2009 年 11 月
第 18 卷 第 4 期
Nov ., 2009
Vol .
18 No .
4
中央民族大学学报(自然科学版)
Journal of MUC(Natural Sciences Edition)
颗粒流研究最新进展与挑战
叶
坚 , 毛旭锋 , 夏建新
(中央民族大学 生命与环境科学学院 , 北京 100081)
摘
要 : 本文从颗粒流态出发 , 探讨颗粒不同流态特征及其转化机制 , 并分析了颗粒流动过程中的应力本构
关系 , 总结了非均匀颗粒流动特殊分选现象的研究成果 , 以点带面方式分析颗粒流研究的重 要进展 .同时 , 本
文还分析了颗粒流研究所面临的挑战 .
关键词 : 颗粒流 ;应力 ;分选
中图分类号 :O375
文献标识码 :
A
文章编号 :
1005-8036(2009)04-0026-10
1 引
言
[ 1 ～ 2]
颗粒流是大量颗粒物质在外力作用和内部应力发生变化时产生的类似流体的运动状态
.颗粒
[ 3 ～ 4]
流的存在范围很广
, 自然界中 , 滑坡 、泥石流 、雪崩 、沙丘演化都是典型的颗粒流例子 ;
工农业生产过
程中 , 制药 、陶瓷 、水泥 、冶金 、食品 、能源和环保等领域都会遇到颗粒流问题 .颗粒流动过程中表现出了
各种复杂的物理特性 , 对它的研究已成为国际物理前沿热点之一 .
虽然颗粒流是一种流动现象 , 但它具有区别于液态和气态流动的特点 , 在不同边界条件和外力作用
下会呈现出不同的流态 , 不同流态的颗粒流在其内部结构和应力上存在很大的差别 , 并由此引发出各种
特殊的流动现象 .了解颗粒在不同流态的产生条件及转化机制 , 探究颗粒在不同流动状态下的内部结
构和应力状况 , 对解释颗粒流动机理以及流动过程产生的特殊现象 , 具有十分重要的理论和现实意义 .
文章拟从颗粒流流态 、颗粒应力本构关系以及颗粒流动的特殊现象 —流动分选三个重要内容出发 ,
对颗粒流研究的现状和进展进行分析 , 以期以点带面的挖掘颗粒流研究进展的重要信息 , 促进颗粒流的
后续研究 .
2 颗粒流不同流态及其转化
颗粒在不同流速下表现出不同的流态 , 不同流动状态之间既有区别又有联系 .它们之间区别是什
么 , 用什么来表征 ;
它们之间的联系又是什么 , 如何转化 ? 总结最新的研究成果 , 并进行细致的分析 , 对
颗粒流的系统研究是十分有意义的 .
2.
1 颗粒的不同流态
[ 5]
不少学者发现
[ 6 ～ 7]
Howell
, 当紧密堆积的颗粒受到剪切时 , 颗粒间应力主要通过力链变形来传递 .图 1 是
等在剪切室实验过程中 , 通过光弹性技术拍摄到的颗粒间形成的力链 , 图中白色部分就是颗
收稿日期 :
2009-08-10
基金项目 :
水利部岩土力学与工程重点实 验室开放基金(No .
G07-10)、国家自然科学基金(No.50879096).
作者简介 :
叶坚(1986-), 男(汉族), 浙江丽水人 , 中央 民族大学 生命与 环境科 学学院 在读硕 士生 , 主要从 事环境 科
学方面的研究 .
叶坚等 :颗粒流研究最新进展与挑战
第4期
27
粒间形成的力链 .
从图 1 中可以清晰地看到 , 力链并不是完全分布在整个颗粒内部的 , 而是随机的分布在颗粒系统内
部 .颗粒在受到剪切的过程中 , 在某个范围内簇集在一起而形成力链 , 力链上颗粒的应力很强 , 而其旁
边的颗粒受力可很弱 , 甚至不受力 .
力链形成后在外力的作用下会发生轻微旋转 , 很快会变得不稳定并
最终崩塌 , 但又会在很短的时间内又形成新的力链 .
这种密度流中力链结构的存在 , 决定了颗粒弹性与颗粒内部应力的密切关系 .试想一下 , 颗粒应力
通过力链变形传递应力 , 如果处于力链上的颗粒弹性增加一倍 , 那么力链变形也增加一倍 , 相应的应力
也会增加一倍 .Compbell 采用颗粒刚度 k 表示颗粒的弹性特征 , 将颗粒的弹性特征引入颗粒流中 .这种
弹性特征的引入揭示了颗粒流的本质 , 由此将颗粒流划分为弹性区和惯性区两个小流区 , 图 2 是颗粒系
统结构图 .
