颗粒介质的阻力形式研究

来源 :中国科学院物理研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lijws
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颗粒介质有别于通常的气态、液态、固态物质,物体在颗粒介质中运动所受到的阻力是一个复杂而尚未很好理解的问题。颗粒介质中的阻力形式反映了颗粒系统内部微观力链的分布与传播。   本文首先通过研究一个球体在自身重力平衡下在颗粒介质中准静态下沉的深度,探讨了与颗粒介质离散态性质相关的颗粒尺寸效应,发现大球在颗粒介质中的下沉深度随着颗粒尺寸的增大单调减小;用类似液体“等效浮力”的概念能够将不同尺寸大球的下沉深度很好地归一到一起,但是对于不同密度的大球无法归一到一起,说明这一概念仍存在复杂性。研究大球在准静态过程中受到颗粒床的支撑力随下沉深度的变化发现,颗粒床表面存在一个深度不随颗粒尺寸变化的表面作用区域,越过表面作用区域以后大球受到的支撑力与下沉深度之间呈现很好的幂率关系,幂值随颗粒尺寸的不同在1.0-1.5之间变化。支撑力随深度变化的幂率关系反应了颗粒介质内部应力网络重组的宏观结果。   在将大球进一步慢速压入颗粒介质内部以后发现阻力随深度的变化曲线由凹变凸,呈现出饱和的趋势。通过分析饱和出现的信号——阻力曲线拐点的性质,证明了阻力饱和的出现并非如前人认为的那样是器壁支撑的结果,而是颗粒介质体现出类似流体中体积效应的结果。结合本实验与近年来他人的研究结果,本文对物体在颗粒介质中慢速运动过程受到的阻力进行了总结。   最后本文仔细研究了物体快速撞击颗粒介质表面并在其内部穿行时受到阻力的形式。发现物体对颗粒介质的撞击过程可以类似于物体对液体表面的撞击。在撞击将颗粒介质部分流化之后,物体在颗粒介质中快速穿行留下的空洞(cavity)是造成颗粒喷流(granular jet)的主要原因。通过分析物体在不同颗粒体系中快速穿行的阻力曲线的差别,发现决定颗粒体系对快速穿行物体阻力的主要三项作用包括,由空洞造成的静压项,与速度相关的粘性阻力项以及颗粒介质特有的摩擦项。对阻力的理论分析显示颗粒介质对运动物体的阻尼形式依赖一个控制参量,分为弱阻尼、强阻尼和临界阻尼三种,阻尼形式的不同导致了不同的表观阻力行为。阻尼控制参量的表达式表明静压项和粘性阻力项的竞争是导致系统表现出不同阻尼形式的根本原因。
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