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颗粒-颗粒接触力的热力学模型

物理学报 2018年第4期67卷 118-127页

作者：蒋亦民刘佑中南大学物理与电子学院长沙410083 蒂宾根大学理论物理研究所德国蒂宾根72076

以颗粒二体接触力模型为基础和出发点的软球离散元模拟是当前颗粒物理和力学领域广泛应用的研究手段.但文献上经常使用的、包括著名的Hertz-Mindlin和Luding在内的力模型并没有完全明确弹性势能或耗散热的计算方法,故从热力学层面看它... 详细信息

以颗粒二体接触力模型为基础和出发点的软球离散元模拟是当前颗粒物理和力学领域广泛应用的研究手段.但文献上经常使用的、包括著名的Hertz-Mindlin和Luding在内的力模型并没有完全明确弹性势能或耗散热的计算方法,故从热力学层面看它们还需要完善.考虑到机械能的耗散行为是这类材料的重要物理内容,本文借鉴近年来提出的颗粒固体流体动力学(GSH)思路,提出一种具有明确势能和热功率的接触力建模方法.该理论除明确给出了机械能和热能的计算公式外,还能具体描述能量守恒、热力学平衡态和熵增加等基本原理,解决了传统接触力模型在这些方面的欠缺问题.初步计算显示本文模型的恢复系数可以随碰撞速率的增加而减弱,这比现有的其他模型更符合实验观测.虽然为简单起见这些公式仅局限于二维和忽略颗粒转动运动情况,文中讨论了如何推广到三维含转动情形,以及所涉及的滚动和扭转接触力的热力学处理问题.鉴于是否在Onsager非平衡热力学基础上建模是本文给出的接触力公式有别于当前其他模型的关键所在,文中强调了这里的主要建模对象应该是热力学特征函数和Onsager迁移系数,而接触力是它们的推导结果.这是一个与目前直接针对接触力进行建模的不同思路.文中对颗粒物质特有的、反映样品几何变形与弹应变之间联络的一个非对角迁移系数做了详细介绍,并且认为它与打滑等复杂力学现象关系密切,无论宏观GSH尺度上,还是细观接触力尺度上都不可忽略.

关键词：颗粒物质软球离散元模拟弹性势能热功率

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水-气-颗粒固体三相混合系统的流体动力学

物理学报 2013年第20期62卷 284-292页

作者：蒋亦民刘佑中南大学物理与电子学院长沙410083 蒂宾根大学理论物理研究所德国蒂宾根72076

按照经典物理中处理混合物的一般热力学方法,将近年来报道的颗粒固体流体动力学进一步推广到孔隙被水和气填充的情形,建立了其自由能的初步模型.水-气-颗粒三相体系是与岩土工程和地质灾害密切相关的材料,但其经典宏观物理基础却一直未... 详细信息

按照经典物理中处理混合物的一般热力学方法,将近年来报道的颗粒固体流体动力学进一步推广到孔隙被水和气填充的情形,建立了其自由能的初步模型.水-气-颗粒三相体系是与岩土工程和地质灾害密切相关的材料,但其经典宏观物理基础却一直未能全面澄清.目前用于分析这类混合物力学行为的基本工程理论含Darcy渗流定律、Terzaghi有效应力及其运动方程(即本构方程)等内容.通过与经典物理对比,本文澄清了渗流对应于不同相之间的质量扩散,有效应力与这类材料特有的体积填充形式自由能有关,这两部分内容工程与物理是一致的.目前的分歧具体体现在材料建模对象上,前者认为是本构方程,而后者是自由能和迁移系数.该分歧的解决将是建立这类材料的连续介质物理基础、突破本构方法面临的困境的一个关键.

关键词：颗粒物质混合物应力流体动力学

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垂直振动激发下颗粒物质的能量耗散

物理学报 2013年第2期62卷 373-378页

作者：彭政蒋亦民刘锐厚美瑛中南大学物理与电子学院长沙410083 中国科学院物理研究所北京100190

本文对垂直振动激发下的铜和玻璃珠两种密集颗粒样品,通过实时测量样品盒的加速度和振台对它的作用力,研究了样品的平均耗散功率.实验发现该耗散功率在给定振动强度下随振动频率的变化曲线是一个峰值在几十赫兹的宽峰结构,在给定频率下... 详细信息

本文对垂直振动激发下的铜和玻璃珠两种密集颗粒样品,通过实时测量样品盒的加速度和振台对它的作用力,研究了样品的平均耗散功率.实验发现该耗散功率在给定振动强度下随振动频率的变化曲线是一个峰值在几十赫兹的宽峰结构,在给定频率下随强度的变化具有幂率规律,其幂值小于简谐受迫振动模型的幂值2.这些结果将有助于研究测定颗粒流体和气体的迁移系数,以及它们在不同运动模式下的能耗差异.