图 1 剪切室中力链的电子照片(来源于 Howell 等 [6] )
Fig .1
图2
Fig .2
Electroni c photo of force chain in shear room
颗粒流的不同流态
Diff erent style of granular f low
(Originate from Howell[6] et c.
)
弹性区主要针对颗粒堆积相对紧密的密度流 , 其重要特征是颗粒内部应力主要通过力链变形传递 .
弹性区又被划分为弹性 -准静态流和弹性 -惯性流两种副状态 , 这两种流态并没有本质上的区别 , 都是
依靠力链变形传递内部应力 .与弹性 -准静态流略有区别的是 , 当处于弹性 -惯性流系统的颗粒受到
较高的剪切率时 , 颗粒系统应力不只与颗粒弹性有关 , 还受颗粒惯性力的影响 , 其由力链结构变形产生
的力有如下形式
F = a +bγ
(
1)
a 是颗粒的基本弹性应力 , γ为剪切率 du dy , bγ是颗粒的惯性增强相 .所以 , 此时颗粒系统的总应力
关系为
τ～ F ～ a +bγ
(
2)
相比弹性 -准静态流系统内部应力 , 它多了一个增强相 .多数情况下 , bγ远小于 a , 因此颗粒系统
表现为弹性 -准静态流动 ;
而当 bγ增大到与 a 接近的量级时 , 颗粒剪切率对应力的影响就会很明显 , 颗
粒系统就会由弹性 -准静态流进入到弹性 -惯性流区 , 此时颗粒系统的应力与颗粒剪切率呈线性增长 .
惯性区也可以划分为两个副流态 :
惯性 -非碰撞流和惯性 -碰撞流(即快速流).颗粒流处于惯性
[ 8]
区的明显特征可引用 Bagnold 的关系式表示 , 即颗粒的应力变化和颗粒剪切率之间的平方关系
2
2
τ
ν
)ρ
ij = f ij (
Sd γ
(
3)
颗粒的半径和密度分别 d 和 ρ
S , 颗粒的固体浓度为 ν.
然而 , 即使颗粒流系统达到了惯性区 , 也不一定就是完全意义上的快速流 .虽然处于惯性区的颗粒
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中央民族大学学报(自然科学版)
第 18 卷
相互接触是瞬时的 , 但只要 tc Tbc >1(t c 是颗粒平均接触时间 , Tbc 是颗粒碰撞相隔时间), 颗粒系统就
会同时有多个而不是两个颗粒发生碰撞 .只有当 t c Tbc =1 时 , 颗粒系统才真正进入快速流 , 这也是为
什么要将颗粒的惯性区划分为惯性 -非碰撞流和惯性 -碰撞流的原因 .
通过以上的分析 , 由于颗粒弹性特征的引入 , 颗粒系被划分为四个副流态 , 与以往将简单将颗粒流
划分为快速流 、慢速流和准静态流三种流态不同 , 这种划分方式更加细致的从本质上对颗粒流进行了划
分 , 表 1 归纳了不同颗粒流态的基本特征 .
表 1 颗粒流描述
Tab.
1 Description of granular flow
流态
流动特征
弹性 -准静态流
弹性 -惯性流
惯性 -非碰撞流
惯性 -碰撞流
应力状况
颗粒流动 过程 中 保持 相互 接触
和摩擦颗粒
颗粒流动 过程 中 保持 相互 接触
和摩擦
tc Tbc >1 , 颗粒碰撞过程存在两
个以上颗粒相互作用
tc Tbc = 1 , 颗 粒 碰撞 过程 只有
两个颗粒发生作用
描述
τ= σtan φ
τ～ F ～ a +bγ
τij = f ij(ν)ρsd2 γ2
τij = f ij(ν)ρsd2 γ2
[ 5]
Compbell 还提出了颗粒弹性与惯性比的无量纲参数 k
k
内部应力主要通过力链变形传递 , 颗粒系统应力与
颗粒弹性有关
系统应力不仅与颗粒弹性有关 , 还与剪切率成呈线
性相关
颗粒的应力变化和颗粒剪切率之间呈平方关系 , 但
未达完全惯性碰撞
＊
=k
3
颗粒的应力变化和颗粒剪切率之间呈平方关系
＊
2
ρ
d γ
(
4)
k 为颗粒刚度 .实际上 , 该参数可以写成
＊
3 2
2 2
k =k ρ
d γ =(τρ
d γ)(τ
d k)
(
5)
＊
实际上就是 Bagnold 惯性相和颗粒弹性应力的比值 .通过引入无量纲参数 k , 可得到在不同浓度和参
＊
数 k 条件下的颗粒流流区图 , 见图 3 .
