竖直管中颗粒流的密度波
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来 监测 颗 粒 流 密 度 的变 化 。然后 ，通 过 Ａ Ｄ数
模转 换器 转换 成数 字信 号 ，再用 ＦＴ（ 速傅 里 Ｆ 快 ｒ
叶转换器 ） 做出功率谱 ，观测颗粒流密度随不 同 的填充 比率 Ｐ的变 化情 况 。
图 １ 以 流 体 为 介 质 的 实 验 装 置
ｐ 一
一
ＶＴ ｇＳ
＝
图３ ＝ ０ｍ处的各不同 Ｐ ｘ ４ｃ 值得功率谱
０ ８ ±０ ０ 。此 处 Ｏ的值 ０ ８ ．Ｉ ．１ ｔ ． Ｉ比以前所 做 的沙子 在空 气 中 的实 验 （ｔ ． ） Ｏ：Ｉ５ 低 ，Ａ ｉ Ｎ ｋ ｈ ｒ ｋ ａ ａａａ等人 ｏ
化 ，但 并没 有形 成 密度 波 。其 功 率谱 如 图
３所 示 ，结果 显 示 ，颗 粒 流 密度 的波 动 在 低 填 充 比 率 区 ： 如 Ｐ ＝００ 、 ００ 和 ．５ ．９ ０ １ ，功率谱 并未 出 现 明 显 的趋 势 ，呈 白 ．１ 噪声状 。这 说 明 ：在 这 一 区域 ，金属 颗 粒 自由且 规则 的下 落 ，只 有 少数 组 群 可 观察 到密 度 波 动 。 另 一 方 面 ，在 高 填 充 比率 区 ：如 Ｐ＝ ． １ ．０和 ０ ３ ，功 率谱 强 ０２ 、０３ ．６ 度 随 着 填 充 比 率 的 增 大 而 减 小 。在 Ｐ～ ０１ ．８的过渡 区域 ，在 ｆ＝０ ５～５ Ｈ ． ０ Ｚ的 区 域 内 ，功率 谱 服从ｐ ～ 规则 ，其 中 Ｏ ∽ 厂 ｔ
图２ 高速摄相机拍到速度比率为 Ｐ＝０ ０ 、０ １ 、０２ 时的颗粒流照片 ． ５ ．８ ． １
此处 ， 为颗粒总体积 ，为颗粒下落 肘
的平 均速度 ， 为 所 有 颗 粒下 落 所 用 的总 时 间 ，ｓ为 总截 面 积 可 见 Ｐ是 一 个 无 量 纲 的速度 比率 ，可通 过 调 整填 充 颗 粒 的速 度来控 制此 比率 。如 图 ２所 示 ，当填 充 比 率较小 时 （ ０ ０ ） Ｐ＝ ．５ ，颗 粒 几 乎 是 自由下 落的 ；当填 充 比率 较 大 时 （ Ｐ＝０２ ） ． １ ，颗 粒产生 明显 的密 度 波并 缓 慢 的下 落 ；而过 渡区域 （ ０ １ ） 粒 只 有 明显 的 密度 变 Ｐ＝ ．８ 颗
Ｊｌ Ｏ ７ ｌ ．２ ｏ １
文章 编 号
１０ ５ ６ （０ ７ ０ ０ ６ ０ ００— ２ ９ ２ ０ ）４— ３ ２— ５
竖 直 管 中颗 粒 流 的密度 波
陈 希 ，胡 林 ， 白光富，汤 燕
（ 贵州省光电子技术与应用重点实验室 ，贵州大学理学 院物理系 ，贵州 贵 阳 ５０ ２ ） ５０ ５
维普资讯
第 ４期
陈希 等 ：竖直管 中颗粒 流的密度波
－６ ３ ３－
鬟ａ ｌ １
≥ ｃ Ｊ㈤ ． （ ）
一 ～
＿ 磊 《 …
－ 毒 一 ｛
重 Ｉ ｜宣 ＿ 基 ＿ ＿ … 三 。 Ｉ 一
条件 ，并 给 出一 些 建议 。
２ 管流实验
２ １ 以液体 为 介质 的竖直 管 中的颗 粒流 密度波 ． １９ ９７年 ，Ａ ｉ Ｎ ｋｈｒ ｋ ａａａａ等人 对 竖直 管 中 ｏ ２ 颗粒 流 的密度 波进 行 了研 究 ，装置 如 图 １所示 ，
这个实验 以液体代 替空气作 为颗粒 间的介质 。 在这套装置中，选择 水和矽树脂作 为介 质，内
收稿 日期 ： ０ ７—０ ２０ ４—１ ６
基金项 目： 国家 自然科 学 基 金 资 助项 目 （ ０７ ０７ ；贵 州 省 省 长 基 金项 目 （ ０６ １８ ；贵 州 省 委 组 织 部 高 层次 人 才 特 助项 目 １６ ５ ３ ） ２ ０ １２ ）
（ ０ ７ ２２） ２００１ 作者简介 ： 陈 希 ，贵州大学理论物理硕 士研究生 ，研究方向 ：等离子 体物理 。
