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颗粒气体多室盒装化系统的动力学行为研究

作　者: 刘源
导　师: 苗天德
学　校: 兰州大学
专　业: 固体力学
关键词: 多室盒装化颗粒系统动力学行为振荡聚集态间歇性聚集系统参数
分类号: O313
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 39次
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内容摘要

本文从实验和数值模拟两个方面研究了垂直激励作用下多室盒装化颗粒系统的动力学行为。在实验方面,首次将两室盒装化系统研究扩展到多室系统,主要探讨了二元颗粒混合物在两种排列形式的系统中（非循环系统和循环系统）受外加正弦激励作用时的动力学行为。实验观测到颗粒混合物在这两类系统内有着不同的振荡聚集规律,即:对于非循环系统,二元颗粒混合气体在线性排列的小室中依次振荡聚集,其顺序是固定不变的,每次从某一固定小室向另一固定小室聚集转换所需的时间基本是恒定的,而从位于两端小室向中间小室转换所需时间大约是从中间向两端的两倍;对于循环系统,二元颗粒混合气体振荡没有一个固定的聚集顺序,颗粒在小室中随机循环,聚集转换的平均时间随聚集次数呈指数函数衰减,并趋于常值。此外,在振荡态向均匀态转换的过渡区域,首次观测到振荡聚集态和对称均匀态共存的间歇性聚集现象。在数值模拟方面,采用事件驱动法模拟两室、三室和四室盒装化系统中颗粒气体的演化过程,重现了颗粒混合物的三种动力学形态----非对称聚集态、振荡聚集态和对称均匀态,详细讨论了两种颗粒的质量比、直径比、颗粒个数比、恢复系数和盒子宽度等参数对振荡区间范围和聚集幅值的影响,给出了盒装化系统动力学演化特征随这些参数变化的一般规律,第一次指出系统的聚集幅值随激振强度的增加按照玻尔兹曼函数关系变化。与实验不同的是,模拟得到的振荡周期是随机的,在三（四）个小室中的聚集顺序是无序的,颗粒在每个小室中的平均驻留时间与（f-f₀）^-a成正比（这里f为外加激振频率,f₀为出现振荡现象的临界激振频率）。特别值得注意的是,同种颗粒盒装化系统的模拟中,首次得到了稳定的振荡聚集现象。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-18
  §1.1 颗粒介质研究的意义与现状  10-11
  §1.2 盒装化颗粒气体的研究现状  11-16
  §1.3 本文的研究工作  16-18
第二章多室盒装化颗粒系统的实验研究  18-28
  §2.1 实验装置  18
  §2.2 实验过程和结果  18-25
    §2.2.1 非循环系统  18-21
    §2.2.2 循环系统  21-25
  §2.3 实验结果分析  25-28
    §2.3.1 讨论  25-26
    §2.3.2 结论  26-28
第三章分子动力学方法  28-48
  §3.1 分子动力学方法的计算原理  28-29
    §3.1.1 分子动力学方法的研究范畴  28-29
    §3.1.2 分子动力学方法的计算原理  29
  §3.2 模拟模型  29-43
    §3.2.1 二维多室盒装化颗粒系统模型  30-31
    §3.2.2 离散颗粒系统动态演化过程仿真的推进方式  31-33
    §3.2.3 颗粒与盒子的碰撞  33-35
      §3.2.3.1 颗粒与侧壁的碰撞  33-34
      §3.2.3.2 颗粒与底板、顶板的碰撞  34-35
    §3.2.4 颗粒与颗粒的碰撞  35-43
      §3.2.4.1 两个颗粒发生碰撞的时间  35-37
      §3.2.4.2 两个颗粒发生碰撞的条件  37-39
      §3.2.4.3 两个颗粒碰撞后的速度  39-43
  §3.3 分子动力学方法的实施细节  43-47
    §3.3.1 初始条件  43
    §3.3.2 颗粒碰撞的容积算法  43-44
    §3.3.3 算法处理  44-47
    §3.3.4 计算流程  47
  §3.4 小结  47-48
第四章多室盒装化颗粒系统数值模拟结果  48-90
  §4.1 两室盒装化系统数值模拟结果  48-68
    §4.1.1 直径相同、质量不同的二元颗粒混合物  48-58
      §4.1.1.1 质量比m_2:m_1=4的二元颗粒混合物  48-56
      §4.1.1.2 质量比对二元颗粒混合物系统动力学行为的影响  56-58
    §4.1.2 直径不同、质量相同的二元颗粒混合物  58-61
    §4.1.3 两种颗粒的个数比对系统动力学行为的影响  61-62
    §4.1.4 直径相同、质量相同的颗粒系统(单种颗粒系统)  62-65
    §4.1.5 小结  65-68
  §4.2 三室盒装化系统数值模拟结果  68-84
    §4.2.1 不同小室宽度的模拟结果  68-79
      §4.2.1.1 小室宽度l=150mm  68-78
      §4.2.1.2 小室宽度l=75mm和l=225mm  78-79
    §4.2.2 同种颗粒盒装化系统的模拟结果  79-82
    §4.2.3 小结  82-84
  §4.3 四室盒装化系统数值模拟结果  84-90
    §4.3.1 四室盒装化二元颗粒系统  84-88
    §4.3.2 四室盒装化一元颗粒系统  88-89
    §4.3.3 小结  89-90
第五章总结和展望  90-93
参考文献  93-100
个人简介  100
发表的相关学术论文  100-101
致谢  101-102

颗粒气体多室盒装化系统的动力学行为研究

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