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振动颗粒的分离与对流

吴晶  
【摘要】: 颗粒物质由大量可以独立运动的固体小颗粒构成,它广泛存在于我们周围并与我们生活息息相关。对它的研究涉及多个领域:工业、农业、建筑业、医药业等,而且滑坡、泥石流、雪崩、沙尘暴等自然灾害也与颗粒物质的运动规律的密切相关。所以对颗粒物质的研究具有重要的经济价值和社会效益。 颗粒物质可以表现出类似于固态、液态、气态的特性,但又具有丰富而独特的行为。对颗粒物质特性的认识和利用由来已久,早在14世纪,水手就采用沙漏计时。但直到近些年才开始对颗粒物质的物理行为进行深入研究。尤其振动颗粒体系中的对流运动和‘巴西果’分离效应更是引起了人们浓厚的兴趣,因为它们在基础研究与应用领域有着重要作用。对流运动指的是颗粒物质体系内部形成的闭合的颗粒运输现象;‘巴西果’分离效应指的是振动下的颗粒物质体系中的大颗粒的上升运动。本文对相关结果进行了简要概述,并对竖直振动下窄容器中颗粒物质表现出来的对流运动和‘巴西果’分离效应进行了实验研究和初步分析。 我们的研究表明,在细长圆筒形容器中对不同尺寸的不锈钢球进行竖直振动时,存在对流态和无对流运动态。当颗粒尺寸较大(≥1mm)时,颗粒可以进入无对流状态,尺寸较小时为对流态。在无对流态时没有‘巴西果’分离效应,而有对流时存在着明显的‘巴西果’分离效应。这表明对流运动是产生‘巴西果’分离的一种重要机制。我们通过测量大颗粒由底部上升至颗粒床表面所用的时间来研究‘巴西果’分离效应。实验表明分离过程主要受振动频率和振动加速度的控制,但温度和空气湿度也会产生影响。实验中还观察到颗粒床对容器底冲击力的倍周期分岔现象。颗粒床的二倍周期和四倍周期运动对大颗粒上升产生抑制作用,使对流速度减慢,从而延长了分离时间。对分离时间受倍周期运动的影响通过完全非弹性蹦球模型进行了初步分析。


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