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第２ ４卷 第 ４期 ２０ ０ ７年 ７月
贵州大学学报 （ 自然科学版 ） Ｊｕ ａ ｏ Ｇ ｉ ｏ ｎｖｒ ｔ Ｎ ｔｒ ｃｅｃｓ ｏｒｌ ｆ ｕ ｈｕＵ ｉ ｓｙ（ ａ ａ Ｓｉ ｅ） ｎ ｚ ｅｉ ｕｌ ｎ
Ｖ １ ４ Ｎ ．４ ｏ ．２ ｏ
摘 要 ：介 绍 了竖直 管 中颗粒 流 密度波 方 面的研 究 ，对 几 个 实验 结果作 了分 析和讨 论 ，并给 出 ．
一
些建议 。
关键 词 ：颗粒 物 质 ；竖直 管 ；颗 粒流 的密度 波 中图分 类号 ：０ ４ ３５ 文献标 识码 ：Ａ
１ 引言
颗粒物质在 自然中广泛存在 ，并在社会生产和生活中普遍应用 。人们从实验¨ 和理论 方面对它 进行了广泛的研究 。颗粒物质不 同于气体、液体 、固体 ，它 内部存 在着奇特 的现象 ，如：对 流－ 、振 ｌ Ｊ 动分离 Ｈ 、以及密 度波 ¨ 等 。颗粒 流在 食 品工 业 、交 通 、制 药业 、农 业 等部 门 中 的应用 很 多 ，如 谷物 ］
在传送 过程 中容 易发 生谷 物颗 粒在 竖 直管 中的密 度 波 动 以及 阻 塞 的现 象 Ｊ ，这种 现 象 会 造 成输 运 能量 的浪 费 ，甚 至有 可 能发生事 故 。密度 波 的形 成条 件 和物理 机制 是物理研 究 者关 心 的热点 ，所 以有 必要 利
用颗粒物质体系研究颗粒流动行为。本文从实验研究角度 ，分别讨论三个实验中管流的密度波以及形成
径 为 ９０ ．ｍｍ 的竖 直 玻 璃 管 与底 部 的长 颈 瓶 相 连 ，是一 个封 闭 的系统 ，因此 当直 径 为 １７ ｍ ．０ ｍ
的金属颗 粒 以 ０ ６ ｍ ｓ的初 速 度力增 大 ，液体只能
从漏 斗 口排 出 。 以波 长 为 ７０ ｍ 的激 光束 照 射 ８ｎ 竖 直管 中 的 颗 粒 ，通 过 测 量 透 射 激 光 的 光 强 ，
模转 换器 转换 成数 字信 号 ，再用 ＦＴ（ 速傅 里 Ｆ 快 ｒ
叶转换器 ） 做出功率谱 ，观测颗粒流密度随不 同 的填充 比率 Ｐ的变 化情 况 。
图 １ 以 流 体 为 介 质 的 实 验 装 置
ｐ 一
一
ＶＴ ｇＳ
＝
图３ ＝ ０ｍ处的各不同 Ｐ ｘ ４ｃ 值得功率谱
０ ８ ±０ ０ 。此 处 Ｏ的值 ０ ８ ．Ｉ ．１ ｔ ． Ｉ比以前所 做 的沙子 在空 气 中 的实 验 （ｔ ． ） Ｏ：Ｉ５ 低 ，Ａ ｉ Ｎ ｋ ｈ ｒ ｋ ａ ａａａ等人 ｏ
化 ，但 并没 有形 成 密度 波 。其 功 率谱 如 图
３所 示 ，结果 显 示 ，颗 粒 流 密度 的波 动 在 低 填 充 比 率 区 ： 如 Ｐ ＝００ 、 ００ 和 ．５ ．９ ０ １ ，功率谱 并未 出 现 明 显 的趋 势 ，呈 白 ．１ 噪声状 。这 说 明 ：在 这 一 区域 ，金属 颗 粒 自由且 规则 的下 落 ，只 有 少数 组 群 可 观察 到密 度 波 动 。 另 一 方 面 ，在 高 填 充 比率 区 ：如 Ｐ＝ ． １ ．０和 ０ ３ ，功 率谱 强 ０２ 、０３ ．６ 度 随 着 填 充 比 率 的 增 大 而 减 小 。在 Ｐ～ ０１ ．８的过渡 区域 ，在 ｆ＝０ ５～５ Ｈ ． ０ Ｚ的 区 域 内 ，功率 谱 服从ｐ ～ 规则 ，其 中 Ｏ ∽ 厂 ｔ
图２ 高速摄相机拍到速度比率为 Ｐ＝０ ０ 、０ １ 、０２ 时的颗粒流照片 ． ５ ．８ ． １
此处 ， 为颗粒总体积 ，为颗粒下落 肘
的平 均速度 ， 为 所 有 颗 粒下 落 所 用 的总 时 间 ，ｓ为 总截 面 积 可 见 Ｐ是 一 个 无 量 纲 的速度 比率 ，可通 过 调 整填 充 颗 粒 的速 度来控 制此 比率 。如 图 ２所 示 ，当填 充 比 率较小 时 （ ０ ０ ） Ｐ＝ ．５ ，颗 粒 几 乎 是 自由下 落的 ；当填 充 比率 较 大 时 （ Ｐ＝０２ ） ． １ ，颗 粒产生 明显 的密 度 波并 缓 慢 的下 落 ；而过 渡区域 （ ０ １ ） 粒 只 有 明显 的 密度 变 Ｐ＝ ．８ 颗
