文 献 综 述
摘要：二维颗粒流实验研究发现，当两个颗粒流合并成一个通道时产生了相变和流速变化。本项课题主要目的是通过计算机模拟研究Y型通道时一元粒子通过通道会产生的变化，以及加深对二维颗粒流从稀疏态转变为密集态的理解。
关键词： 颗粒物质 颗粒流 稀疏态 密集态 滞后
1 研究背景
颗粒物质在自然界、日常生活及生产和技术中普遍存在。例如：自然界中沙石、土壤、浮冰、积雪等；日常生活中的粮食、糖、盐等；生产和技术中的煤炭、矿石、建材以及不少药品、化工品也为颗粒物质。很多其他离散态物质体系，例如散装货物输送、地球板块运动及公路上车辆的流动等也常作为颗粒体系来处理。可以说，颗粒物质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类型之一。大量颗粒组成的离散态物质体系具有特别的性质和运动规律。颗粒物质表现出许多不同于固、液、气物质的奇特现象和独特的运动规律。由于对颗粒物质运动规律的理解具有重要科学意义和应用背景，近十年来颗粒物质研究逐步成为物理学研究中的一个活跃领域[1]。
目前对颗粒物质的运动规律及其物理本质的认识还很不深入，即使对静态颗粒物质，也不能给出表述其状态的合适方程。因此，我们还只能对颗粒物质的基本特征给予一般性描述。颗粒物质中的相互作用不同于原子或分子之间的作用，颗粒之间作用主要是摩擦力以及碰撞，对其组成的单个颗粒本身的物理性质不敏感。若用硬球来表示颗粒，任意堆积的颗粒结构呈无序状态。由于我们讨论的颗粒尺度d较大，其势能mgd比kT大l012倍以上，因而温度所引起的作用在颗粒体系描述中可忽略不计。颗粒体系为能量耗散体系，外界作用或颗粒运动能量会通过与其他颗粒的摩擦和碰撞而耗散。外加转动与振动会使容器中不同大小的颗粒分离开来，而不是像一般热力学系统那样，加速系统趋于混合均匀的平衡状态。颗粒粒子相当于处在kT=0的状态，没有外力作用时，系统的结构形态不会按热平衡规律而改变。因此，颗粒物质的行为一般不能用通常解释固体和流体的理论给予解答[2]。
Y型管道内颗粒流动和交通流在其体系和性质大致相同。在交通流量系统中，在高速公路上观察到三个不同的动态相位：自由交通流动，交通堵塞（这是非常高密度的局部区域，其中车辆根本不能移动或每个车辆短暂停止），以及同步的交通流（其中车辆处于堵塞但没有显著停止）。最近的实验调查表明，在大多数情况下，同步交通被观察到在瓶颈附近局部化，因此瓶颈对于同步交通的形成是重要的。
2 国内外研究情况
对于通道里的颗粒流来说，按照其不同的形态通常可以分为三种状态，即稀疏流、密集流和堵塞状态。稀疏流是指颗粒密度较低时的颗粒流，颗粒之间几乎没有相互作用的流动，流量可以很大。大量的实验和理论表明，颗粒温度对稀疏流的状态起决定性的作用。密集流是指颗粒密度较高时的颗粒流。密集流状态下，颗粒流量恒定不变的特性是众所周知的。在古代，人们就利用颗粒的这一性质制成了作为计时工具的沙漏。近代，Beverloo等人对密集流状态下的出口尺寸与流量的关系进行了系统的实验研究，并给出了经验公式[3]。而堵塞状态是流动完全停止的状态。[4]三个形态之间的转变引起了人们广泛的兴趣。例如，其他有人研究了漏斗中颗粒流动的堵塞现象，发现转变取决于d / d0，其中d是出口宽度，d0是颗粒直径[5]。Thomas和Durian研究了堵塞相图作为孔径尺寸和倾斜角的函数[6]。陈教授研究了具有电场的管道中的稀疏和密集颗粒流[7]。密集流状态下，流速仅取决于出口尺寸d和粒径d0．。Beverloo等人则通过尺寸分析发现了实验关系F sim; (d minus; kd0)alpha;。Janda等人研究了通过孔径的颗粒流动的速度和密度剖面图，并用各种具有明显物理意义术语得出了流动的显著表达[8,9]。厚美瑛等人发现稀疏流到密集流转换的临界流速是函数而不是d/ d0，其中D是通道宽度[10]。在粒状流中已经揭示了许多非线性现象。
关于颗粒物质的密集流，例如从料斗卸料和沙漏计时问题，也不少研究工作，然而其机制还未深入认识[11-13]。密集流到堵塞的研究也已有报道。密集流到堵塞转变的一个特性是只与出口和颗粒尺度的相对比例有关。对于二维体系，当出口尺寸减小到约为颗粒直径的4倍时，则流动可能停止，发生堵塞的几率急剧增加[5]而关于颗粒物质从稀疏流到密集流转变，则尚未很好研究。我们用二维颗粒流的实验研究了颗粒从稀疏流到密集流转变。当固定初始稀疏颗粒流量，逐渐减小出口尺寸，减小到一临界值时，或固定出口的尺寸，颗粒流量增大到一临界值时，都会发生流量的突然减小，从稀疏流转变为密集流，找到了发生转变时的流量与出口尺寸、颗粒尺寸及通道宽度之间的普适标度关系[10]。如图1所示[11]，发现当初始入口颗粒流量固定，槽出口的尺寸减小到某一临界值时，或当槽出口的尺寸固定，入口颗粒流量增大到某一临界值时，都会发生出口流量的突然减小，即颗粒流从稳定的稀疏流转变为稳定的密集流，而且颗粒流从稀疏态到密集态的转变不仅与通道的出口尺寸相关，还与通道自身的几何尺寸相关。
