[论文解读] A Dense, Vibrated Granular Fluid in Gravity: NMR Measurements of Grain Motion in Three Dimensions

Xiaoyu Yang, Chao Huan+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2001

Granular flow and fluidized beds被引用 1

一句话总结

本研究利用核磁共振（NMR）测量在15g加速度下垂直振动的芥末种子密集颗粒流中三维颗粒位移。结果揭示了密集内部区域的颗粒温度分布与流体动力学理论一致，但在自由表面附近出现偏离，这是由于平均自由程更长所致，表明在低密度区域流体动力学描述失效。

ABSTRACT

We have used an NMR technique to measure the short-time, three-dimensional displacement of grains in a system of mustard seeds vibrated vertically at 15g. The technique averages over a time interval in which the grains move ballistically, giving a direct measurement of the granular temperature profile. The dense, lower portion of the sample is well described by a recent hydrodynamic theory for inelastic hard spheres. Near the free upper surface the mean free path is longer than the particle diameter and the hydrodynamic description fails.

研究动机与目标

• 测量在高加速度下振动的密集颗粒系统中三维颗粒位移。
• 利用非侵入式NMR技术确定此类系统中的颗粒温度分布。
• 检验非弹性硬球流体动力学理论在密集颗粒流中的有效性。
• 研究颗粒层自由表面附近偏离流体动力学行为的原因。

提出的方法

• 采用NMR追踪振动系统中芥末种子颗粒的短时三维位移。
• 该技术对弹道运动区间进行平均，从而实现颗粒温度的直接测量。
• 在15g加速度下形成密集的垂直振动颗粒层，以诱导类流体行为。
• 以非弹性硬球的流体动力学理论作为对比的理论框架。
• 计算平均自由程并与颗粒直径比较，以评估流体动力学有效性的条件。
• 数据分析聚焦于颗粒运动的空间变化，以识别流体动力学理论失效的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在密集振动颗粒流中，颗粒温度在三维空间中如何变化？
• RQ2 非弹性硬球的流体动力学理论在该系统密集内部区域对运动的描述程度如何？
• RQ3 为何在颗粒层自由上表面附近流体动力学描述会失效？
• RQ4 平均自由程与颗粒直径之间的关系如何决定流体动力学行为的失效？
• RQ5 NMR对颗粒位移的测量如何影响对颗粒流中连续介质模型有效性的判断？

主要发现

• 颗粒层密集下部区域的颗粒温度分布可被非弹性硬球的流体动力学理论良好描述。
• 在自由上表面附近，平均自由程超过颗粒直径，表明偏离了流体动力学行为。
• 流体动力学描述的失效与低密度区域平均自由程的增加直接相关。
• NMR测量提供了颗粒在弹道区间内的时间平均位移数据，从而可准确确定颗粒温度。
• 随着局部密度在表面附近降低，系统行为从流体动力学向非流体动力学转变。
• 结果验证了NMR在高加速度下探测密集颗粒流中三维颗粒动力学的适用性。