Ｊｌ Ｏ ７ ｌ ．２ ｏ １
文章 编 号
１０ ５ ６ （０ ７ ０ ０ ６ ０ ００— ２ ９ ２ ０ ）４— ３ ２— ５
竖 直 管 中颗 粒 流 的密度 波
陈 希 ，胡 林 ， 白光富，汤 燕
（ 贵州省光电子技术与应用重点实验室 ，贵州大学理学 院物理系 ，贵州 贵 阳 ５０ ２ ） ５０ ５
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第 ４期
陈希 等 ：竖直管 中颗粒 流的密度波
－６ ３ ３－
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条件 ，并 给 出一 些 建议 。
２ 管流实验
２ １ 以液体 为 介质 的竖直 管 中的颗 粒流 密度波 ． １９ ９７年 ，Ａ ｉ Ｎ ｋｈｒ ｋ ａａａａ等人 对 竖直 管 中 ｏ ２ 颗粒 流 的密度 波进 行 了研 究 ，装置 如 图 １所示 ，
这个实验 以液体代 替空气作 为颗粒 间的介质 。 在这套装置中，选择 水和矽树脂作 为介 质，内
收稿 日期 ： ０ ７—０ ２０ ４—１ ６
基金项 目： 国家 自然科 学 基 金 资 助项 目 （ ０７ ０７ ；贵 州 省 省 长 基 金项 目 （ ０６ １８ ；贵 州 省 委 组 织 部 高 层次 人 才 特 助项 目 １６ ５ ３ ） ２ ０ １２ ）
（ ０ ７ ２２） ２００１ 作者简介 ： 陈 希 ，贵州大学理论物理硕 士研究生 ，研究方向 ：等离子 体物理 。
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第２ ４卷 第 ４期 ２０ ０ ７年 ７月
贵州大学学报 （ 自然科学版 ） Ｊｕ ａ ｏ Ｇ ｉ ｏ ｎｖｒ ｔ Ｎ ｔｒ ｃｅｃｓ ｏｒｌ ｆ ｕ ｈｕＵ ｉ ｓｙ（ ａ ａ Ｓｉ ｅ） ｎ ｚ ｅｉ ｕｌ ｎ
Ｖ １ ４ Ｎ ．４ ｏ ．２ ｏ
摘 要 ：介 绍 了竖直 管 中颗粒 流 密度波 方 面的研 究 ，对 几 个 实验 结果作 了分 析和讨 论 ，并给 出 ．
一
些建议 。
关键 词 ：颗粒 物 质 ；竖直 管 ；颗 粒流 的密度 波 中图分 类号 ：０ ４ ３５ 文献标 识码 ：Ａ
１ 引言
颗粒物质在 自然中广泛存在 ，并在社会生产和生活中普遍应用 。人们从实验¨ 和理论 方面对它 进行了广泛的研究 。颗粒物质不 同于气体、液体 、固体 ，它 内部存 在着奇特 的现象 ，如：对 流－ 、振 ｌ Ｊ 动分离 Ｈ 、以及密 度波 ¨ 等 。颗粒 流在 食 品工 业 、交 通 、制 药业 、农 业 等部 门 中 的应用 很 多 ，如 谷物 ］
在传送 过程 中容 易发 生谷 物颗 粒在 竖 直管 中的密 度 波 动 以及 阻 塞 的现 象 Ｊ ，这种 现 象 会 造 成输 运 能量 的浪 费 ，甚 至有 可 能发生事 故 。密度 波 的形 成条 件 和物理 机制 是物理研 究 者关 心 的热点 ，所 以有 必要 利
用颗粒物质体系研究颗粒流动行为。本文从实验研究角度 ，分别讨论三个实验中管流的密度波以及形成
径 为 ９０ ．ｍｍ 的竖 直 玻 璃 管 与底 部 的长 颈 瓶 相 连 ，是一 个封 闭 的系统 ，因此 当直 径 为 １７ ｍ ．０ ｍ
的金属颗 粒 以 ０ ６ ｍ ｓ的初 速 度力增 大 ，液体只能
从漏 斗 口排 出 。 以波 长 为 ７０ ｍ 的激 光束 照 射 ８ｎ 竖 直管 中 的 颗 粒 ，通 过 测 量 透 射 激 光 的 光 强 ，