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湿颗粒物质的研究方向:

(1) 湿颗粒物质中含液体的简单模型 (2) 湿颗粒物质的流动 (3) 湿颗粒的剪切强度特性

(4) 颗粒在流体中的最大稳定角与休止角

如果颗粒表面湿润,当两颗粒相互靠近时在接触点及其附近形成液桥,使得颗粒发生粘连,改变了颗粒体系的力学性质。目前,颗粒物质力学的研究主要针对于干燥颗粒,在实验中尽可能减少湿度,避免潮湿引起的粘附作用,一些实验还在真空中进行,因为即使空气中的微量水蒸汽,也会在颗粒间接触点形成液桥力;在理论分析时,只考虑颗粒间接触力,而忽略颗粒间隙液体粘附作用的影响,这样颗粒物质体系行为的分析。

在自然界中普遍涉及湿颗粒,比如非饱和土,其工程特性除了强烈的依赖诸如饱和土的土力学指标外,还与饱和度有紧密关系,使的饱和土的变形与强度特性比完全饱和土的工程特性更加复杂。土中水影响本身的强度和变形性质,孔隙水压力改变了土中的有效应力,也进一步影响了土体的强度和变形,因此土中水对于土的工程性质有重要影响,对于水利和建筑工程有重大意义。因此,湿颗粒力学的研究具有重要的工程应用价值。

Shear strength properties of wet granular materials

湿颗粒的剪切强度特性(2008)

Vincent Richefeu:Laboratoire de M′ecanique et G′enie Civil UMR CNRS 5508, Cc. 048, Universit′e

Montpellier 2,(法国)

研究内容

我们研究了湿颗粒物质在(Pendular state )钟摆状下(这状态下,液相是不连续的)与(water content)含水率的作用引起的抗剪强度特性。

分析条件与内容

沙子与玻璃珠被弄湿并且直接用于剪切和不同的围压下的测试。与此同时,我们做了三维的分子动力学模拟主要通过显式方程表示的毛细力与颗粒间距离、水桥体力、表面张力的函数关系。

结果以及分析

我们得出结果表明,由于毛细血管相互作用的特殊功能,含水率对剪切强度的影响主要来源于液体连接健的分布。这种特性将会产生剪切强度与含水率的关系。从微观方面分析剪切强度我们同样可以得出这个结论。

模型的建立

我们建立的一个模型解释毛细管,颗粒纹理和粒径(polydispersity)分散度。我们发现剪切强度的实验数据与模拟在(theoretical estimate)理论分析(此

处我能不能解释为数据在定性上是一致的)有很好的吻合性。 数据的分析方向 从数值数据,我们按照(normal)切向力以及连接键的符号和水平分析了不同类别的液体健的连接性和各向异性。 数据分析结果 我们发现,弱压缩健几乎各向同性分布,而强大的压缩和拉伸健有一个明显的各向异性。 切向力的概率密度分布函数随着围压的增加呈负指数递减的趋势。随着围压的降低成幂函数递减而随着拉伸健的增加呈线性增加的趋势。 这些特征表明,不同的连接健对应的相应的剪切强度并没有相同的变化趋势。 Flow of wet granular materials 湿颗粒物质的流动 N. Huang(2004) (suspension)悬挂 (pertinent)有关 密集悬挂非布朗运动颗粒从有摩擦到光滑流动的转变研究。这一转变的参数特性主要是礼顿数Le?.???,代表光滑力与摩擦力的比值。礼顿数被定义为临界剪切率,在这个数一下局部没有稳定的流动。 在摩擦机制中,剪切流是局部的。 (a)

滑动机制并不是简单的粘性:剪切力与法向力的比值是一常数这在摩擦机制中是一样的。

(b) (c)

近年来,颗粒物质的流动性为已经成为一个具有争议性的话题。最基本的问题是颗粒系统的粘性是否被正确的定义,这仍然是一个很热的话题。

GDR MiDi, Eur. Phys. J. E 14, 341-365 (2004).