2.
2 颗粒不同流态之间的转化
颗粒弹性的引入使得颗粒流构成完整的流图 , 这些不同的流动状态有各自的特点 , 也存在着联系 ,
在一定条件下 , 不同颗粒流态之间可以相互转化 .例如 , 以弹性 -准静态颗粒流开始 , 保持颗粒体积一
定 , 增大颗粒的剪切率 , 颗粒系统会进入弹性 -惯性流系统 , 但永远不会达到惯性 -碰撞流 , 因为即使颗
图3
颗粒流的四个不同流区(源于 Compbel l[ 5] )
图4
Fig .4 Transformation among diff erent flow state
(tc 为平均接触时间 , T bc 是两相接触时间)
[ 5]
Fig .3 Four different districts of granular flow (Originate from Compbell )
(tc is average contoct time, T bc is biphasi c cont act time)
不同颗粒流态之间的转化
叶坚等 :颗粒流研究最新进展与挑战
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29
粒的剪切率达到很大值 , 颗粒系统仍然存在的力链结构 .同样 , 如果增大快速颗粒流系统的剪切率 , 并
保持颗粒系统的体积不变 , 那颗粒系统将经历惯性 -非碰撞流并最终到弹性 -惯性流 , 这种现象一方面
说明了不同流态之间的转化是完全可能的 , 另一方面也说明即使是快速颗粒流系统 , 在颗粒的体积浓度
较大的情况下 , 颗粒系统内部也能形成力链 .
图 4 是不同条件下 , 颗粒系统在不同流态之间的转化方式 , 从图中可以清晰地看到 , 颗粒准静态流
是如何通过改变颗粒流系统的体积或者应力发展到惯性 -碰撞流的 .
由图中可以看到 , 通过控制系统的应力或者体积能达到颗粒不同流态之间相互转化的目的 .调节
颗粒系统的剪切率并不困难 , 但是 , 自然和工业过程中的颗粒流通常都存在着自由表面 , 比如颗粒在斜
槽 、料仓内的流动等 , 颗粒系统在受剪切的过程中体积不会保持一定 .这种转化模式只是用来说明一定
条件下不同颗粒流态之间的转化方式 .但即便如此 , 通过这种转化方式能让整个颗粒流系统的体系结
构更加清晰 , 不同颗粒流态之间的区别更明显而联系却更紧密了 .
3 颗粒流的本构关系
颗粒在不同流态下存在不同的内部应力 .在弹性 -准静态流中 , 颗粒之间持续接触 , 靠颗粒间的力
链传递正应力 , 靠内摩擦传递剪切应力 , 这里通常忽略颗粒的粘性 , 认为颗粒的应力关系为
τ= σtan
σ是正应力 ,
(
6)
是颗粒的静止摩擦角 .
[ 8]
在惯性区 , 引用 Bagnold
颗粒应力和剪切率之间关系表达式
2
2
τ
ij = f ij (
ν
)ρ
Sd γ
(
7)
但以上本构关系是表达一定流动状态下颗粒流系统的应力关系 , 未能将不同流态颗粒流的本构关
[ 9]
系包含进来 .王光谦 等采用理论分析 , 利用连续介质力学的一般方法描述颗粒流动 , 建立起颗粒流动
的的应力本构关系为
T =F 0 I +F 1 D +F 2 D
2
(
8)
D 为剪切速度梯度 ;F 0 、F 1 、F 2 是 D 的 3 个不变量 ;I1 、I2 、I3 颗粒密度 ρ
s , 粒径 d 和颗粒材料特性
的标量函数 .
