滚筒内颗粒流的颗粒温度散斑能见度光谱测量及模式转变机理研究

The granular flow pattern and its transition in rotating drum, which is closely related to the granualr temperature, is one of the difficluties of mechanics of granular materials. However, the study of its mechanism is blocked by the lack of measurement technique of granualr temperature of dense flow in granular scale. Speckle visibility spectroscopy (SVS) is a new method of studying the micro-dynamics of soft matter, with the advantages of high temporal - spatial resolution, and good penetrating. Using granular flow in the rotating drum, the work of this project is organized as follows: 1) Base on the theory of granualr temperature and the fluctuation of the contrast of the laser speckle, the key parameters of the system are analysed which is related to the speckle contrast in the system. An approach of measurement of granualr temperature is developed by the establish of a quantitative relationship of the system parameters and speckle contrast. 2) The correlation of granualr temperature in meso scale with the particle velocity and angle of repose is analyzed by DEM simulation and experimental measurement. The mechanism of granualr flow pattern transition in macro scale is studied based on the the connection between mesoscopic and macroscopic study is developed, and the law of the changing of the granualr temperature during the transition. 3) The effect of the varianc of the parameters of the drum and the grains on the pattern transition is studied.

颗粒流模式及其转变与颗粒温度密切相关，是当今颗粒介质力学的难题之一。缺乏测量细观尺度下密集流颗粒温度的技术手段，已成为研究颗粒流模式及其转变机理的瓶颈。散斑能见度光谱法是一种研究软物质微观动力学过程的新方法，具有时空分辨率高，穿透性好的优点。本课题采用滚筒内的颗粒流作为研究对象，1).发展基于散斑能见度光谱的颗粒温度测量法：解决光子在颗粒间扩散传播的平均自由程无法标定，以及测量系统结构参数与散斑对比度的量化关系不明确的问题，实现颗粒温度的准确测量；2).通过DEM计算和实验测量，研究细观尺度下的颗粒温度分布与宏观尺度下的颗粒流休止角、速度场分布的时空相关性，建立宏-细观研究桥梁，在此基础上，分析颗粒流模式转变过程中颗粒温度的变化规律，探索颗粒流宏观模式与细观颗粒温度的内在联系，进而揭示颗粒流模式及其转变的机理。3).分析滚筒和颗粒的参数对颗粒流模式转变的影响。

为了解决密集颗粒流中高时空分辨率的运动测量问题，本项目开发了用于颗粒温度测量的激光散斑能见度光谱（SVS）技术和系统，以颗粒温度为关键参数，研究了水平滚筒颗粒系统的行为模式以及行为模式的转变，取得了如下创新成果：.1)在颗粒温度测量方面，系统地研究了SVS理论，并通过实验研究了系统参数，包括相干因子、测量区域大小和图像灰度等对测量结果的影响，系统的空间分辨率可达到0.6微米，时间分辨率达到50微秒。在此基础上，进一步提出了同步SVS测量系统。针对颗粒流中两个空间位置上的运动事件的时间序列分析，通过使用两路经过校准的信号同步测量，完成对时间差异极小的颗粒运动事件的高精度分辨。.2) 对测量系统的验证可以通过与其他经典的测量系统的结果进行对比或与DEM仿真结果进行对比。在连续运动的测量中，对正态分布的颗粒温度选取各点处的颗粒温度平均值作为连续流下该点处的颗粒温度，得出颗粒温度的分布特征。分析对比DEM仿真结果与SVS测量结果后，引入与速度相关的S参数进行修正，可以使得DEM仿真与SVS实验测量结果一致。在颗粒床表面速度的对比分析中，使用了DEM仿真，SFV测速与SVS测量三种方法分别进行对比，得到了一致的结果，在验证实验测量结果的同时，为基于DEM结果进行微动力学分析提供了良好的依据。.3) 在颗粒流模式转变方面，以被动层颗粒温度波形的周期性为关键参数，通过扩展颗粒流模式转变的临界转速模型构建起离散流向连续流转变的过渡状态模型。根据离散流的等效重心模型，取崩塌的持续时间与休止时间相等为离散流向连续流转变的临界条件，得到颗粒流开始脱离稳定的离散流的临界转速。然后，将非稳定流与稳定流组成的崩塌模型考虑进来，改进了等效重心模型，添加了稳定流项，得颗粒流进入稳定的连续流的临界转速。实验结果表明，通过连续流时间占比与颗粒温度周期性两种方法测量得到的过渡状态临界转速均与模型的计算结果一致。