冲击波在颗粒系统中的传播特性

颗粒系统是有限尺度下宏观的粒子集合体，是一种复杂系统。它通常具有很大的涨落，是传统的统计物理学所难以描述的。由于颗粒介质不同于固体和液体介质，因此冲击波在颗粒介质中的传输具有奇特的性质。一维颗粒系统的理论分析和实验均表明，外部的冲击波在水平颗粒链中以孤波的模式传输，而在垂直链中有准孤波和振动波两种传播模式。然而，一维系统条件下的结论并不能简单地推广到二维或三维系统，所以为了揭示自然规律并解决实际问题，就必须研究冲击波在二维和三维状态下的传播特性。本项目拟从实验上观测不同形式的冲击波在二维和三维颗粒系统中的传播特性以及能量的耗散效应与颗粒的自身属性、颗粒间的预压缩程度、颗粒系统的构成方式、波源的性质等诸因素的依赖关系，结合理论分析和分子动力学模拟，其结果不仅对于建立机械波在颗粒物质中传播的基础理论具有重要的学术价值，而且具有广阔的应用前景。

研究了颗粒物质在冲击、振动等各种激励条件下的各种非线性物理过程及其机制，取得若干重要成果：实验研究了准二维颗粒系统中不同类型的冲击波在不同围压以及不同尺寸颗粒介质条件下的传输特性。利用研制的可调控颗粒系统堆积分数的容器，获得了限界颗粒系统中弹性波传播速度与颗粒尺寸、围压大小及冲击波类型的依赖关系，并据此发现在低压态弹性波的能量耗散主要是通过非线性波的输运方式；实验研究了三维颗粒系统的准静态崩塌动力学过程。发现了崩塌端压力随体积分数变化的规律，并存在一种反压缩力增加现象，整个过程表征了颗粒材料内部很强的非线性自组织行为特性；实验研究了声波在泡沫中传播特性，发现声速随着气泡直径增大而增大；当泡沫直径超过一定值时，泡沫中的声速逼近于空气中的声速值。依据高气体含量泡沫中的声速与泡大小及声频率的依赖关系，提出了一个近似的理论模型，理论预测结果与实验数据符合很好；实验研究了二元颗粒床在竖直振动下的成拱失稳现象。发现通过调控体积比与振动加速度，可以产生或者消除其成拱行为。我们还提出了一个非线性唯象模型来描述成拱构型和解释上述失稳现象，其结果与实验事实符合很好；实验研究了混合颗粒分聚过程中的颗粒间隙介质效应。发现颗粒间隙介质对颗粒间的相互运动有很大的影响，介质效应为颗粒分离的重要机制之一；实验研究了二维颗粒链系统的静态堆积结构。发现了颗粒链堆积结构是长程无序结构，其结构因子和接触指数等标度行为与浓聚合物溶液的标度行为类似，进而推测出宏观颗粒链与高分子链存在某种程度上的相似性；实验研究了由颗粒链和颗粒组成的混合物质在垂直振动下的分聚行为。首次引入振动/厚度比率作为界定颗粒链-颗粒混合系统分聚行为相图边界的序参量，并发现了振动频率、链长与混合程度的依赖关系；实验研究了二元混合颗粒的循环反转现象。首次给出了一个描述混合颗粒分聚过程中小颗粒穿越大颗粒的渗透流量的定义，发现了系统分聚构型随渗透流量及体积比的变化规律；模拟（DEM方法）研究了水平转筒中的颗粒的径向分离现象与长度和端面摩擦系数的关系。发现了水平转筒中混合颗粒的径向分离程度随筒长及端面摩擦系数的变化规律，认为其机理与颗粒流体中的扩散机制有关；实验研究了限界颗粒柱的各种静态特性。发现了柱内应力转向参数随筒仓/颗粒直径比的变化规律以及底部表观质量与颗粒柱构型及涨落的关系。人才培养：博士后、博士、硕士、本科生共约40名。