顆粒物質(zhì)力學(xué)導(dǎo)論

前言

　　顆粒物質(zhì)是大量離散的固體顆粒相互作用而組成的復(fù)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(shí)顆粒間接觸力占主導(dǎo)地位，而顆粒熱運(yùn)動(dòng)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(zhì)體系。　　近20年以來，人們逐漸關(guān)注顆粒物質(zhì)的精細(xì)力學(xué)行為，開展了大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)值模擬，但顆粒體系的很多靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為尚不能用一般的固體力學(xué)理論、流體力學(xué)理論和凝聚態(tài)物理很好地解釋，Science于2005年把顆粒物質(zhì)與湍流并列為100個(gè)科學(xué)難題之一。目前，眾多杰出科學(xué)家加入到顆粒物質(zhì)的研究中，對(duì)顆粒物質(zhì)體系平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的研究逐漸成為一門科學(xué)——顆粒物質(zhì)力學(xué)。　　顆粒物質(zhì)力學(xué)的研究注重機(jī)理分析和精細(xì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，20年來已經(jīng)在耗散顆粒氣體、顆粒離散元、混合和分級(jí)、濕顆粒力學(xué)、振動(dòng)和剪切動(dòng)力機(jī)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(zhì)力學(xué)的論文。我國(guó)顆粒物質(zhì)力學(xué)的研究起步較晚（系統(tǒng)而全面的研究工作應(yīng)該是從1999年開始的），針對(duì)顆粒物質(zhì)的若干關(guān)鍵科學(xué)問題開展了深入而細(xì)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(zhuǎn)變機(jī)制、二元混合顆粒體系的顆粒時(shí)鐘現(xiàn)象、摩擦阻力的精細(xì)檢測(cè)、非均勻結(jié)構(gòu)及多尺度力學(xué)理論體系等諸多方面，已經(jīng)在國(guó)際上產(chǎn)生了一定的影響。同時(shí)，顆粒物質(zhì)力學(xué)行為的研究也極大促進(jìn)了土力學(xué)和泥石流等相關(guān)工程學(xué)科基礎(chǔ)理論的發(fā)展，比如采用顆粒離散元方法分析了復(fù)雜土體本構(gòu)關(guān)系，解釋了剪切帶形成機(jī)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(jī)理研究，進(jìn)行了泥石流起動(dòng)-運(yùn)動(dòng)-堆積全過程的分析等。可以說，我國(guó)顆粒物質(zhì)力學(xué)研究瞄準(zhǔn)了關(guān)鍵科學(xué)問題，并從基礎(chǔ)理論到工程應(yīng)用全面展開，與國(guó)際領(lǐng)先水平的差距逐漸縮短。

內(nèi)容概要

顆粒物質(zhì)是大量離散的固體顆粒相互作用而組成的復(fù)雜體系，具有多物理機(jī)制和多尺度結(jié)構(gòu)層次的特點(diǎn)，許多現(xiàn)象不能用一般的力學(xué)和凝聚態(tài)物理很好的解釋，是物理和力學(xué)的前沿領(lǐng)域。對(duì)顆粒物質(zhì)體系平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的研究逐漸成為一門科學(xué)——顆粒物質(zhì)力學(xué)。在顆粒體系內(nèi)部，顆粒相互接觸形成諸多強(qiáng)度迥異的力鏈，力鏈連接成網(wǎng)絡(luò)，其復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)決定顆粒體系宏觀力學(xué)性能。本書以力鏈為主線，介紹了顆粒接觸理論及簡(jiǎn)化模型、力鏈結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)和顆粒離散元等，初步構(gòu)建了以力鏈為核心的多尺度研究框架。    本書可供物理、力學(xué)、水利、土建和化工等領(lǐng)域從事顆粒物質(zhì)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(guān)專業(yè)的研究生和高年級(jí)本科生參考。