在简单剪切流条件下 , 对于无粘颗粒 , 本构方程可以简化为
5
3.5
1.5
5
3.5
1.5
p xy =k T0 λρ
sdg +k T1 λ ρ
sd
pyy =k P0 λ ρ
s dg +k P1 λ ρ
sd
g
0.5
g
2
2
2
2
du dy +k T 2 λρ
sd
0.5
du dy +k P2 λρ
sd
du dy
du dy
2
(9a)
2
(
9b)
k T0 , k T1 , k P0 , kP1 和 k P2 是与颗粒浓度和材料特性有关的系数 , g 是重力加速度 , λ是颗粒的线性
浓度 , 其与颗粒体积浓度 c 和静态接触最大可能浓度 co 表达式为
13
(c o c) )-1
λ= (
-1
(10)
该本构关系最大的特点就是将颗粒不同流态的应力关系统一起来 , 同时存在流速梯度的零次项 、线
性相项和二次项 .零次项时由于粗颗粒之间的静态支撑作用引起的 ;
二次项时由于颗粒之间的碰撞和
扩散引起的 ;
而线性项则是由于颗粒之间的相对滑移和挤压作用引起的 .
[ 10]
夏建新 等还将颗粒弹性系数作为参数引入 , 对二次项进行了修正 , 使得该本构关系描述更为准
确 , 其表达式变为
5
3.5
1.5
5
3.5
1.5
p xy = k T0 λ ρ
s dg +k T1 λ ρ
sd
p yy = k P0 λρ
sdg +k P1 λ ρ
sd
g
0.5
g
0.5
2
2
2
2
du dy +k T2 ψ
λρ
sd
du dy +k P2 ψλρ
sd
du dy
du dy
2
(11)
2
(12)
弹性系数的表达式为 ψ=(
1 +e)(1 -e).对于弹性较差的颗粒来说 , 其碰撞应力也小 , 即使颗粒
进入了 Bagnold 定义的完全碰撞区(Ba >450), 但实际上并没有达到完全的惯性碰撞 , 此时颗粒的流态只
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中央民族大学学报(自然科学版)
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是一种惯性 -非碰撞流 .该表达式充分考虑了颗粒弹性的影响 , 更能真实反映碰撞作用的机理 .
值得一提的是 , 颗粒的应力不仅与颗粒流态等因素有关 , 而且受颗粒系统的尺度的影响 .Hopkins
[ 11]
和 Louge
就发现剪切颗粒系统的应力与无量纲颗粒系统大小成正比关系 , 颗粒系统的无量纲大小由
L d 定义 , L 和 d 分别是系统大小和颗粒直径 .
颗粒流动过程的应力关系是颗粒流研究的重点 , 了解颗粒系统的应力性质 、大小以及应力间的关
系 , 对了解颗粒流本质具有极大帮助 .
4 颗粒流动分选机制
颗粒分选已成为当前颗粒流研究的前沿和热点 , 许多学者从不同角度采用不同的方法研究了颗粒
流动分选问题 .但是 , 颗粒流动分选问题特别复杂 , 颗粒的形状 、大小 、密度 、刚度 、粗糙度以及颗粒聚集
状态和流动方式对会对颗粒分选产生影响 .到目前为止 , 人们对颗粒系统流动分选的机理仍未弄清 , 尚
未得到一个可以预测和概化颗粒流动分选的模型 , 有必要针对前人所做的研究做一个总结 , 以期发现其
中的内在规律 , 为颗粒流动分选机制的研究提供帮助 .
4.
1 理论研究
颗粒流动分选可以分别采用理论 、数值和实验方法进行研究 , 不同学者采用相应的方法针对不同颗
[ 12]
粒系统都提出了流动分选的机制 , 其中 , Savage 和 Lun
的研究提供了认识颗粒流动分选的基础 , 他们
研究了流速较慢 、堆积紧密的颗粒剪切流 , 根据理论分析和实验观察结果提出了两种颗粒分选的机制 ,
即“随机振动筛”机制和“挤压驱除”机制 .他们假设密度流中缝隙更容易被小颗粒所占据 , 小颗粒落入
缝隙的几率要比大颗粒大得多 , 导致大小颗粒在垂直于流动层方向质量的交换 , 最终形成分选 .通过统
计分析得到小颗粒在垂直于流动层方向的质量净变化 , 并提出了一个模型计算小颗粒的净渗流速度 , 并
预测了大小颗粒完全分选时需在斜槽表面流动的距离 , 实验结果和模拟结果十分吻合 .实验过程中提
出的颗粒渗透速度 v p 的表达式为
vp = v p0 d pl (du dy )
vp0 =
(13)
2
LT
4k (M N)(
1 +η
σ)
· ΔE
2
3
3
(1 +η
)
(1 +η
σ)+ E (M N)
π(1 +η
)
(1 +η
σ)
2
k AV
(1 +η
σ)
E b -E m
ΔE =(Eb +E -Em +1)exp E -E m
-(E a +E -E m +1)exp -
(14)
E a -Em
E -E m
(15)
此处 , σ= d ps d pl , dpl 和 dps 分别是大小颗粒的粒径 , η是小颗粒与大颗粒的数量比 .
