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微重力下颗粒物质运动行为基础研究

吴麒麟  
【摘要】:颗粒物质在我们日常生活中随处可见,地球上绝大数的物质都是由离散的固态物质组成的。随着技术和理论的发展,颗粒物质由于其自身的特点正被应用于工业,交通等领域。密集颗粒流散裂靶是为满足ADS系统超高束流功率需求而提出的新型高功率散裂靶概念,颗粒流与普通流体相比,在流体力学中更具有稳定性,物理上具有承载更高束流功率的潜力,颗粒流散裂靶同时具备固态靶和液态靶的优点。在此基础上,颗粒物质和颗粒体系的基础研究是非常有必要的,对颗粒物质在颗粒流散裂靶的应用与优化有非常重要的意义。我们知道颗粒体系是一种远离平衡态的体系,自身具有能量耗散的特点,一个远离平衡态的开放体系通过不断地与外界交流能量或物质,当内部或者外界条件达到临界状态时,体系可通过颗粒的内部作用产生自组织现象,使颗粒从原来无序的状态自发转变为时间或空间上有序的状态,比如我们工作中涉及到的‘团簇’的形成。本文以颗粒气体为基础,研究了颗粒气体体系在外界持续的激励下,颗粒体系由于‘相分离’产生团簇的现象进行了数值模拟研究。本文利用振动体系,研究了颗粒气体团簇产生的条件以及判定方法;得到了颗粒气体相图;研究了颗粒的摩擦系数,恢复系数等参数对团簇形成的影响;颗粒体系达到稳态的特征时间;不同体系大小和颗粒初始堆积分数对颗粒体系稳态后的影响;验证了颗粒体系存在边界效应且会对团簇的形成产生影响;探究了颗粒团簇的程度和团簇内部颗粒体积分数的分布。模拟结果对将来的微重力实验提供了重要的参考。我们还通过实验研究了,颗粒体系在失重的条件下,颗粒物质体积分数的变化。我们通过微重力下颗粒的堆积实验,得到了在由有重力到无重力的变化过程中颗粒堆积体积分数的变化值在0.01附近,得到了在我们体系下最小的堆积分数=0.61,找到颗粒流在失重情况下的堆积体积分数变化范围。结果对颗粒物质在颗粒流散裂靶中的应用提供了参考。


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