顆粒物質力學導論

前言

　　顆粒物質是大量離散的固體顆粒相互作用而組成的復雜體系，其中顆粒粒徑大于1um、間隙液體黏性較低且飽和度小于1。此時顆粒間接觸力占主導地位，而顆粒熱運動和流體作用微弱。自然界中，堆石體、泥石流和土體等都是典型的顆粒物質體系?！　〗?0年以來，人們逐漸關注顆粒物質的精細力學行為，開展了大量實驗觀測和數值模擬，但顆粒體系的很多靜力學和動力學行為尚不能用一般的固體力學理論、流體力學理論和凝聚態(tài)物理很好地解釋，Science于2005年把顆粒物質與湍流并列為100個科學難題之一。目前，眾多杰出科學家加入到顆粒物質的研究中，對顆粒物質體系平衡和運動規(guī)律及其應用的研究逐漸成為一門科學——顆粒物質力學?！　☆w粒物質力學的研究注重機理分析和精細實驗檢測，20年來已經在耗散顆粒氣體、顆粒離散元、混合和分級、濕顆粒力學、振動和剪切動力機制等方面取得了突破，僅Nature一刊自2000年1月到2008年8月發(fā)表了165篇顆粒物質力學的論文。我國顆粒物質力學的研究起步較晚（系統(tǒng)而全面的研究工作應該是從1999年開始的），針對顆粒物質的若干關鍵科學問題開展了深入而細致的研究，取得了一系列優(yōu)秀的研究成果，涉及顆粒間非牛頓流體的液固耦合、稀疏流-密集流轉變機制、二元混合顆粒體系的顆粒時鐘現象、摩擦阻力的精細檢測、非均勻結構及多尺度力學理論體系等諸多方面，已經在國際上產生了一定的影響。同時，顆粒物質力學行為的研究也極大促進了土力學和泥石流等相關工程學科基礎理論的發(fā)展，比如采用顆粒離散元方法分析了復雜土體本構關系，解釋了剪切帶形成機制，開展了粗大顆粒組成的大尺度堆石體的蠕變性能和變形機理研究，進行了泥石流起動-運動-堆積全過程的分析等?？梢哉f，我國顆粒物質力學研究瞄準了關鍵科學問題，并從基礎理論到工程應用全面展開，與國際領先水平的差距逐漸縮短。

內容概要

顆粒物質是大量離散的固體顆粒相互作用而組成的復雜體系，具有多物理機制和多尺度結構層次的特點，許多現象不能用一般的力學和凝聚態(tài)物理很好的解釋，是物理和力學的前沿領域。對顆粒物質體系平衡和運動規(guī)律及其應用的研究逐漸成為一門科學——顆粒物質力學。在顆粒體系內部，顆粒相互接觸形成諸多強度迥異的力鏈，力鏈連接成網絡，其復雜的動力學響應決定顆粒體系宏觀力學性能。本書以力鏈為主線，介紹了顆粒接觸理論及簡化模型、力鏈結構及實驗檢測技術和顆粒離散元等，初步構建了以力鏈為核心的多尺度研究框架。    本書可供物理、力學、水利、土建和化工等領域從事顆粒物質體系和顆粒流體系統(tǒng)等研究的科研人員以及高等院校相關專業(yè)的研究生和高年級本科生參考。

書籍目錄

前言第1章  顆粒物質  1.1  簡介  1.2  靜力學現象    1.2.1  庫侖摩擦定律    1.2.2  糧倉效應    1.2.3  有效應力原理  1.3  動力學現象    1.3.1  顆粒流    1.3.2  振動對流現象    1.3.3  擠壓膨脹  1.4  顆粒物質力學  1.5  研究方法  參考文獻第2章  球形顆粒接觸力學  2.1  無黏連球形顆粒接觸力    2.1.1  法向力（Hertz理論）    2.1.2  切向力（Mindlin—Deresiewicz理論）  2.2  黏連球形顆粒接觸力    2.2.1  Bradley理論和DMT理論    2.2.2  JKR理論    2.2.3  Maugis—Dugdale理論    2.2.4  Thornton理論  參考文獻第3章  軟球模型和硬球模型  3.1  軟球模型    3.1.1  接觸力計算    3.1.2  彈性系數的確定    3.1.3  阻尼系數的確定  3.2  硬球模型    3.2.1  一維碰撞    3.2.2  三維碰撞    3.2.3  法向恢復系數    3.2.4  切向恢復系數  3.3  模型對比  參考文獻第4章  濕顆粒液橋力  4.1  顆粒間隙液體分布  4.2  靜態(tài)液橋力    4.2.1  極限液橋距離    4.2.2  濕顆粒群中靜態(tài)液橋力  4.3  動態(tài)液橋力    4.3.1  牛頓流體法向擠壓力    4.3.2  冪律流體法向擠壓力    4.3.3  牛頓流體切向阻力    4.3.4  冪律流體切向阻力  4.4  液橋力與干顆粒接觸力  參考文獻第5章  顆粒離散元方法  5.1  顆粒接觸的搜索  5.2  基于硬球模型的離散元方法  5.3  基于軟球模型的離散元方法    5.3.1  動態(tài)松弛法    5.3.2  瑞利阻尼    5.3.3  差分方法    5.3.4  靜力問題的實現    5.3.5  動力問題的實現    5.3.6  時間步長的確定  5.4  需要說明的問題  參考文獻第6章  力鏈  6.1  力鏈的形成  6.2  接觸力的檢測    6.2.1  光彈性應力分析法    6.2.2  壓痕法    6.2.3  電子天平稱重法    6.2.4  離散元方法  6.3  基于力鏈的顆粒體系接觸應力  6.4  基于力鏈的顆粒體系摩擦系數  6.5  基于力鏈的顆粒體系恢復系數  6.6  力鏈的實驗檢測  6.7  顆粒體系中的多尺度結構  6.8  顆粒體系中的特征時間  6.9  以力鏈為核心的多尺度力學  參考文獻第7章  顆粒流  7.1  簡介  7.2  體積恒定的顆粒流  7.3  應力恒定的顆粒流  7.4  密集顆粒流模型  7.5  泥石流  7.6  需要說明的幾個問題  參考文獻第8章  沙粒躍移運動的模擬  8.1  簡介  8.2  沙粒的基本運動形式  8.2.1  躍移運動  8.2.2  蠕移運動  8.2.3  懸移運動  8.3  沙床生成  8.4  沙粒起跳  8.5  沙粒起跳速度分布  參考文獻第9章  風成沙紋的模擬  9.1  機理研究  9.2  隨機模擬  9.3  流體力學模型  9.4  顆粒離散元模擬  9.5  沙漠上的風速分布    9.5.1  顆粒沒有運動時的風速分布    9.5.2  顆粒運動時的風速分布  9.6  沙粒的起動規(guī)律    9.6.1  粗顆粒的起動    9.6.2  細顆粒的起動  9.7  沙紋形態(tài)分析    9.7.1  沙紋的基本形態(tài)    9.7.2  沙紋的成因  9.8  沙紋形態(tài)的隨機模擬    9.8.1  參數的確定    9.8.2  蠕移過程的模擬    9.8.3  沙紋達到穩(wěn)定形態(tài)的分析    9.8.4  沙紋的演進過程    9.8.5  風速和粒徑的影響  參考文獻第10章  堆石體中的接觸力分布  10.1  簡介  10.2  堆石料的靜動力學特性  10.3  堆石料級配  10.4  堆石壩模型  10.5  堆石體中的力鏈網絡  10.6  堆石體中的力分布  10.7  堆石體中的力傳播  參考文獻附錄A  顆粒接觸運動分析附錄B  顆粒接觸能量耗散分析  參考文獻附錄C常用符號表

