振动颗粒“毛细”系统中的对流与有序化

振动颗粒物质中的对流与有序化问题长期受到关注，空气、摩擦力等因素的影响已得到认识，但这些因素产生影响的具体机制还不完全清楚。通过构建颗粒的"毛细"系统，可以将对流与有序化这两个对立的现象统一起来- - 颗粒可以通过对流自组装成稳定的有序"壳层"结构。根据壁效应引起的堆积率、气流速度和颗粒所受阻力空间分布上的差异和变化，研究空气在"壳层"结构生成前及生成后的作用，揭示空气引起对流的机制及其对"壳层"结构稳定性的影响。通过控制振动参数及颗粒的尺寸与密度，研究形成"壳层"结构的动力学机制；结合气流的影响，研究颗粒小于临界尺寸后只有对流而无有序结构的原因；从堆积率的变化及能量耗散的角度研究"壳层"结构的稳定性。经由对流形成"壳层"结构是一种新现象，对其生成机理及结构对称性和稳定性的研究，将促进对振动颗粒物质一般行为的理解，而且对球体堆积结构这一经典问题、受限液体的特性和光子晶体的研究均有一定借鉴意义。

研究内容分为四部分：1）竖直振动颗粒“毛细”系统中有序“壳层”结构的形成机制及稳定性问题；2）振动过程中静电对有序化结构的影响及其与颗粒尺寸的关系；3）器壁摩擦力、空气阻力对倍周期分岔过程的影响；4）蹦球问题中空气阻力引入混沌的动力学机制。.1）将球形颗粒倒入圆筒形容器中，壁效应导致颗粒的堆积率以振荡的方式衰减，经过5、6层后转变为随机密堆积。施加竖直振动后，壁效应引起的有序性被强化，演变为一种有序的“晶体”结构--同轴筒形壳层结构，其中每一层上的颗粒都是二维的六角密堆积结构。这种结构是通过对流形成的，颗粒先在底部某个角落形成籽晶，然后逐渐向上生长。生长过程中，下方结晶部分处于无对流状态，而上部未结晶部分处于对流状态，一旦生长完成整个系统中即无对流现象，说明对流与颗粒的堆积率或排列结构有强烈的依赖关系。对于这种壳层结构的形成过程与实验参数的关系给予了总结，并做了定量分析。.2）壳层结构的形成与颗粒尺寸有关，当颗粒直径小于0.7mm时较难形成。导致这一结果的原因是多方面的，静电荷积累是主要因素之一。虽然采用不锈钢珠，但静电引起的效应仍是非常显著的。静电积累与温度湿度有关，提高湿度能够抑制但不能根除，另外，静电的强弱还和颗粒表面污垢有关。实验表明颗粒与器壁之间是电吸附的，颗粒越小越明显。.3）无论处于结晶态还是对流态，颗粒对容器底的冲击力都是倍周期分岔的。通过抽真空或将容器底镂空消除空气阻力，在只有器壁摩擦力的情况下，倍周期分岔过程只受且颗粒尺寸无关。然而，在实底容器中存在空气阻力，分岔过程不仅受约化振动加速度的控制，而且受振动频率的控制。分岔点的数值随颗粒尺寸的减小显著增加。利用完全非弹性蹦球模型将器壁滑动摩擦力和空气阻力区分开，分别给予考虑，对这两种实验结果给出了合理解释。.4）人们一直认为完全非弹性蹦球因其独有的重启机制而不会产生混沌，但我们的研究表明空气黏滞阻力会将这种重启机制破坏掉，从而产生混沌，使得蹦球的动力学过程成变得更为复杂。对此，通过引入一个新的与空气阻力有关的控制参数进行了系统分析。