颗粒物质流动和静态若干问题的研究

论文摘要

近十多年来,颗粒物质已逐渐成为物理学研究中的一个活跃的领域。颗粒物质作为自然界广泛存在的一类物质形态,在工农业生产和地球物理研究中都起着重要的作用。本论文通过实验和计算机模拟的方法研究了颗粒物质流动和静态的几个问题,主要包括三个方面：外界约束对颗粒流状态的影响,颗粒系统整体的弹性和水平扰动对崩塌的作用。在论文的第一章里,我们首先扼要地介绍了近些年来有关颗粒物质领域的一些进展,包括它的静态特性、流动特性和由振动引起的一些性质,以及一些相应的应用背景。第二章研究了通道宽度对稀疏态漏斗颗粒流的影响。实验发现在所有条件（初始流量,漏斗开口）都不改变的情况下,增大斜面通道的宽度,可以使颗粒流更容易转变为密集流。通过分子动力学（MD）模拟,我们发现这种转变和漏斗出口处颗粒的碰撞规律有关。当横向碰撞的概率会大于纵向时,颗粒流就会由稀疏态向密集流转变。改变通道宽度则会影响这种临界行为。第三章研究的是粗糙边界对稀疏态快速斜面流的横向流量分布的影响,实验发现了一种马鞍形双峰的流量分布。边界粗糙度、斜面宽度以及斜面倾角等都会对具体分布产生影响。通过MD模拟,我们进一步研究了快速斜面流横向分布的具体演化情况和产生双峰分布的原因。模拟揭示,双峰的流量分布是颗粒流被边界激励,进一步扩散的标志。第四章我们通过MD模拟研究了颗粒系统弹性的问题。模拟结果发现在受压形变较小的情况下,系统的弹性特性的确可以拥有大于3/2的指数特性,即有Ppiston=k（6／d）α,a=3.5.这和以往的实验结果有很好的吻合。在形变继续变大的时候,弹性行为则满足3/2指数的Hertz弹性特性。模拟揭示,这种行为和颗粒内部受压时的结构调整有关,可以从压力的分布上看出明显的区别。同时,受压形变较小的时候,弹性系数κ也较小,所以实际这时候颗粒硬度并没有变大。第五章中,通过可调的水平振动作为扰动,我们研究了沙堆受外力崩塌时的物理机理。实验发现崩塌只和沙堆受的外力的大小有关,而和外力的形式无关；不同方向的振动都会起作用。边界的影响则会随着沙堆的变大而逐渐消失。沙堆在受外力扰动的时候,自身有一定的减震作用,通过修正的Mohr-Coulomb条件可以很好地描述这种行为。另外,结果显示,沙堆表面也对崩塌也很敏感,表面不能承受很大的挤压（或者说张力）,这个结果很类似液体的行为。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 引言
• 第一章 颗粒物质研究的概述
• 1.1 颗粒的静态性质
• 1.1.1 粮仓效应
• 1.1.2 力链和静态应力分布
• 1.1.3 沙堆应力凹陷和历史相关性
• 1.1.4. 颗粒物质的弹性
• 1.2 颗粒的流动性质
• 1.2.1 沙堆静止角,崩塌和表面流
• 1.2.2 漏斗流和堵塞
• 1.2.3 直通道流动
• 1.3 颗粒的振动特性
• 1.3.1 振动分离
• 1.3.2 斑图形成
• 1.3.3 水平振动导致的流化
• 1.4 本文的研究思路、内容和意义
• 参考文献
• 第二章 通道宽度对漏斗颗粒流量的影响
• 2.1 引言
• 2.2 不同通道宽度的实验研究
• 2.2.1 实验装置和方法
• 2.2.2 实验结果和讨论
• 2.3 分子动力学模拟
• 2.3.1 计算机模拟的模型和方法
• 2.3.2 模拟结果和分析
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第三章 边界对直通道颗粒流的影响
• 3.1 前言
• 3.2 直通道颗粒流的实验研究
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 通道宽度和倾角对二维斜面颗粒流的影响
• 3.2.3 不同边界对二维斜面颗粒流的影响
• 3.3 直通道颗粒流分子动力学模拟
• 3.3.1 模拟的模型和方法
• 3.3.2 模拟和实验结果比较
• 3.3.3 颗粒流分布随时间的变化过程
• 3.4 与其它理论的比较
• 3.5 结论
• 参考文献
• 第四章 颗粒系统的弹性行为
• 4.1 前言
• 4.2 模拟模型和方法
• 4.3 模拟结果
• 4.3.1 纵向压力分布
• 4.3.2 弹性特性
• 4.3.3 下压速度的影响
• 4.3 总结
• 参考文献
• 第五章 水平振动导致的沙堆崩塌
• 5.1 前言
• 5.2 实验装置
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 不同频率下的崩塌
• 5.3.2 颗粒尺寸的影响
• 5.3.3 不同方向水平振动的结果
• 5.4 实验结果和Mohr-Coulomb条件的比较
• 5.5 总结
• 参考文献
• 附录
• 期间论文发表情况
• 致谢