衝擊波在顆粒系統中的傳播特性

《衝擊波在顆粒系統中的傳播特性》是依託北京理工大學，由史慶藩擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：衝擊波在顆粒系統中的傳播特性
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：史慶藩
• 項目類別：面上項目

項目摘要

顆粒系統是有限尺度下巨觀的粒子集合體，是一種複雜系統。它通常具有很大的漲落，是傳統的統計物理學所難以描述的。由於顆粒介質不同於固體和液體介質，因此衝擊波在顆粒介質中的傳輸具有奇特的性質。一維顆粒系統的理論分析和實驗均表明，外部的衝擊波在水平顆粒鏈中以孤波的模式傳輸，而在垂直鏈中有準孤波和振動波兩種傳播模式。然而，一維系統條件下的結論並不能簡單地推廣到二維或三維系統，所以為了揭示自然規律並解決實際問題，就必須研究衝擊波在二維和三維狀態下的傳播特性。本項目擬從實驗上觀測不同形式的衝擊波在二維和三維顆粒系統中的傳播特性以及能量的耗散效應與顆粒的自身屬性、顆粒間的預壓縮程度、顆粒系統的構成方式、波源的性質等諸因素的依賴關係，結合理論分析和分子動力學模擬，其結果不僅對於建立機械波在顆粒物質中傳播的基礎理論具有重要的學術價值，而且具有廣闊的套用前景。

結題摘要

研究了顆粒物質在衝擊、振動等各種激勵條件下的各種非線性物理過程及其機制，取得若干重要成果：實驗研究了準二維顆粒系統中不同類型的衝擊波在不同圍壓以及不同尺寸顆粒介質條件下的傳輸特性。利用研製的可調控顆粒系統堆積分數的容器，獲得了限界顆粒系統中彈性波傳播速度與顆粒尺寸、圍壓大小及衝擊波類型的依賴關係，並據此發現在低壓態彈性波的能量耗散主要是通過非線性波的輸運方式；實驗研究了三維顆粒系統的準靜態崩塌動力學過程。發現了崩塌端壓力隨體積分數變化的規律，並存在一種反壓縮力增加現象，整個過程表征了顆粒材料內部很強的非線性自組織行為特性；實驗研究了聲波在泡沫中傳播特性，發現聲速隨著氣泡直徑增大而增大；當泡沫直徑超過一定值時，泡沫中的聲速逼近於空氣中的聲速值。依據高氣體含量泡沫中的聲速與泡大小及聲頻率的依賴關係，提出了一個近似的理論模型，理論預測結果與實驗數據符合很好；實驗研究了二元顆粒床在豎直振動下的成拱失穩現象。發現通過調控體積比與振動加速度，可以產生或者消除其成拱行為。我們還提出了一個非線性唯象模型來描述成拱構型和解釋上述失穩現象，其結果與實驗事實符合很好；實驗研究了混合顆粒分聚過程中的顆粒間隙介質效應。發現顆粒間隙介質對顆粒間的相互運動有很大的影響，介質效應為顆粒分離的重要機制之一；實驗研究了二維顆粒鏈系統的靜態堆積結構。發現了顆粒鏈堆積結構是長程無序結構，其結構因子和接觸指數等標度行為與濃聚合物溶液的標度行為類似，進而推測出巨觀顆粒鏈與高分子鏈存在某種程度上的相似性；實驗研究了由顆粒鏈和顆粒組成的混合物質在垂直振動下的分聚行為。首次引入振動/厚度比率作為界定顆粒鏈-顆粒混合系統分聚行為相圖邊界的序參量，並發現了振動頻率、鏈長與混合程度的依賴關係；實驗研究了二元混合顆粒的循環反轉現象。首次給出了一個描述混合顆粒分聚過程中小顆粒穿越大顆粒的滲透流量的定義，發現了系統分聚構型隨滲透流量及體積比的變化規律；模擬（DEM方法）研究了水平轉筒中的顆粒的徑向分離現象與長度和端面摩擦係數的關係。發現了水平轉筒中混合顆粒的徑向分離程度隨筒長及端面摩擦係數的變化規律，認為其機理與顆粒流體中的擴散機制有關；實驗研究了限界顆粒柱的各種靜態特性。發現了柱內應力轉向參數隨筒倉/顆粒直徑比的變化規律以及底部表觀質量與顆粒柱構型及漲落的關係。人才培養：博士後、博士、碩士、本科生共約40名。