本文關鍵詞：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。不同于一般的固體、液體和氣體,顆粒物質是一種特殊的物質形態(tài)。近幾十年來,隨著實驗技術和計算機模擬技術的發(fā)展,人們不斷揭示出顆粒物質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)物質的理解,還對很多類似的實際問題起重要指導作用。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在非對稱周期結構中的波動與流動現(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構的二維環(huán)形顆粒系統(tǒng)。研究內容主要包括表面波動、內部水平流動以及內部激波。對于表面波動,用攝像機拍攝顆粒系統(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。對于內部水平流動以及內部激波,用高速數(shù)碼相機拍攝系統(tǒng)的局部圖像,再采用粒子跟蹤技術對測量窗口內的顆粒運動做統(tǒng)計平均分析系統(tǒng)的內部運動。在較寬的激勵參數(shù)范圍內,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、紐結對、紐結對-諧波共存、“整體運動”、多扭結對、薄顆粒層中氣-液混合態(tài)扭結對等。我們詳細地描述了不同表面波型的形成以及它們之間的相互轉化,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化的影響。還測量了扭結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。當有表面波動時,由于容器底部的非對稱鋸齒結構,在顆粒系統(tǒng)內部同時有水平流動。我們重點研究了諧波以及紐結對臂區(qū)的水平流動�？偹搅麟S時間的變化表明,總流有正有負,總流的變化呈現(xiàn)出周期性,每當顆粒層和底板碰撞,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,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于二分頻諧波,流動隨激勵頻率減小,第二個增加階段對應于紐結對-諧波共存,流動隨激勵頻率增大�？蓮募X效應和顆粒層流體化兩個方面解釋總流隨激勵參數(shù)的變化。表面波動和內部流動必然是相互關聯(lián)的,我們初步探討了紐結對的速度和水平流的速度之間的對應關系。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,當激勵加速度較低時總流有正有負,隨著激勵加速度的增大,負向總流逐漸消失,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,在較低顆粒層內流動的變化較大,有正有負,在較高顆粒層內流動的變化較小,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)內密度波和激波的形成和傳播規(guī)律。當無表面波動時,在相鄰兩個激勵周期內,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致激波的形成和傳播。我們詳細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。當表面波動為二分頻諧波時,在一個振動周期內,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,導致系統(tǒng)內發(fā)生垂直運動向水平運動的轉變,產(chǎn)生新的波峰和波谷。當表面波動為紐結對時,在一個振動周期內,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。當系統(tǒng)內同時存在表面波動、水平流動以及激波時,情況是復雜又有趣的,我們的工作為探索顆粒物質內這三種不同的運動形式之間的相互關聯(lián)性做了初步嘗試。
【關鍵詞】：顆粒物質 表面波動 水平流 激波 紐結對 諧波 非對稱周期結構
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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 顆粒物質的研究歷史21-24
• 1.2 垂直激勵下顆粒物質中的實驗現(xiàn)象24-30
• 1.2.1 顆粒物質的表面波動24-26
• 1.2.2 顆粒物質的內部流動26-28
• 1.2.3 顆粒物質的內部激波28-30
• 1.3 本論文的研究內容30-31
• 參考文獻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化37-41
• 2.2.3 紐結對的運動速度41-43
• 2.3 結論43
• 參考文獻43-45
• 第三章 有表面波動時顆粒系統(tǒng)內部的水平流動45-63
• 3.1 實驗裝置46-47
• 3.2 圖像處理技術47-50
• 3.3 研究方法及可行性分析50-53
• 3.4 實驗結果及分析討論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 表面波型和內部流動的關聯(lián)57-59
• 3.5 結論59
• 參考文獻59-63
• 第四章 無表面波動時顆粒系統(tǒng)內部的水平流動63-75
• 4.1 實驗裝置63-64
• 4.2 實驗結果及分析討論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 結論72-73
• 參考文獻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 實驗結果及分析討論78-91
• 5.2.1 無表面波動時系統(tǒng)內的激波78-85
• 5.2.2 有表面波動時系統(tǒng)內的激波85-91
• 5.3 結論91
• 參考文獻91-95
• 第六章 總結與展望95-101
• 6.1 論文總結95-97
• 6.2 論文的創(chuàng)新點97-98
• 6.3 論文的待改進之處98-101
• 已發(fā)表論文101-103
• 致謝103-104

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本文編號：407173