二元颗粒气体非线性动力学及分叉行为

The spatiotemporal pattern formed in granular gas is due to its intrinsic energy dissipation of the system. Understanding and studying the nonlinear dynamics and bifurcation behavior which causes the spatiotemporal pattern formation is important to thermodynamics and nonlinear physics in nonequilibrium systems. In this proposal we will study, based on our previous research work, on the nonlinear dynamics and bifurcation behavior in the bi-dispersed granular gas system in two-compartment cells, establish modified flux model,and explore higher order dynamic bifurcation phenomena. Research work includes (1) establish experimental observation on compartmentalized bi-disperse granular gas under different shaking strengths to compare with results of previous molecular dynamics simulations; (2) in order to provide experimental evidences, propose a new method to measure by simulation and/or experiment the flux functions for mono-disperse and bi-disperse granualr systems. Based on this experimental flux functions, an improved flux model will be proposed;(3) to extend to the bifurcation behavior near dynamical transition points of higher order systems with tri-disperse granular gases and/or multi-compertment cells.The study can provide important experimental evidences and quantitative modeling for spatiotemporal ordering and nonlinear behavior of non-equilibrium systems.

颗粒气体的时空有序性由其远离平衡态的耗散结构所致，理解和研究造成颗粒气体时空有序性的非线性动力学及分岔行为对于非平衡态热力学和非线性物理的研究都有重要的意义。本项目将在原有研究的基础上着重对双仓中二元颗粒气体体系的非线性动力学及分岔行为进行研究,建立模型，探索多元多仓体系中更加复杂与丰富的动力学分岔行为。研究内容包括（1）对于双仓体系中不同质量的二元颗粒气体体系，实验研究不同系统参数下颗粒气体的动力学行为，与之前的实验及分子动力学模拟结果进行对比；（2）为理论解释提供实验依据，利用实验和分子动力学模拟手段得到单仓二元颗粒的流通量数据，在此基础上提出更加精确的流通量模型；（3）研究不同动力学行为转变的分岔行为，利用实验测量转变点处的临界行为与流通量模型进行对比，并在多元颗粒、多仓体系中寻找新的动力学分岔行为。项目将为远离平衡态的时空有序现象及非线性动力学的研究提供重要的实验依据和定量模型。

本项目针对具有耗散特性的颗粒气体的时空有序性，理解和研究造成颗粒气体时空有序性的非线性动力学及分岔行为。主要完成的研究内容包括（1）在微重力环境下，实验研究了不同系统参数下双仓体系中颗粒气体的麦克斯韦妖现象，与有重力时的实验结果及分子动力学模拟结果进行了对比；（2）在双仓单分散颗粒中，当颗粒处于密度反转的强激振情况下，发现了一种新型双仓颗粒的“颗粒时钟”振荡现象,发表在2016年的Phys.Rev.E Rapid Communication；（3）对于颗粒气体耗散特性，在落塔微重力实验进行了颗粒气体运动行为中最为基本的自由冷却规律研究，并研究了冷却速率的影响因素；（4）利用落塔微重力平台，进行了颗粒气体团簇相图实验研究； （5）由于实验中我们一般使用振动驱动的方式激发颗粒的运动，波在颗粒介质中的传播特性十分重要，我们实验研究了波在颗粒体系中的一些传播特性。项目仍有大量卫星与落塔获得的微重力下获得的颗粒气体团簇、冷却数据有待即将完成分析，将为远离平衡态的时空有序现象及非线性动力学的研究提供重要的实验依据和定量模型。