振動顆粒“毛細”系統中的對流與有序化

《振動顆粒“毛細”系統中的對流與有序化》是依託哈爾濱工業大學,由姜澤輝擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

  • 中文名:振動顆粒“毛細”系統中的對流與有序化
  • 依託單位:哈爾濱工業大學
  • 項目類別:面上項目
  • 項目負責人:姜澤輝
項目摘要,結題摘要,

項目摘要

振動顆粒物質中的對流與有序化問題長期受到關注,空氣、摩擦力等因素的影響已得到認識,但這些因素產生影響的具體機制還不完全清楚。通過構建顆粒的毛細系統,可以將對流與有序化這兩個對立的現象統一起來- - 顆粒可以通過對流自組裝成穩定的有序殼層結構。根據壁效應引起的堆積率、氣流速度和顆粒所受阻力空間分布上的差異和變化,研究空氣在殼層結構生成前及生成後的作用,揭示空氣引起對流的機制及其對殼層結構穩定性的影響。通過控制振動參數及顆粒的尺寸與密度,研究形成殼層結構的動力學機制;結合氣流的影響,研究顆粒小於臨界尺寸後只有對流而無有序結構的原因;從堆積率的變化及能量耗散的角度研究殼層結構的穩定性。經由對流形成殼層結構是一種新現象,對其生成機理及結構對稱性和穩定性的研究,將促進對振動顆粒物質一般行為的理解,而且對球體堆積結構這一經典問題、受限液體的特性和光子晶體的研究均有一定借鑑意義。

結題摘要

研究內容分為四部分:(1)豎直振動顆粒“毛細”系統中有序“殼層”結構的形成機制及穩定性問題;(2)振動過程中靜電對有序化結構的影響及其與顆粒尺寸的關係;(3)器壁摩擦力、空氣阻力對倍周期分岔過程的影響;(4)蹦球問題中空氣阻力引入混沌的動力學機制。 (1)將球形顆粒倒入圓筒形容器中,壁效應導致顆粒的堆積率以振盪的方式衰減,經過5、6層後轉變為隨機密堆積。施加豎直振動後,壁效應引起的有序性被強化,演變為一種有序的“晶體”結構--同軸筒形殼層結構,其中每一層上的顆粒都是二維的六角密堆積結構。這種結構是通過對流形成的,顆粒先在底部某個角落形成籽晶,然後逐漸向上生長。生長過程中,下方結晶部分處於無對流狀態,而上部未結晶部分處於對流狀態,一旦生長完成整個系統中即無對流現象,說明對流與顆粒的堆積率或排列結構有強烈的依賴關係。對於這種殼層結構的形成過程與實驗參數的關係給予了總結,並做了定量分析。 (2)殼層結構的形成與顆粒尺寸有關,當顆粒直徑小於0.7mm時較難形成。導致這一結果的原因是多方面的,靜電荷積累是主要因素之一。雖然採用不鏽鋼珠,但靜電引起的效應仍是非常顯著的。靜電積累與溫度濕度有關,提高濕度能夠抑制但不能根除,另外,靜電的強弱還和顆粒表面污垢有關。實驗表明顆粒與器壁之間是電吸附的,顆粒越小越明顯。 (3)無論處於結晶態還是對流態,顆粒對容器底的衝擊力都是倍周期分岔的。通過抽真空或將容器底鏤空消除空氣阻力,在只有器壁摩擦力的情況下,倍周期分岔過程只受且顆粒尺寸無關。然而,在實底容器中存在空氣阻力,分岔過程不僅受約化振動加速度的控制,而且受振動頻率的控制。分岔點的數值隨顆粒尺寸的減小顯著增加。利用完全非彈性蹦球模型將器壁滑動摩擦力和空氣阻力區分開,分別給予考慮,對這兩種實驗結果給出了合理解釋。 (4)人們一直認為完全非彈性蹦球因其獨有的重啟機制而不會產生混沌,但我們的研究表明空氣黏滯阻力會將這種重啟機制破壞掉,從而產生混沌,使得蹦球的動力學過程成變得更為複雜。對此,通過引入一個新的與空氣阻力有關的控制參數進行了系統分析。

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