本文關(guān)鍵詞：垂直激勵下環(huán)形顆粒系統(tǒng)中的波動與流動，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：顆粒物質(zhì)在自然界中廣泛存在,它與工業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活密切相關(guān)。不同于一般的固體、液體和氣體,顆粒物質(zhì)是一種特殊的物質(zhì)形態(tài)。近幾十年來,隨著實驗技術(shù)和計算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展,人們不斷揭示出顆粒物質(zhì)作為能量耗散體系在外界激勵下獨有的許多奇特有趣的現(xiàn)象與獨特的運動規(guī)律,比如,表面波型、隆起、對流、孤子等。這些發(fā)現(xiàn)不但加深了人們對非線性離散態(tài)物質(zhì)的理解,還對很多類似的實際問題起重要指導(dǎo)作用。本論文主要介紹我們通過實驗的方法對外界激勵下顆粒物質(zhì)在非對稱周期結(jié)構(gòu)中的波動與流動現(xiàn)象的研究工作。研究對象為垂直激勵下底部有非對稱鋸齒結(jié)構(gòu)的二維環(huán)形顆粒系統(tǒng)。研究內(nèi)容主要包括表面波動、內(nèi)部水平流動以及內(nèi)部激波。對于表面波動,用攝像機(jī)拍攝顆粒系統(tǒng)的全局圖像,再通過慢鏡頭回放觀察系統(tǒng)在不同激勵參數(shù)下的行為。對于內(nèi)部水平流動以及內(nèi)部激波,用高速數(shù)碼相機(jī)拍攝系統(tǒng)的局部圖像,再采用粒子跟蹤技術(shù)對測量窗口內(nèi)的顆粒運動做統(tǒng)計平均分析系統(tǒng)的內(nèi)部運動。在較寬的激勵參數(shù)范圍內(nèi),在環(huán)形顆粒系統(tǒng)的表面可形成豐富的波型。這些表面波型包括諧波、紐結(jié)對、紐結(jié)對-諧波共存、“整體運動”、多扭結(jié)對、薄顆粒層中氣-液混合態(tài)扭結(jié)對等。我們詳細(xì)地描述了不同表面波型的形成以及它們之間的相互轉(zhuǎn)化,討論了外界激勵參數(shù)以及顆粒層厚度對表面波型形成和轉(zhuǎn)化的影響。還測量了扭結(jié)對的運動速度如何隨外界激勵參數(shù)而變化,并對其變化規(guī)律做出了解釋。當(dāng)有表面波動時,由于容器底部的非對稱鋸齒結(jié)構(gòu),在顆粒系統(tǒng)內(nèi)部同時有水平流動。我們重點研究了諧波以及紐結(jié)對臂區(qū)的水平流動。總水平流隨時間的變化表明,總流有正有負(fù),總流的變化呈現(xiàn)出周期性,每當(dāng)顆粒層和底板碰撞,總流都會發(fā)生急劇變化,顆粒層離開底板后,總流的變化則較為緩慢。分層的水平流隨空間和時間的變化表明,在同一時刻不同顆粒層的流動也有正有負(fù),流動的空間分布在時間上也呈現(xiàn)出周期性,顆粒層通過碰撞改變流動的空間分布。時間平均的總水平流隨激勵參數(shù)的變化表明,時間平均的總流總是隨激勵加速度先增加,再減小,然后再增加,第一個增加階段對應(yīng)于二分頻諧波,流動隨激勵頻率減小,第二個增加階段對應(yīng)于紐結(jié)對-諧波共存,流動隨激勵頻率增大�？蓮募X效應(yīng)和顆粒層流體化兩個方面解釋總流隨激勵參數(shù)的變化。表面波動和內(nèi)部流動必然是相互關(guān)聯(lián)的,我們初步探討了紐結(jié)對的速度和水平流的速度之間的對應(yīng)關(guān)系。為了和有表面波動時的情形做比較,還討論了無表面波動時系統(tǒng)內(nèi)的水平流動。無表面波動時,流動的變化也具有周期性�？偹搅麟S時間的變化表明,當(dāng)激勵加速度較低時總流有正有負(fù),隨著激勵加速度的增大,負(fù)向總流逐漸消失,激勵頻率對總流的影響隨著激勵加速度的增大越來越明顯。不同時刻流動隨高度的分布表明,在較低顆粒層內(nèi)流動的變化較大,有正有負(fù),在較高顆粒層內(nèi)流動的變化較小,一般為正向。時間平均的總水平流隨激勵參數(shù)的變化表明,流動隨激勵加速度增大,隨激勵頻率變化不顯著。無表面波動時流動的這些變化規(guī)律和有表面波動時的情形有著本質(zhì)的不同。通過分析系統(tǒng)的密度漲落、溫度以及馬赫數(shù)的時空分布,還討論了系統(tǒng)內(nèi)密度波和激波的形成和傳播規(guī)律。當(dāng)無表面波動時,在相鄰兩個激勵周期內(nèi),系統(tǒng)產(chǎn)生的密度波是相同的。密度波由顆粒層與底板的碰撞引起,通過各層之間的碰撞非勻速向上傳播。