E a =(
1 +η
)(1 +η
σ), E b =(
1 +η
)σ(1 +η
σ)
(16)
E 是平均空隙直径率 , kL T 是层厚度常量 .M N , Em , k AV 分与颗粒堆积状态有关的常数 .
[ 13]
颗粒堆积流动过程中也会发生分选现象 , Bautrex 对此进行研究后认为 , 流动层颗粒与固定层颗粒
之间的碰撞是颗粒分选的主要原因 , 并结合分析得到了以下方程
l
+
s
=1 ,
l
和
s
s
Rl
Rs
= 1 +ξ
x l R l +xs R s R s +R l
(17)
l
Rs
Rl
= 1 -ξx R +x R R +R
l l
s s
s
l
(18)
是固定层中大小颗粒体积分数 ;ξ≡ ζ
ψ-Δx , 在该模型中为常数 ;Δx 是表
征颗粒大小差异的参数 ;γ是常数 , ζ
υd , 其中 , υ是颗粒流速 ;ψ是大小颗粒的休止角之差 .由模
型可以分析出 , ζ和 ψ越大或者 Δx 越小 , 颗粒分选程度越高 .与之对应的实验结果证实了模型的分析
结果 , 颗粒粒径差异越大 , 颗粒分选越明显 .
叶坚等 :颗粒流研究最新进展与挑战
第4期
[ 14 ～ 15]
Haro 与 Kincaid 等
31
针对多元混合的硬球颗粒分选提出了最完整动理论模型 , 他们将热扩散因
子(aij )定义为
a ij ΔlnT =Δln(nj ni )
(19)
n i 是颗粒 i 的数量密度 , T 是颗粒温度 .热扩散因子给出了与温度梯度有关的分选大小和方向 , 并
将系统中由于温度梯度导致的分选特征化 .Jenkins 和 Mancini
[ 16]
认为由上述因子得到的方程在处理颗
粒的分选上仍有限制 .他们将混合硬球理论应用到轻微非弹性混合颗粒系统分选中 , 给出了颗粒流动
的平衡方程和连续性方程以及颗粒项运动方程 , 这些方程中包含了数量密度 、压力和温度项 , Hsiau 和
[ 17]
Hunt 引用上述方程分析颗粒的流动分选 , 认为颗粒分选是数量密度 、压力以及温度梯度导致的质量
交换的净结果 .其中 , 压力梯度导致的质量交换为
p
j1 =
D 12 ρ
1ρ
2
(m 1 -m 2 )Δp
2
ρT
(20)
温度梯度导致的质量交换为
2
D 12 ρ
T
1ρ
2n
K T (m 1 -m 2 )ΔlnT
j 1 =2
ρ
(21)
颗粒数量梯度导致的质量交换为
2
D 12 m 1 m 2 n
j =Δf
ρ
f
1
(22)
式中 p , T 和 n1 n 分别是压力 , 温度以及数量分数 , D 12 两相扩散系数 , KT 是热扩散率 , m 是颗粒质量 , n
是颗粒数量密度 .温度梯度和压力梯度是颗粒分选的主要原因 , 而颗粒数量梯度则会导致颗粒混合 .
大颗粒由向高压力和低温度区扩散 , 而小颗粒有向低压和高温 度区扩散的趋势 .而这个结果似乎与
Savage 和 Lun 实验研究的结果正好相反 , 产生此现象的原因可能与该模型中未考虑颗粒重力影响有关 .
以上这几个模型较为典型 , 它们多以颗粒数量密度 、粒径比 、温度 、流速等为主导因子研究颗粒的流
动分选机制 , 取得了一定的理论成果 , 但这些模型的适用性和准确性还需要通过实验研究进一步验证 .
4.
2
实验研究
对于颗粒分选这样复杂的问题来说 , 实验研究是必不可少的手段 .颗粒流动分选的实验主要采用
以下三种流动系统 :
斜槽流 、堆积流和旋转筒内的流动 .这三种系统流动的动力均来自颗粒自身的重
力 , 颗粒分选发生在相对狭长的流动层中 , 物理机制十分相似 .