关键词：颗粒物质能量耗散垂直振动

粮仓内颗粒压力的测量:Janssen行为及其偏差

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物理学报 2014年第10期63卷 292-299页

作者：李智峰彭政蒋亦民中南大学物理与电子学院长沙410083

基于侧壁分为上下两部分的装置,测量了圆柱对称颗粒系统(竖直粮仓)的压力随高度的变化,并讨论了测得的仓内压力与Janssen理论模型的偏离情况.实验结果显示无论是否对粮仓进行Vanel等建议的让"侧壁摩擦力充分动员"的底座缓慢下沉操作处理... 详细信息

基于侧壁分为上下两部分的装置,测量了圆柱对称颗粒系统(竖直粮仓)的压力随高度的变化,并讨论了测得的仓内压力与Janssen理论模型的偏离情况.实验结果显示无论是否对粮仓进行Vanel等建议的让"侧壁摩擦力充分动员"的底座缓慢下沉操作处理,测得的仓内压力都有不同程度的偏离Janssen现象.另外如果没有沉降处理,在填充颗粒的荷载下上侧壁会发生微弱下沉,从而显著增大压力偏离的程度,但沉降处理可将其消除.这些结果表明,粮仓的颗粒重量在仓底和沿侧壁边界上的分配情况受制备方式和装置变形的影响明显,具体分布情况复杂多样.因此颗粒物质的静应力弹性理论分析应该取应力边界条件.

关键词：颗粒物质粮仓 Janssen模型应力

浸润接触线的摩擦性质与固体表面张力的Wenzel行为

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物理学报 2005年第5期54卷 2202-2206页

作者：曹晓平蒋亦民中南大学物理科学与技术学院长沙410083

依据Adam和Jessop关于固液气三相接触线具有静摩擦性的观点 ,能从浸润接触角数据推算出固体的表面张力系数 ,但结果显然会与摩擦条件的具体形式有关 .以报道的不锈钢和聚丙烯实验数据为例 ,通过对比Mises和Amonton两种摩擦定律给出的... 详细信息

依据Adam和Jessop关于固液气三相接触线具有静摩擦性的观点 ,能从浸润接触角数据推算出固体的表面张力系数 ,但结果显然会与摩擦条件的具体形式有关 .以报道的不锈钢和聚丙烯实验数据为例 ,通过对比Mises和Amonton两种摩擦定律给出的表面张力系数 ,后者给出的张力才具有总是随表面粗糙性的增大而增加的Wenzel效应 ,以及当固液 ,固气界面的张力系数之差等于液气界面的张力系数时 ,退后角将变为零的全浸润条件 .这似乎表明用Amonton定律描写接触线的静摩擦要更为合理 .

关键词：浸润角静摩擦固体表面张力 Amonton定律接触角滞后

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颗粒孔洞流的最大休止倾角和流量公式

物理学报 2011年第5期60卷 425-429页

作者：彭政蒋亦民中南大学物理科学与技术学院长沙410083

实验测量了重力驱动下的玻璃珠颗粒样品通过不同倾角和孔径的圆形孔洞的卸载流量.发现无论孔径大小,流量均与倾角的余弦呈良好的线性关系;线性外推得到的零流量角,即流量休止临界角随颗粒粒径与孔洞直径之比的减小而线性增加;在无穷大... 详细信息

实验测量了重力驱动下的玻璃珠颗粒样品通过不同倾角和孔径的圆形孔洞的卸载流量.发现无论孔径大小,流量均与倾角的余弦呈良好的线性关系;线性外推得到的零流量角,即流量休止临界角随颗粒粒径与孔洞直径之比的减小而线性增加;在无穷大孔径极限下,此临界角在Bagnold角的误差范围内与样品的安息角一致.这些结果表明流量随倾角余弦线性变化的经验公式能揭示临界角的行为和特性,这是参数随倾角变化的Beverloo公式所不能描述的.

