垂直激励下环形颗粒系统中的波动与流动

发布时间：2017-05-30 13:06

  本文关键词：垂直激励下环形颗粒系统中的波动与流动，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：颗粒物质在自然界中广泛存在,它与工业生产及人们的日常生活密切相关。不同于一般的固体、液体和气体,颗粒物质是一种特殊的物质形态。近几十年来,随着实验技术和计算机模拟技术的发展,人们不断揭示出颗粒物质作为能量耗散体系在外界激励下独有的许多奇特有趣的现象与独特的运动规律,比如,表面波型、隆起、对流、孤子等。这些发现不但加深了人们对非线性离散态物质的理解,还对很多类似的实际问题起重要指导作用。本论文主要介绍我们通过实验的方法对外界激励下颗粒物质在非对称周期结构中的波动与流动现象的研究工作。研究对象为垂直激励下底部有非对称锯齿结构的二维环形颗粒系统。研究内容主要包括表面波动、内部水平流动以及内部激波。对于表面波动,用摄像机拍摄颗粒系统的全局图像,再通过慢镜头回放观察系统在不同激励参数下的行为。对于内部水平流动以及内部激波,用高速数码相机拍摄系统的局部图像,再采用粒子跟踪技术对测量窗口内的颗粒运动做统计平均分析系统的内部运动。在较宽的激励参数范围内,在环形颗粒系统的表面可形成丰富的波型。这些表面波型包括谐波、纽结对、纽结对-谐波共存、“整体运动”、多扭结对、薄颗粒层中气-液混合态扭结对等。我们详细地描述了不同表面波型的形成以及它们之间的相互转化,讨论了外界激励参数以及颗粒层厚度对表面波型形成和转化的影响。还测量了扭结对的运动速度如何随外界激励参数而变化,并对其变化规律做出了解释。当有表面波动时,由于容器底部的非对称锯齿结构,在颗粒系统内部同时有水平流动。我们重点研究了谐波以及纽结对臂区的水平流动。总水平流随时间的变化表明,总流有正有负,总流的变化呈现出周期性,每当颗粒层和底板碰撞,总流都会发生急剧变化,颗粒层离开底板后,总流的变化则较为缓慢。分层的水平流随空间和时间的变化表明,在同一时刻不同颗粒层的流动也有正有负,流动的空间分布在时间上也呈现出周期性,颗粒层通过碰撞改变流动的空间分布。时间平均的总水平流随激励参数的变化表明,时间平均的总流总是随激励加速度先增加,再减小,然后再增加,第一个增加阶段对应于二分频谐波,流动随激励频率减小,第二个增加阶段对应于纽结对-谐波共存,流动随激励频率增大。可从棘齿效应和颗粒层流体化两个方面解释总流随激励参数的变化。表面波动和内部流动必然是相互关联的,我们初步探讨了纽结对的速度和水平流的速度之间的对应关系。为了和有表面波动时的情形做比较,还讨论了无表面波动时系统内的水平流动。无表面波动时,流动的变化也具有周期性。总水平流随时间的变化表明,当激励加速度较低时总流有正有负,随着激励加速度的增大,负向总流逐渐消失,激励频率对总流的影响随着激励加速度的增大越来越明显。不同时刻流动随高度的分布表明,在较低颗粒层内流动的变化较大,有正有负,在较高颗粒层内流动的变化较小,一般为正向。时间平均的总水平流随激励参数的变化表明,流动随激励加速度增大,随激励频率变化不显著。无表面波动时流动的这些变化规律和有表面波动时的情形有着本质的不同。通过分析系统的密度涨落、温度以及马赫数的时空分布,还讨论了系统内密度波和激波的形成和传播规律。当无表面波动时,在相邻两个激励周期内,系统产生的密度波是相同的。密度波由颗粒层与底板的碰撞引起,通过各层之间的碰撞非匀速向上传播。在密度波的传播过程中,颗粒层的压缩和膨胀也常常导致激波的形成和传播。我们详细讨论了激波的时空分布。激波产生于颗粒层与底板以及颗粒层之间碰撞使颗粒层温度发生突变的前沿区域,消失于碰撞后颗粒层压缩区域。激波被逐层向上传播的过程中,宽度逐渐变窄,最后激波消失在系统顶层。系统温度随激励加速度升高,而马赫数的时空分布则不随激励加速度改变。当表面波动为二分频谐波时,在一个振动周期内,波谷和底板的两次碰撞产生了两个密度波,这两个密度波一般不同。两次碰撞还产生了两个激波,这两个激波在传播至较高颗粒层时,导致系统内发生垂直运动向水平运动的转变,产生新的波峰和波谷。当表面波动为纽结对时,在一个振动周期内,臂区颗粒层和底板的两次碰撞产生了两个完全不同的密度波,这两个密度波传播很快衰减也很快。当系统内同时存在表面波动、水平流动以及激波时,情况是复杂又有趣的,我们的工作为探索颗粒物质内这三种不同的运动形式之间的相互关联性做了初步尝试。
【关键词】：颗粒物质 表面波动 水平流 激波 纽结对 谐波 非对称周期结构
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O347.7
【目录】：

• 摘要3-6
• Abstract6-13
• 符号及其说明13-21
• 第一章 绪论21-35
• 1.1 颗粒物质的研究历史21-24
• 1.2 垂直激励下颗粒物质中的实验现象24-30
• 1.2.1 颗粒物质的表面波动24-26
• 1.2.2 颗粒物质的内部流动26-28
• 1.2.3 颗粒物质的内部激波28-30
• 1.3 本论文的研究内容30-31
• 参考文献31-35
• 第二章 垂直激励下环形颗粒系统中的表面波动35-45
• 2.1 实验装置36-37
• 2.2 实验结果及分析讨论37-43
• 2.2.1 颗粒系统中的表面波型37
• 2.2.2 表面波型的形成和转化37-41
• 2.2.3 纽结对的运动速度41-43
• 2.3 结论43
• 参考文献43-45
• 第三章 有表面波动时颗粒系统内部的水平流动45-63
• 3.1 实验装置46-47
• 3.2 图像处理技术47-50
• 3.3 研究方法及可行性分析50-53
• 3.4 实验结果及分析讨论53-59
• 3.4.1 总流随时间的变化53-55
• 3.4.2 不同时刻流动随高度的分布55-56
• 3.4.3 时间平均的总流随激励参数的变化56-57
• 3.4.4 表面波型和内部流动的关联57-59
• 3.5 结论59
• 参考文献59-63
• 第四章 无表面波动时颗粒系统内部的水平流动63-75
• 4.1 实验装置63-64
• 4.2 实验结果及分析讨论64-72
• 4.2.1 总流随时间的变化66-68
• 4.2.2 不同时刻流动随高度的分布68-70
• 4.2.3 时间平均的总流随激励参数的变化70-72
• 4.3 结论72-73
• 参考文献73-75
• 第五章 垂直激励下环形颗粒系统中的激波75-95
• 5.1 物理量定义76-78
• 5.2 实验结果及分析讨论78-91
• 5.2.1 无表面波动时系统内的激波78-85
• 5.2.2 有表面波动时系统内的激波85-91
• 5.3 结论91
• 参考文献91-95
• 第六章 总结与展望95-101
• 6.1 论文总结95-97
• 6.2 论文的创新点97-98
• 6.3 论文的待改进之处98-101
• 已发表论文101-103
• 致谢103-104

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本文编号：407173