斜槽流分选机理最根本的解释来源于 Savage 和 Lun 的实验和理论分析结果 , 前文中已经做了详细
[ 18]
的介绍 .另外 , 还有一种解释来源于 Williams
, 他认为颗粒间的渗流是分选的主要原因 , 假设斜槽表面
颗粒结构像一个筛子 , 小颗粒更易落入筛子中 , 从而形成分选 .其观点与 Savage 和 Lun 提出的观点没有
本质的区别 .
[ 19]
Brown
较早就开始研究颗粒在倾倒堆积流动过程中发生的分选现象 , 他将颗粒间的碰撞定为颗粒
在自由表面流动分选的主要原因 .当小颗粒与大颗粒发生碰撞时 , 前者会发生减速而停留在流出点附
近 , 大颗粒则向堆积面的边缘滚动 , 进而形成分选 .但是 , 他未能很好地定义颗粒分选的程度 .与 Brown
[ 20]
观点不同的是 , Makes 等人 认为只有在颗粒形状差别很大 , 尤其是大颗粒的静止角远大于细颗粒的情
[ 21]
况下 , 颗粒系统才会发生明显的分选现象 .然而 , Baxter
等人认为分选的产生并不取决于颗粒形状的
差异 , 而取决于填从充率(fill rate), 填充率与颗粒大小差异有关 , 并决定颗粒分选的形成与否 .
颗粒在滚筒的径向或轴向均可发生分选 , 轴向分选过程十分缓慢(通常要经过几百上千次旋转), 而
径向 分 选 十 分 迅 速 (通 常 旋 转 几 周 就 可 以 发 生).如 Henein 、Pollard 和 Henein 以 及 Eightman 和
[ 22 ～ 24]
Muzzio
[ 25 ～ 27]
等人的实验都证明了这点 .横向区域颗粒分选主要通过渗流 、随机筛选以及驱除机制
[ 28 ～ 29]
而轴向的分选机制仍不清楚 .Bridgewater 和 Hill 和 Kakalios
,
认为产生轴向分选的原因是不同粒径颗
[ 25]
粒具有不同休止角的缘故 , 但这种机制不能解释轴向分选的反向过程 .Nityanand
等还发现当滚筒高
32
中央民族大学学报(自然科学版)
第 18 卷
[ 30]
速旋转时 , 这种径向的分选过程可以反向发生 , 即小颗粒出现在边缘而大颗粒形成核状区域 .Tomas
提出了更具一般性的见解 , 当大颗粒数量很少时 , 依据颗粒粒径差异 , 大颗粒可以聚集在任何径向位置 .
除上述三种形式的流动系统外 , 颗粒系统在振动条件下的分选也受到很多关注 , 我国的学者对此做
[ 31]
了不少研究 .姜泽辉 等人通过实验观察到了振动条件下产生的一种新的分离现象 —“三明治”式分
离 , 即大而重的颗粒被夹在两层小的轻颗粒之间 , 并对该现象的物理机理及其与振动加速度 、振动频率
[ 32]
2 2
及颗粒尺寸等因素的关系做了阐述 .史庆藩 通过控制加速度 Γ和频率 f (Γ=4 π f A g 是无量纲加
速度表达式 , 式中 A 是正弦振动的幅值 , g 是重力加速度), 让均匀混合的铜颗粒和玻璃颗粒在不同加
速度和频率下正弦振动 , 同时获得了巴西果(BN)、反巴西果(RBN)和三明治(Sandwich)的不同分层相构
型及其相图 , 还发现区分不同分层区域的 Γ值具有滞后效应 , 表明分层过程与系统的初始条件有关 .阎
[ 33]
学群 等人还观察了垂直振动颗粒床中 , 不同气压 、颗粒尺寸以及密度情况下大球的运动规律 , 实验发
现 , 系统处于真空状态或低气压时 , 大球总是向上运动 .而在常压下 , 大球则会出现上升和下降两种运
动状态 .只在大球的密度和颗粒床中颗粒尺寸足够小时才会出现大球下降这种运动状态 , 这可能是颗
粒床中的负气压梯度导致大球下降 .这一结果从实验的角度很好地对“巴西果”效应 、“反巴西果”效应
和“三明治”式分离三种颗粒流在外界振动干扰条件下出现的现象做出了解释 :
振动引起的颗粒分离与
颗粒的尺寸 、质量密切相关 , 也与振动条件和气压等因素有关 .振动使大颗粒上浮的巴西果效应是普遍
的 , 而反巴西果效应的产生受气压影响 , 尤其当颗粒尺寸和质量较小时影响程度更为显著 .但是 , 上述
解释还需要进一步从机理上进行研究 .