H.M. Jaeger, S.R. Nagel, and R.P. Behringer, Rev. Mod. Phys. 68, 1259-1273 (1996)

此外速度廓线从摩擦到光滑机制中有一个普遍形式。

局部和全局的粘度测量的差异是可以看出来的,这说明材料在流动下的不均匀性。

粘度的概念在预测流动阻力的应用是必要的。也许是更关键的,鉴于其在地球物理和土木工程中的重要性,是湿颗粒物质流动的阻力。

然而,关于湿颗粒的研究数量相比于沙子来说几乎是可以忽略不计的。

Interstitial 间质的,空隙的

通常的关于湿颗粒图片是为组织间液,粘度低,材料的行为与干颗粒系统是相似的(颗粒之间的摩擦接触)和高粘度的物质间隙液与以粘度为主的系统是相似的。(两接触颗粒之间的润滑)

主要问题:任何情况下不可能定义一个宏观粘度,这并不取决于不论是在摩擦与润滑机制中的测量系统与几何结构。

Segregation transitions in wet granular matter

湿颗粒物质的分离转换

Azadeh Samadani and A. Kudrolli (2000)

摘要:我们报道了主要通过获取堆状粒子的发射井图片分析间隙流体分离程度的影响。 我们发现除了粘性力外还有毛细力对颗粒分离距离s与休止角?是有影响的。 我们当颗粒完全沉浸在低粘性流体中时还会发现一个分离。

我们从分析结果表明:在初始阶段有明显的变化并且在随后的饱和阶段将会

我们提出了间隙流体对颗粒分离程度的影响,主要通过对当颗粒物质中有小体积分数的液体加入时,在颗粒的流动中将会观察到分离现象有很大的降低。我们观察到当体积分数的增加时这种分离现象重新出现使颗粒依赖流体的粘性完全沉浸在流体中。粒子大小比例、体积分数、表面张力和粘度在颗粒分离的程度所起的作用在一定的基础上阐明了实验和物理参数。 结论

报告结果提供一个解释干颗粒物质与地球物理现象分离模型的向导,在此模型中出现了间隙液体这一事实。 有待进一步研究的问题

一个令我们感兴趣的问题还有待解决:是否分离相将会从定性上有所改变,随着系统尺寸的任意增加将会在今后的工作中有所增加。

arbitrarily

[,a:b?'trer?li]

adv. 武断地;反复无常地;专横地

pile [pail] n. 堆;大量;建筑群 vt. 累积;打桩于 vi. 挤;堆积;积累 percolation 渗流 evaporation 蒸发 phenomenological model 唯象模型 funicular 纤维状 pendular 钟摆状态

liquid-gas interface 气液交界面

Simple Model for Wet Granular Materials with Liquid Clusters

湿颗粒物质中含液体的简单模型

Namiko Mitarai1 and Hiizu Nakanishi2(2009)

我们提出了考虑了湿颗粒物质唯象模型,主要有颗粒状物质之间连接液体的毛细力,且两物体之间的粘性力是通过处于钟摆状态的粘着力相结合的。随着颗粒含水率的增加,有的液桥合并,至少两个颗粒通过一个液桥连接。

模型

在我们的模型中,颗粒之间的粘着力是通过气液交界面连接的。随着颗粒含水率的增加,颗粒与液体的接触数目也随之增加。但是liquid-gas interface 气液交界面随着液体簇的形成而有所降低。由于竞争的出现,我们的模型表明最大剪切应力与含水率有相应的函数关系。

(1) 在干颗粒物质中加入少量的液体将会很大的改变它们的行为。

Mitarai N. and Nori F., Adv. Phys. , 55 (2006) 1 Herminghaus S., Advances in Physics , 54 (2005) 221.

Iveson S., Litster J., Hapgood K. and Ennis B. J.Powder Technol. , 117 (2001) 3.

(2)液体在两颗粒之间形成液桥,而液桥由于表面张力在颗粒之间产生凝聚力。

A、当液体的含量比较小时,在两颗粒的接触点将会形成液桥:此时处于

钟摆状态如图(a)

索带状如图(b)

B、随着含水量的增加,许多液桥将会连接形成液体团簇,里面包含多于两个的颗粒,处于

当我们进一步增加液体时,所有的孔隙将会充满液体。它被称为

毛细管状态液体压力低于空气压力,最后如果液体的含量足够大时,系统会变成泥浆状态,液体压力大于空气压力。

湿颗粒物质的含水率的物理特性到目前还没有被很好的理解。

试验和数值的分析主要是钟摆状态。但是这种状态非常简单,只是颗粒与颗粒之间的接触,包括由于液桥之间的粘着力。

问题

然而,由于含水率的增加,液体形成的团簇是不可忽略的,那将会引发颗粒体通过液体之间的接触。解决这种情形的方法和模型还没有建立,仍然需要研究。

目前的研究表明,随着含水率的增加将比低含水量产生一个极大地物理场量。这主要在钟摆状与索带状态下。

本文中,我们提出了简单的唯象模型主要是纤维状态下许多颗粒的液体簇连接。在我们的模型中。在我们的模型中,颗粒之间是通过液体-气体交界面的粘结力连接的。