颗粒物质是由大量离散的固体颗粒组成的体系。当颗粒物质间的摩擦结合力被克服时,颗粒系统将发生破裂并开始流动,形成了颗粒流。该过程在自然界以及工农业生产领域中广泛存在,例如山体滑坡、雪崩、泥石流、江河底部粗颗粒的推移质运动、制药中不同物料的混合和干燥、工程中颗粒物料的管道输送以及颗粒介质受冲击后的流变过程等。颗粒流是多体相互作用体系,构成多尺度结构,具有多物理过程和复杂力学性质。其动力学特征涉及3个尺度,亦即整体颗粒运动的宏观尺度,以若干颗粒大小为特征长度的介观尺度以及单元颗粒的细观尺度。从宏观尺度看,颗粒介质是典型的无序体系,通常被描述为颗粒的随机运动;从介观尺度上看,颗粒的运动并不是完全随机的,而是存在一系列有序的介观结构,例如力链、剪切带和易于发生非仿射位移的“软区”等;在细观尺度上看,单元颗粒的平移和旋转运动均服从经典牛顿力学。不同尺度的颗粒运动具有不同物理机制,不同尺度间的颗粒运动又有一定的关联性。因此,研究颗粒运动的多尺度才是认识颗粒流动力学性质、实现精准调控的关键。重力驱动的颗粒流提供了一种无成本的运输机制,自古以来就受到人们的普遍关注。最常见的颗粒物料处理设备筒仓是重力驱动的。由于筒仓内颗粒流的物理实验易于控制和测量,因此成为研究重力驱动条件下颗粒流的主要手段之一。本文重点关注固体颗粒在筒仓内的动力学特征。在细观尺度下采用基于惯性导航技术的球型探测器测量了单元颗粒的平移运动和旋转运动;在介观尺度下采用粒子跟踪测速技术和散斑能见度光谱测量技术测量了稳态流动中的矢量速度场分布和颗粒温度场分布;在宏观尺度下测量了筒仓卸料过程中颗粒流流型和质量流率。分析了颗粒流的动力学特征,建立了不同尺度条件下颗粒流动力学之间的联系。论文的主要内容如下:1)设计了可变孔口尺寸的平底矩形筒仓装置,采用图像法和同步散斑能见度光谱技术测量了筒仓内玻璃珠在初始卸料过程中的颗粒流变,表征了颗粒流变区域演化的结构特征。同时,根据不同位置颗粒运动的起始时间差,计算了不同方向上颗粒运动的传播速度,建立了宏观颗粒流型转变与介观颗粒运动传播速度之间的关系。2)利用粒子跟踪测速技术和散斑能见度光谱测量技术测量了筒仓内稳态流动过程中的矢量速度场分布和颗粒温度场分布,根据动力学模型计算了不同区域颗粒运动的扩散强度,分析了矢量速度场与颗粒温度场的相关性,发现了在径向方向上矢量速度与颗粒温度呈正相关关系。然而由于颗粒间的扩散运动,导致了在轴向方向上矢量速度与颗粒温度呈负相关关系,特别是在筒仓中心对称轴上,矢量速度与颗粒温度呈负线性关系。该发现揭示了颗粒间的扩散运动在筒仓颗粒流的能量耗散中起到了至关重要的作用。3)将球型探测器作为示踪颗粒放置于半圆柱形筒仓内的不同位置处,测量了卸料过程中筒仓内颗粒的平移运动和旋转运动。通过对比不同高度颗粒运动的轴向速度,发现质量流与漏斗流的边界是恒定不变的。对颗粒旋转角度进行研究时,观察到颗粒旋转角度的变化量均满足指数函数分布,与初始加载颗粒的位置无关。4)采用散斑能见度光谱技术发现了在筒仓孔口附近存在一个颗粒温度较低的区域。通过改变平底矩形筒仓孔口尺度的大小,发现了孔口附近的颗粒温度值与质量流率成反比例关系。在小孔口尺寸条件下,根据颗粒温度曲线的变化率,建立了间歇性堵塞的频率与筒仓孔口尺寸的依赖关系。5)利用粒子跟踪测速技术测量了筒仓孔口附近的矢量速度场分布,根据不同时刻颗粒运动速度的变化量计算了自由落体拱的边界,观察到稳态流动过程中自由落体拱呈抛物线状。然而堵塞前,自由落体拱发生了改变,其几何结构存在不对称性,揭示了介观自由落体拱与宏观质量流率的联系。另一方面,根据堵塞前颗粒温度曲线的变化规律,发现了堵塞事件的预兆。