各类实验 , 提供了认识颗粒流分选本质的基础 , 从最本质 、最直观的角度出发认识颗粒流动分选这
种特殊现象 , 将一直是不可或缺的研究手段 , 尤其是当前许多先进的仪器和技术的使用 , 很大程度上改
进了实验研究的深度和广度 .可以预见 , 实验研究一定能在探索颗粒流动分选的机理上提供极大帮助 .
4.
3
分选机制
分析现有研究成果 , 对颗粒尺寸分选的解释主要有以下四种 :
(1)弹道分选(trajectory segregation);
(2)小颗粒渗透引起的分选 ;
(3)碰撞分选 ;
(
4)颗粒的振动分选 .
弹道分选(
trajectory segregation)
认为颗粒的分选受颗粒惯性和阻滞运动之间平衡影响 , 可用 Stokes
数表示
2
Le =Uρ
18μ)
pd (
(23)
ρ
p 和 d 分别是颗粒的密度和直径 , L e 是颗粒能在水平方向运动的最大距离 .
当两种粒径颗粒同时
流动时 , 大颗粒运动的 距离明显会大于 小颗粒的运行 距离 , 分选由此 形成 .而 Bridgewater 和 Hill 和
[ 34]
Kakalios 等人则认为轨迹机制的本质是不同粒径颗粒具有不同休止角的缘故 .
第二种解释来源于 Savage 和 Lun 通过理论和实验提出的“随机分选筛”机制 , 前文已经做了介绍 .
此
后 ,Williams 和 Baumann 也分别提出了“渗透机制”和“捕捉机制” , 实际上 , 这两种分选机制与 Savage 和
Lun 提出的分选机制没有本质上的区别 .
Savage 和 Lun 在提出“随机分选筛”机制的同时 , 通过观察后提出了另一种解释 , 即“ 挤压驱除”机
制 , 小颗粒更容易在碰撞力的作用下 , 被挤出所在层而导致分选的发生 .Brown 在研究颗粒在倾倒堆积
流动过程中发生的分选现象时 , 也认为颗粒在自由表面分选的主要原因是颗粒间的碰撞 .当小颗粒与
大颗粒发生碰撞时 , 前者会发生减速而停留在流出点附近 , 大颗粒则向堆积面的边缘滚动 , 进而形成分
选 .虽然这两种观点都阐述了碰撞对分选影响 , 但还是存在本质上的差别 .
[ 35]
虽然振动条件下颗粒间的碰撞作用明显 , 但 Barker 和 Methta 认为颗粒受振动条件下的分选 , 存在
两种解释 :
一个是振动时小颗粒落入大颗粒的间隙中 , 并停留在下方支撑着上层大颗粒 , 形成上大下小
[ 36]
的分选 ;
Elperin 和 Golshtein 持另一种观点 , 他们认为容器壁导致对流的产生 , 使中心区小颗粒上升 , 壁
沿的小颗下落 , 而向下对流运动不能带动大颗粒一起向下 , 使大颗粒停留在表层 .
以上几种机制基本上涵盖了当前颗粒流动分选的主要研究成果 , 但是 , 相应分选机理适用于特定的
第4期
叶坚等 :颗粒流研究最新进展与挑战
33
范围和特征的颗粒流动 , 目前 , 尚未得到一个能预测和概化所有颗粒流动分选的模型 .同时 , 也不能排
除还有其他分选机制的存在 , 需要在今后的工作得到揭示 .
5 讨
论
颗粒流系统研究至今已有 50 多年的历史 , 在许多学者的持续共同努力下 , 颗粒流研究已经取得了
一些的进展 .同时 , 也面临着许多得挑战 , 主要有以下几个方面 :
(1)颗粒流基础研究和实际运用相结合所面临的挑战
颗粒流研究之所以成为热点 , 不仅是因为它具有重要的理论意义 , 还在于其重要的实际意义 .如何
解决理论研究相对滞后 、或者脱离实际这个问题是当前所面临的一个挑战 .比如 , 颗粒快速流动一直是
研究的热点 , 而事实是 , 快速颗粒流多存在于实验室中 , 实际应用快速颗粒流十分少见 , 一般多为密度
流 , 颗粒很难在剪切作用下获得足够高的温度脱离弹性区进入快速流区 .目前 , 最好的解决办法就是在
实验设计方面要紧跟实际运用的需要 , 以便基础研究的成果直接运用到现实操作过程中 .