在密度波的傳播過程中,顆粒層的壓縮和膨脹也常常導(dǎo)致激波的形成和傳播。我們詳細(xì)討論了激波的時空分布。激波產(chǎn)生于顆粒層與底板以及顆粒層之間碰撞使顆粒層溫度發(fā)生突變的前沿區(qū)域,消失于碰撞后顆粒層壓縮區(qū)域。激波被逐層向上傳播的過程中,寬度逐漸變窄,最后激波消失在系統(tǒng)頂層。系統(tǒng)溫度隨激勵加速度升高,而馬赫數(shù)的時空分布則不隨激勵加速度改變。當(dāng)表面波動為二分頻諧波時,在一個振動周期內(nèi),波谷和底板的兩次碰撞產(chǎn)生了兩個密度波,這兩個密度波一般不同。兩次碰撞還產(chǎn)生了兩個激波,這兩個激波在傳播至較高顆粒層時,導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生垂直運動向水平運動的轉(zhuǎn)變,產(chǎn)生新的波峰和波谷。當(dāng)表面波動為紐結(jié)對時,在一個振動周期內(nèi),臂區(qū)顆粒層和底板的兩次碰撞產(chǎn)生了兩個完全不同的密度波,這兩個密度波傳播很快衰減也很快。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)同時存在表面波動、水平流動以及激波時,情況是復(fù)雜又有趣的,我們的工作為探索顆粒物質(zhì)內(nèi)這三種不同的運動形式之間的相互關(guān)聯(lián)性做了初步嘗試。
【關(guān)鍵詞】：顆粒物質(zhì) 表面波動 水平流 激波 紐結(jié)對 諧波 非對稱周期結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O347.7
【目錄】：

• 摘要3-6
• Abstract6-13
• 符號及其說明13-21
• 第一章 緒論21-35
• 1.1 顆粒物質(zhì)的研究歷史21-24
• 1.2 垂直激勵下顆粒物質(zhì)中的實驗現(xiàn)象24-30
• 1.2.1 顆粒物質(zhì)的表面波動24-26
• 1.2.2 顆粒物質(zhì)的內(nèi)部流動26-28
• 1.2.3 顆粒物質(zhì)的內(nèi)部激波28-30
• 1.3 本論文的研究內(nèi)容30-31
• 參考文獻(xiàn)31-35
• 第二章 垂直激勵下環(huán)形顆粒系統(tǒng)中的表面波動35-45
• 2.1 實驗裝置36-37
• 2.2 實驗結(jié)果及分析討論37-43
• 2.2.1 顆粒系統(tǒng)中的表面波型37
• 2.2.2 表面波型的形成和轉(zhuǎn)化37-41
• 2.2.3 紐結(jié)對的運動速度41-43
• 2.3 結(jié)論43
• 參考文獻(xiàn)43-45
• 第三章 有表面波動時顆粒系統(tǒng)內(nèi)部的水平流動45-63
• 3.1 實驗裝置46-47
• 3.2 圖像處理技術(shù)47-50
• 3.3 研究方法及可行性分析50-53
• 3.4 實驗結(jié)果及分析討論53-59
• 3.4.1 總流隨時間的變化53-55
• 3.4.2 不同時刻流動隨高度的分布55-56
• 3.4.3 時間平均的總流隨激勵參數(shù)的變化56-57
• 3.4.4 表面波型和內(nèi)部流動的關(guān)聯(lián)57-59
• 3.5 結(jié)論59
• 參考文獻(xiàn)59-63
• 第四章 無表面波動時顆粒系統(tǒng)內(nèi)部的水平流動63-75
• 4.1 實驗裝置63-64
• 4.2 實驗結(jié)果及分析討論64-72
• 4.2.1 總流隨時間的變化66-68
• 4.2.2 不同時刻流動隨高度的分布68-70
• 4.2.3 時間平均的總流隨激勵參數(shù)的變化70-72
• 4.3 結(jié)論72-73
• 參考文獻(xiàn)73-75
• 第五章 垂直激勵下環(huán)形顆粒系統(tǒng)中的激波75-95
• 5.1 物理量定義76-78
• 5.2 實驗結(jié)果及分析討論78-91
• 5.2.1 無表面波動時系統(tǒng)內(nèi)的激波78-85
• 5.2.2 有表面波動時系統(tǒng)內(nèi)的激波85-91
• 5.3 結(jié)論91
• 參考文獻(xiàn)91-95
• 第六章 總結(jié)與展望95-101
• 6.1 論文總結(jié)95-97
• 6.2 論文的創(chuàng)新點97-98
• 6.3 論文的待改進(jìn)之處98-101
• 已發(fā)表論文101-103
• 致謝103-104

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本文編號：407173