关键词：颗粒物质倾斜孔洞流 Beverloo公式

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砂土的流体动力学方程与本构模型的比较

岩土力学 2010年第6期31卷 1729-1738页

作者：蒋亦民刘佑中南大学物理科学与技术学院长沙410083 中南大学粉末冶金国家重点实验室长沙410083 蒂宾根大学理论物理研究所

目前砂土材料连续力学方程建模有两种途径,一种是源自于论证Navier-Stokes方程时所用的方法,称为流体动力学方法,主要针对普通固体、普通流体、超流、液晶、高聚物、颗粒物质等材料,它的基本做法是先给出守恒变量(如能量、动量、熵等)... 详细信息

目前砂土材料连续力学方程建模有两种途径,一种是源自于论证Navier-Stokes方程时所用的方法,称为流体动力学方法,主要针对普通固体、普通流体、超流、液晶、高聚物、颗粒物质等材料,它的基本做法是先给出守恒变量(如能量、动量、熵等)和对称破缺变量(如弹性应变、量子相位等)的一般运动方程,再用与具体材料有关的热力学函数和迁移系数来封闭它们;另一种方法是本构模型法,针对有塑性固体、非牛顿流体、砂土材料等材料,该做法特点是直接构建应力、应变、应力率、应变率、速度、密度、温度等变量之间的函数关系,并以此来封闭连续和牛顿方程。近年来采用这两种方法建立的砂土方程在文献上都有报道,因此,有必要对两者的特色、科学基础、适用范围,包括概念上的和具体方程等,进行比较,作为颗粒物理与土力学之间跨学科交流的一种尝试和沟通。通过比较得出,两种建模途径对表征砂土状态的完备变量集、屈服面、与塑性有关的耗散等使用了很不一样的思路和方程。

关键词：本构模型流体动力学热力学颗粒物理

Couette颗粒系统中静态应力和侧压力系数的非线性弹性理论分析

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物理学报 2008年第12期57卷 7919-7927页

作者：郑鹤鹏蒋亦民中南大学物理科学与技术学院长沙410083 蒂宾根大学理论物理研究所德国蒂宾根72076

经典弹性理论能否适用于静态颗粒物质是颗粒物理的一个基本问题.报道了非线性颗粒弹性方程对环柱几何(或称Couette几何)状样品中应力分布的计算结果.由于这些结果大都可在今后用实验直接测量,因而可将它们用于进一步判断这些弹性方程对... 详细信息

经典弹性理论能否适用于静态颗粒物质是颗粒物理的一个基本问题.报道了非线性颗粒弹性方程对环柱几何(或称Couette几何)状样品中应力分布的计算结果.由于这些结果大都可在今后用实验直接测量,因而可将它们用于进一步判断这些弹性方程对颗粒材料的适用性以及澄清这个基本问题.另外,这些结果还可用于分析计算工程中的侧压力系数.

关键词：颗粒物质侧压力系数非线性弹性理论

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一种颗粒底部压力不趋向饱和的粮仓系统

物理学报 2008年第11期57卷 7360-7366页

作者：蒋亦民郑鹤鹏中南大学物理科学与技术学院长沙410083 中南大学粉末冶金国家重点实验室长沙410083

随着深度的增加竖直圆筒容器中的颗粒物质会把自己的重量逐渐转移到容器的侧墙壁上,使容器底部的压力出现不随筒中颗粒材料高度的增加而增加的饱和现象.但值得注意的是,圆筒中的颗粒柱体并不总是表现为这个称为粮仓效应的力学状态.例如... 详细信息

随着深度的增加竖直圆筒容器中的颗粒物质会把自己的重量逐渐转移到容器的侧墙壁上,使容器底部的压力出现不随筒中颗粒材料高度的增加而增加的饱和现象.但值得注意的是,圆筒中的颗粒柱体并不总是表现为这个称为粮仓效应的力学状态.例如当改变侧墙壁的力学环境使其无法承担颗粒的重量时,柱底部的压力显然将随其高度的增加而线性地增加.本文分析讨论了Janssen模型假设对这类处于静力平衡下,但违反粮仓效应的颗粒系统的行为预测.

关键词：颗粒物质粮仓静摩擦应力