的状态．例如，不同原子或分子组成的混合气体封闭系统，不管初始状态如何，或受到外界怎样的干扰，最终都会通过扩散等热运动，使系统的熵达到最大，形成均匀分布的平衡态．而对于颗粒物质，正如前面所述，相当于处在kT=0的状态，除非受到外力作用，系统的结构形态永远保持不变．     

粮仓效应的底部与侧壁压力的实验验证

为了探究颗粒物质的粮仓效应和验证Janssen模型的正确性,设计制作了侧壁可整体上下移动的实验装置,该装置不仅可以测量粮仓底部正压力,还能够测量任意深度的侧壁压力.理论推导出了方柱体底部正压力随颗粒堆积高度的变化规律,以及侧壁压力随深度的变化关系,并进行了数值模拟.结果 表明:实验测量值和理论模拟值符合得较好:当粮仓中...     

一种颗粒底部压力不趋向饱和的粮仓系统

随着深度的增加竖直圆筒容器中的颗粒物质会把自己的重量逐渐转移到容器的侧墙壁上,使容器底部的压力出现不随筒中颗粒材料高度的增加而增加的饱和现象.但值得注意的是,圆筒中的颗粒柱体并不总是表现为这个称为粮仓效应的力学状态.例如当改变侧墙壁的力学环境使其无法承担颗粒的重量时,柱底部的压力显然将随其高度的增加而线性地增加.本文分析讨论了Janssen模型假设对这类处于静力平衡下,但违反粮仓效应的颗粒系统的行为预测. 关键词： 颗粒物质 粮仓 静摩擦 应力     

颗粒物质中圆棒受到的静摩擦力

通过实验研究了圆棒在颗粒物质中受到的摩擦力与颗粒填充高度及棒径的关系.观测到摩擦力随颗粒高度和棒径而增大.用连续介质模型推导了摩擦力公式，与实验观测基本一致.结果表明，摩擦力和棒径成正比；当颗粒高度很小时，摩擦力与颗粒高度平方成正比；而当颗粒堆积很高时，摩擦力与高度成正比，即静摩擦力与接触面积成正比. 关键词： 颗粒物质 摩擦力     

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。     

Effects of container geometry on granular segregation pattern

In a set of vibrating quasi-two-dimensional containers with the right-hand sidewall bent inward, three new segregation patterns have been identified experimentally including a Two-Side segregation Pattern, a Left-hand Side segregation Pattern and a pattern where big particles aggregate to the upper left part of the container. In a container with small bending degree, either the two-side segregation pattern or the left-hand side segregation pattern is stable, which is determined by the initial distribution of particles.     

振动颗粒混合物中的三明治式分离

在竖直振动两种颗粒的混合物的实验中，观察到了一种新的分离现象——“三明治”式分离，即大而重的颗粒被夹在两层小的轻颗粒之间.这不同于“巴西果”效应导致的大而重的颗粒在上的两层有序结构.实验表明当振动加速度大于某个临界值时这种三层有序将取代两层结构，而且是稳定的.实验中观察到导致“三明治”式分离的两种不同的分离过程.对这两种过程的物理机理及其与振动加速度、振动频率及颗粒尺寸等因素的关系做了研究，并给出了相图. 关键词： 颗粒物质 振动 有序结构 三明治式分离 巴西果效应     

垂直振动作用下二元混合颗粒分层的动态循环反转

在对垂直振动下的铜颗粒和氧化铝颗粒混合物的研究中,除了观测到巴西果分层和混合分层外,还发现了一种新的随时间周期变化的分离形态. 此分离形态可随着时间的演化,在巴西果、反巴西果和三明治这几种分层构型之间进行动态的循环反转. 给出了这种反转态出现的相区,并且观测了其动态转变的规律. 根据碰撞、磨擦及空气的耗散作用所产生的耗散结构对循环反转态的出现给出了定性的解释,并通过实验证实这种分层构型与空气的存在有密切的关系. 关键词： 颗粒物质 巴西果效应 相分离     

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.     

Directed segregation in compartmentalized bi-disperse granular gas

A bi-disperse granular gas in an asymmetrical two-compartment system is studied experimentally. The presence of asymmetry within the range of our experimental parameters results in a directed segregated state and a directed clustering state. This deterministic system does not depend on the initial conditions. A modified flux model based on Lohse's flux model for bi-disperse granular gases is derived. The modified flux model explains qualitatively the experimental results.     

Directed segregation in compartmentalized bi-disperse granular gas

A bi-disperse granular gas in an asymmetrical two-compartment system is studied experimentally.The presence of asymmetry within the range of our experimental parameters results in a directed segregated state and a directed clustering state.This deterministic system does not depend on the initial conditions.A modified flux model based on Lohse’s flux model for bi-disperse granular gases is derived.The modified flux model explains qualitatively the experimental results.     

准二维二元混合颗粒动态循环反转分层的体积效应

对垂直振动作用下准二维二元混合颗粒系统的动态循环反转分层现象进行了系统研究,得到了频率与加速度的关系相图,并观测到分层的动态循环反转区域. 发现动态循环的反转周期与颗粒总体积的变化有单调递增关系. 利用Hong的竞争机制理论对动态循环反转的现象及其体积效应的机理给出了解释. 关键词： 颗粒 分层 周期     

二维晶格颗粒堆积中侧壁的压力分布与转向系数

颗粒物质是大量颗粒聚集在一起的软凝聚态物质, 其微观结构与宏观力学性质的联系非常复杂. 本文用实验的方法观测了二维竖直晶格堆积颗粒, 在竖直方向外加正压力作用下其侧壁的受力分布情况, 根据实验结果详细讨论和分析了颗粒体系中正压力的转向行为. 实验结果表明: 在缓慢压缩颗粒体系的过程中, 正压力的变化呈现非线性和线性两段不同的规律; 对于确定堆积结构的颗粒体系, 竖直方向施加的正压力通过颗粒力链转向, 且水平方向不同堆积高度处所受压力值不同, 中部的压力大于顶部和底部的压力; 转向系数k的饱和值随堆积角θ 的增大而减小. 对颗粒堆的几何结构与受力情况进行分析, 给出了转向系数与堆积角之间的数学表达式, 理论值与实验值符合较好.     

颗粒物质“巴西果”分离的影响因素及分离机制概述

“巴西果”分离（BNS）是振动颗粒物质的一个主要现象.近几年来,寻找影响“巴西果”分离的因素及其形成的物理机制受到众多学者的广泛关注.文章系统地总结了影响“巴西果”分离的各种因素及相关物理模型,指出了各种模型的适用范围及存在的不足.阐述了目前颗粒物质研究热点及今后需要开展的研究工作的方向.