章節(jié)摘錄

　　第1章　顆粒物質　　1.1　簡介　　顆粒物質是指大量固體顆粒間相互作用組成的復雜體系，該體系中顆粒粒徑大于1μm，如果顆粒問有填隙液體，則液體黏性較低且飽和度小于1。顆粒以強耗散的接觸摩擦為主，其熱運動和流體作用忽略不計。顆粒物質廣泛存在于自然界，與人類日常生活生產密切相關，比如自然界中沙石、土壤、浮冰、積雪等，日常生活中的糧食、糖、鹽等，工業(yè)生產中的煤炭礦石、藥品、化工產品等，可以說顆粒物質是地球上存在最多、最與人們密不可分的物質類型之一。　　人們對顆粒物質生產、儲存和輸送等的研究已經有悠久的歷史，但是處理和控制顆粒物質的技術遠沒有像處理流體那樣得到系統(tǒng)發(fā)展，一些關鍵技術尚不成熟，工業(yè)生產中約10％的能源因此而被浪費；與此同時，泥石流、山體滑坡和雪崩等自然災害日益威脅著人民生命和財產安全，見圖1—1所示的巨型滑坡。顯然，加強顆粒物質的研究有利于提高顆粒物質的加工技術、節(jié)約能源、促進經濟發(fā)展，增進對自然災害的形成、演進和致災機理的認知能力和預報調控水平，具有重要的應用價值。　　顆粒物質的研究可以追溯到1773年，法國物理學家?guī)靵?Coulomb，1736～1806)研究土力學時提出了固體摩擦定律，到現在已經有200多年的歷史，但是顆粒物質的研究一直散見于工程應用領域，比如散體力學和土力學，它們主要研究顆粒物質構成的地基承載能力、自重和外力作用下邊坡的穩(wěn)定性、對料倉壁的作用、土壤對擋土墻的作用、碎礦石的運動規(guī)律以及貯料塔放出物料時的受力狀況和物料的運動規(guī)律、土應力分析、非飽和土中孔隙水的影響等一系列工程問題，普遍采用流體力學、彈塑性理論進行顆粒體系宏觀力學行為的分析?！　〉?，顆粒物質體系很多基礎力學問題并沒有解決，現有散體力學和土力學的理論框架建立體積微元應力一應變本構關系基礎上，無法細致考慮顆粒幾何形狀、物理特性、顆粒級配，以及填隙液體與顆粒耦合等細節(jié)，因此從工程應用角度出發(fā)，不得不引入一些唯象參數對簡化的本構關系進行修正，雖然易于數值計算，但不利于解釋內在物理機制。

編輯推薦

　　《顆粒物質力學導論》以顆粒接觸力鏈為主線，先后介紹了顆粒接觸力學理論及其簡化模型、力鏈結構及實驗檢測技術、顆粒離散元方法、顆粒流以及幾個算例等，初步構建了以力鏈為核心的顆粒物質多尺度力學研究框架，提出了力鏈網絡的復雜動力學響應決定顆粒體系宏觀力學性能的假設，介紹了尺度結構劃分和跨尺度作用關聯(lián)等關鍵問題。《顆粒物質力學導論》可供物理、力學、水利、土建和化工等領域從事顆粒物質體系和顆粒流體系統(tǒng)等研究的科研人員以及高等院校相關專業(yè)的研究生和高年級本科生參考。

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