(2)新技术的运用带来的挑战
新技术的运用大大拓展了颗粒流研究的深度和广度 , 但同时也带来了问题 .比如 , 通过非侵入方法
可以很容易地测量出颗粒的速度数据 , 但是 , 如何根据这些数据推出颗粒的速度场仍比较困难 , 尤其是
当颗粒系统的流动特征本身就比较模糊的时候 , 由此得出的结论可能会影响人们对颗粒流本质的理解 .
还有人采用 PTV 得到的数据量化颗粒流 , 而实际上这些数据并不一定能反映颗粒流动的本质 .
这些新
技术的不合理地运用 , 可能会影响颗粒流的理论研究 .
(3)新旧理论之间的冲突带来的挑战
颗粒流系统十分复杂 , 随着研究的深入 , 新旧的理论存在一些矛盾会带来一定的挑战性 .
一个典型的例子就是 :
颗粒快速流引入颗粒温度类比气体动理论 , 得到颗粒动理论描述流粒流 .但
是 , 研究结果显示 , 越来越多的颗粒系统并不适用于颗粒动理论 .比如 , Compbell
[ 37]
曾采用动理论描述流
[ 5]
化床中颗粒多相流中固相应力 , 而直接的测量结果显示该系统不符合快速颗粒流 .此外 , Compbell 甚
至对颗粒动理论能否适用于颗粒流研究提出了质疑 , 他认为颗粒温度本身就是一个很模糊的概念 , 它反
映颗粒平均速度基础上的脉动速度的大小 , 颗粒系统首先要有一个平均流速 , 当颗粒平均流速都不稳定
时(比如颗粒在受震动条件下运动), 很难将这种不稳定的平均速度和颗粒温度区别开来 .然而 , 颗粒动
理论提出至今 , 许多学者都采用它进行了大量的颗粒流研究 , 是继续坚持应用完善还是另寻出路 , 的确
是不小的挑战 .
6 结
语
本文分别从颗粒流态 、应力本构关系以及颗粒流动分选三个方面总结了颗粒流研究热点的最新进
展 , 从颗粒流基础研究 、颗粒流动测试新技术以及新旧理论研究三个方面分析了颗粒流研究所面临的挑
战 , 期望为研究者提供一些借鉴 .
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Recent Progress and Challenges in Granular Flow Research
YE Jian , MAO Xu-feng , XIA Jian-xin
(Department of Environment Sciences , Minzu University of China , Beijing 100081 , China)
Abstract:This paper discussed the characters of different granular flow states and the transition
mechanisms among different states .Then , it analyzed the stress relationships in granular flow and also
gave a summary to the segregation which attracts much interesting in the research of granular flow , and
aims to provide important information in this field .Finally , it illustrated the challenges before the
research of granular flow , expects to provide help to following research work .
Key words:granular flow ;stress ;segregation
[ 责任编辑 :
白
玲]
(上接第 17 页)
Selection of Salt-tolerant Mutant and Research on
Salt-tolerant Transgenic in Plant
GENG Yu-ke , ZHOU Yi-jun , DING ning , ZHOU Li-jing
(College of Life and Environmental Sciences , Minzu University of China , Beijing 100081 , China)
Abstract:The sustainable development of agricultural production is threatened by the increasing
aggravation in soil salinization .Two aspects have been considered to resolve such problem :improvement
of saline soil and salinity plant breeding .The selection of existing salt-tolerant plant species and the
creation of new salt-tolerant varieties by biotechnology are major methods in breeding salt-tolerant plant
species.With the deepened study of the molecular mechanisms of salt-tolerant plants and continuous
improvement of transgenic technology , the cultivation of high efficient salt-tolerant breeds by modern
biotechnical methods has become a popular research interest .In this article , the selection of plant salttolerant mutants , the cloning of salt-tolerance related genes and transgenic studies in recent years was
discussed .
Key words:soil salinization ;selection of salt-tolerant mutant ;salt tolerance-related genes ;transgene
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白
玲]