颗粒分离现象因其在自然界中大量存在而受到了广泛地关注,针对分离现象内在机制的研究持续了近三十年,至今没有一个统一的物理解释。目前的共识是颗粒分离是多种机制共同竞争的结果,不同的系统中某种机制或者某几种机制起主导作用。改变系统条件,原有条件下的分离机制无法解释新的实验现象,新的物理模型不断提出。颗粒系统的空间结构分布和能量分布极不均匀,系统状态强烈依赖形成历史,这些系统特征导致颗粒数值模拟计算工作非常困难。因此一直以来,颗粒分离的研究大多集中在实验现象的定性描述。考察颗粒物理属性、系统参数等物理量对分离状态的影响,提出各种定性的物理解释,针对颗粒分离的动力学过程的定量研究较少。事实上,系统地研究颗粒分离的动力学演化过程,不但能够帮助建立颗粒分离的完整物理图景,还可以为颗粒分离的数值模拟和理论模型提供不可或缺的定量实验数据。因此,对颗粒分离动力学过程系统定量的研究不仅是颗粒分离研究的必要环节,还可能是解决颗粒分离问题的一个突破方向。本文的研究思路是针对特定的颗粒分离现象,系统地考察分离过程不同阶段系统的动力学演化,找出各物理量之间的定量关系,并建立相关的物理模型。我们关注颗粒系统的状态随着时间周期性变化的分离模式。实验发现这种分离模式的对称性可以通过调节空气压强和振动强度控制。随后我们定义了定量描述颗粒状态的序参量,并与实验现象建立对应一一关系。通过观察颗粒分离的实验现象和序参量曲线,我们将周期分离过程分为两个阶段:小颗粒堆穿过大颗粒层的渗透阶段和小颗粒堆的拱形堆生长与拱形堆失稳喷涌阶段。正是这两个阶段的周期性交替出现造成了双组分颗粒系统的周期分离现象。我们得到了上述两个阶段的周期时间与振动强度的定量关系。底层颗粒喷涌过程与现实中的火山喷发过程非常类似,引入经典的火山喷涌模型很好地拟合了颗粒喷涌过程,同时我们就这两种喷涌行为的相似性与不同之处进行了比较讨论。针对底层小颗粒层拱形堆生长和拱形堆失稳两类颗粒界面失稳现象,引入连续性方程,建立了唯象模型。底层氧化铝颗粒堆在外界能量激励和上层铜颗粒的压制共同作用下发生水平界面失稳成拱,存在临界振动强度和临界铜颗粒组分比。通过测量不同铜颗粒组分比例下的临界振动加速度,我们验证了理论模型。理论模型预测了发生成拱失稳后非连续跃变的拱形堆角与振动强度的关系,实验测量与理论预测一致。随着振动强度增大,拱形堆不断生长,最终突破上层束缚发生喷涌。理论模型给出了发生拱形堆失稳的第二类颗粒失稳临界加速度,实验测量结果与理论吻合。小颗粒穿过大颗粒层的渗透行为是颗粒分离最重要的机制,同时也是非常复杂的动力学过程。双组分颗粒系统中颗粒渗透过程非常复杂。渗透层的空间位置,空间结构和能量分布不断变化。因此,我们简化了渗透系统,考察小颗粒穿过单层渗透层的物理过程。实验测量结果表明渗透流量与振动强度之间是复杂的非单调关系。我们从物理上解释了非单调关系产生的原因。小颗粒堆会与渗透层发生周期脱离产生自由飞行,导致渗透过程不连续。我们将渗透过程细分为两个阶段:飞行阶段,对渗透流量没有贡献;接触阶段,持续发生颗粒渗透。剔除飞行阶段的时间,我们计算了实际发生渗透的接触阶段的渗透流量,接触阶段渗透流量随着振动强度增大线性增加,且由振动速度决定,与频率和加速度无关。至此,我们得到了颗粒分离动力学过程的大量定量实验数据,包括分离状态的定量描述,渗透过程流量与激励条件的定量关系,以及颗粒堆成拱失稳的定量模型等。这些定量的实验数据不仅有助于理解颗粒分离现象,同时还可以帮助指导工业生产中很多与颗粒相关的过程,提高生产效率。