颗粒流的实验和计算机模拟研究

来源 :中国科学院物理研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:epaiai009
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颗粒流广泛的存在于自然界中,表现出不同于普通的气体流和液体流的特殊性质,如沙漏计时、浮冰流等。本文通过实验和计算机模拟的方法研究了通道内的颗粒流动的性质。   在二维颗粒流的实验中,在固定开口尺寸的条件下,随着入口流量的增大,颗粒流出口流量先是线性增长,然后开始变得不稳定,在某个随机的时间里发生稀疏流向密集流的转变,转变一旦发生,颗粒流将一直稳定在密集流状态下。同时我们发现转变几率随着入口流量的增大从零连续增大到一,并且在同样的条件下转变几率随观察时间的延长而增大。在计算机模拟中,笔者采用固定入口流量和固定颗粒数的方法研究了对应颗粒流体系的流动性质。在通道开口附近存在一个关键区域,关键区域内的局域流量和面积分数存在定量关系,两种方法得到的结果相同。利用此关系,整个颗粒流状态可以划分为四种流动状态:稳定稀疏流状态、亚稳定稀疏流态、非稳定密集流态和稳定密集流态。根据这些不同流动状态的特征,实验现象得到了合理的定量的解释,得出了颗粒流在稀疏流和密集流状态之间的转变是一个定态转变的过程。   在三维颗粒流的实验中,固定入口流量来观察颗粒的速度对颗粒流动性质的影响。结果显示,漏斗长度越短,即颗粒速度越小,颗粒流越容易发生由稀疏流状态向密集流状态的转变;但在稀疏流和密集流状态下,出口流量与漏斗长度无关。对相应的二维颗粒流体系进行了计算机模拟,笔者采用了固定入口流量和固定颗粒数的方法。通道开口上方的关键区域内的局域流量和面积分数存在定量的关系,两种方法得到的结果相同,并对实验和模拟现象给出了合理的解释。   在二维颗粒流的计算机模拟中,固定入口流量,改变开口的位置,观察颗粒流动性质的变化。结果显示,当开口越靠近边壁,颗粒流越不易发生由稀疏流状态向密集流状态的转变。发现通道开口上方的局域区域内的流量和面积分数存在定量的关系。通过对开口流量,横向速度和纵向速度分布的分析,对模拟的现象给出了定量的解释。
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