颗粒物质的振动分离结构的不稳定性

论文摘要

颗粒物质是指尺寸在几十微米以上的固体颗粒构成的离散体系。它广泛存在于自然界中,如:沙粒、矿石、谷物、食盐等,是最为人们所熟悉的物质类型之一。颗粒物质在工业、农业、建筑业等方面具有广泛的应用并起着重要作用,同时颗粒物质体系具有复杂的特性和奇特的行为,容器中的颗粒物质在振动作用下会发生分离、对流并形成斑图;颗粒物质在管槽中运动时会发生成拱、阻塞或出现断流。近年来,随着人们对颗粒物质研究的不断深入,在颗粒物质的静态行为、振动行为、流动行为以及外电场中颗粒之间相互作用等方面进行了实验研究、理论分析和数值模拟等并取得了一些有意义的成果。两种混合颗粒物质在竖直振动的容器中会发生分层现象,根据现象的不同大致分为‘巴西果’分离、反‘巴西果’分离、‘三明治’分离、水平‘巴西果’分离等。有时分离结构是不稳定的,如先发生‘巴西果’分离后,再逐渐增大约化振动加速度,交界面就开始扭曲,可形成‘三明治’分离结构。颗粒物质振动分离结构不稳定性的理论基础是瑞利-泰勒不稳定性原理,在重力场中,当密度较大的液体压在密度较小的液体上面时,它们边界上一旦有小的扰动就会发展成为不稳定的流动,由于重者在上、轻者在下的系统势能较大,它们需要互换位置才能趋于稳定,这是由重力推动的,所以又称重力不稳定性。由此引伸,在加速度场中同样适用。实验中确定影响颗粒物质振动分离结构不稳定性的因素,如约化振动加速度、振动频率、颗粒床的高度、试管口径的尺寸、颗粒物质的体积比等。实验中还发现,当振动分离结构不稳定时所对应的约化振动加速度值恰在颗粒床二倍周期分岔点附近;这时与压力传感器相连接的示波器,显示出的脉冲信号为‘双峰’图像。因此要分析分离结构的不稳定性与倍周期运动和‘双峰’现象之间的联系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题的研究目的和意义
• 1.3 颗粒物质的研究现状及分析
• 1.3.1 颗粒物质的特性
• 1.3.2 颗粒物质的振动分离结构
• 1.3.3 振动分离结构的不稳定性
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 不稳定性的理论模型及实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 颗粒物质振动分离结构不稳定性的理论模型
• 2.2.1 瑞利-泰勒不稳定性原理
• 2.2.2 耗散作用所产生的耗散结构
• 2.3 颗粒物质振动分离结构不稳定性的实验研究
• 2.4 影响振动分离结构不稳定性的因素
• 2.4.1 约化振动加速度对分离结构不稳定性的影响
• 2.4.2 振动频率对分离结构不稳定性的影响
• 2.4.3 颗粒床的高度对分离结构不稳定性的影响
• 2.4.4 玻璃容器的直径对分离结构不稳性的影响
• 2.4.5 颗粒床的体积比对分离结构不稳定性的影响
• 2.5 本章小节
• 第3章 倍周期运动对不稳定性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 倍周期运动的机理
• 3.3 倍周期运动对分离结构不稳定性的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 ‘双峰’对不稳定性的影响
• 4.1 引言
• 4.2 ‘双峰’实验现象及理论分析
• 4.3 蹦球模型的建立
• 4.4 ‘双峰’现象与分离结构不稳定性的联系
• 4.5 蹦球模型的优缺点分析
• 4.6 ‘双峰’、倍周期运动与分离结构不稳定性之间的联系
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