書籍目錄

前言第1章  顆粒物質(zhì)  1.1  簡(jiǎn)介  1.2  靜力學(xué)現(xiàn)象    1.2.1  庫侖摩擦定律    1.2.2  糧倉(cāng)效應(yīng)    1.2.3  有效應(yīng)力原理  1.3  動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象    1.3.1  顆粒流    1.3.2  振動(dòng)對(duì)流現(xiàn)象    1.3.3  擠壓膨脹  1.4  顆粒物質(zhì)力學(xué)  1.5  研究方法  參考文獻(xiàn)第2章  球形顆粒接觸力學(xué)  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(xiàn)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(jì)算    3.1.2  彈性系數(shù)的確定    3.1.3  阻尼系數(shù)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(fù)系數(shù)    3.2.4  切向恢復(fù)系數(shù)  3.3  模型對(duì)比  參考文獻(xiàn)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(dòng)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(xiàn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)    5.3.5  動(dòng)力問題的實(shí)現(xiàn)    5.3.6  時(shí)間步長(zhǎng)的確定  5.4  需要說明的問題  參考文獻(xiàn)第6章  力鏈  6.1  力鏈的形成  6.2  接觸力的檢測(cè)    6.2.1  光彈性應(yīng)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(yīng)力  6.4  基于力鏈的顆粒體系摩擦系數(shù)  6.5  基于力鏈的顆粒體系恢復(fù)系數(shù)  6.6  力鏈的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)  6.7  顆粒體系中的多尺度結(jié)構(gòu)  6.8  顆粒體系中的特征時(shí)間  6.9  以力鏈為核心的多尺度力學(xué)  參考文獻(xiàn)第7章  顆粒流  7.1  簡(jiǎn)介  7.2  體積恒定的顆粒流  7.3  應(yīng)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(gè)問題  參考文獻(xiàn)第8章  沙粒躍移運(yùn)動(dòng)的模擬  8.1  簡(jiǎn)介  8.2  沙粒的基本運(yùn)動(dòng)形式  8.2.1  躍移運(yùn)動(dòng)  8.2.2  蠕移運(yùn)動(dòng)  8.2.3  懸移運(yùn)動(dòng)  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(xiàn)第9章  風(fēng)成沙紋的模擬  9.1  機(jī)理研究  9.2  隨機(jī)模擬  9.3  流體力學(xué)模型  9.4  顆粒離散元模擬  9.5  沙漠上的風(fēng)速分布    9.5.1  顆粒沒有運(yùn)動(dòng)時(shí)的風(fēng)速分布    9.5.2  顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)的風(fēng)速分布  9.6  沙粒的起動(dòng)規(guī)律    9.6.1  粗顆粒的起動(dòng)    9.6.2  細(xì)顆粒的起動(dòng)  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(jī)模擬    9.8.1  參數(shù)的確定    9.8.2  蠕移過程的模擬    9.8.3  沙紋達(dá)到穩(wěn)定形態(tài)的分析    9.8.4  沙紋的演進(jìn)過程    9.8.5  風(fēng)速和粒徑的影響  參考文獻(xiàn)第10章  堆石體中的接觸力分布  10.1  簡(jiǎn)介  10.2  堆石料的靜動(dòng)力學(xué)特性  10.3  堆石料級(jí)配  10.4  堆石壩模型  10.5  堆石體中的力鏈網(wǎng)絡(luò)  10.6  堆石體中的力分布  10.7  堆石體中的力傳播  參考文獻(xiàn)附錄A  顆粒接觸運(yùn)動(dòng)分析附錄B  顆粒接觸能量耗散分析  參考文獻(xiàn)附錄C常用符號(hào)表

章節(jié)摘錄

　　第1章　顆粒物質(zhì)　　1.1　簡(jiǎn)介　　顆粒物質(zhì)是指大量固體顆粒間相互作用組成的復(fù)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(qiáng)耗散的接觸摩擦為主，其熱運(yùn)動(dòng)和流體作用忽略不計(jì)。顆粒物質(zhì)廣泛存在于自然界，與人類日常生活生產(chǎn)密切相關(guān)，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(chǎn)中的煤炭礦石、藥品、化工產(chǎn)品等，可以說顆粒物質(zhì)是地球上存在最多、最與人們密不可分的物質(zhì)類型之一?！　∪藗儗?duì)顆粒物質(zhì)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和輸送等的研究已經(jīng)有悠久的歷史，但是處理和控制顆粒物質(zhì)的技術(shù)遠(yuǎn)沒有像處理流體那樣得到系統(tǒng)發(fā)展，一些關(guān)鍵技術(shù)尚不成熟，工業(yè)生產(chǎn)中約10％的能源因此而被浪費(fèi)；與此同時(shí)，泥石流、山體滑坡和雪崩等自然災(zāi)害日益威脅著人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，見圖1—1所示的巨型滑坡。顯然，加強(qiáng)顆粒物質(zhì)的研究有利于提高顆粒物質(zhì)的加工技術(shù)、節(jié)約能源、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增進(jìn)對(duì)自然災(zāi)害的形成、演進(jìn)和致災(zāi)機(jī)理的認(rèn)知能力和預(yù)報(bào)調(diào)控水平，具有重要的應(yīng)用價(jià)值?！　☆w粒物質(zhì)的研究可以追溯到1773年，法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵?Coulomb，1736～1806)研究土力學(xué)時(shí)提出了固體摩擦定律，到現(xiàn)在已經(jīng)有200多年的歷史，但是顆粒物質(zhì)的研究一直散見于工程應(yīng)用領(lǐng)域，比如散體力學(xué)和土力學(xué)，它們主要研究顆粒物質(zhì)構(gòu)成的地基承載能力、自重和外力作用下邊坡的穩(wěn)定性、對(duì)料倉(cāng)壁的作用、土壤對(duì)擋土墻的作用、碎礦石的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及貯料塔放出物料時(shí)的受力狀況和物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、土應(yīng)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(xué)、彈塑性理論進(jìn)行顆粒體系宏觀力學(xué)行為的分析?！　〉?，顆粒物質(zhì)體系很多基礎(chǔ)力學(xué)問題并沒有解決，現(xiàn)有散體力學(xué)和土力學(xué)的理論框架建立體積微元應(yīng)力一應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系基礎(chǔ)上，無法細(xì)致考慮顆粒幾何形狀、物理特性、顆粒級(jí)配，以及填隙液體與顆粒耦合等細(xì)節(jié)，因此從工程應(yīng)用角度出發(fā)，不得不引入一些唯象參數(shù)對(duì)簡(jiǎn)化的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行修正，雖然易于數(shù)值計(jì)算，但不利于解釋內(nèi)在物理機(jī)制。

編輯推薦

　　《顆粒物質(zhì)力學(xué)導(dǎo)論》以顆粒接觸力鏈為主線，先后介紹了顆粒接觸力學(xué)理論及其簡(jiǎn)化模型、力鏈結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)、顆粒離散元方法、顆粒流以及幾個(gè)算例等，初步構(gòu)建了以力鏈為核心的顆粒物質(zhì)多尺度力學(xué)研究框架，提出了力鏈網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)響應(yīng)決定顆粒體系宏觀力學(xué)性能的假設(shè)，介紹了尺度結(jié)構(gòu)劃分和跨尺度作用關(guān)聯(lián)等關(guān)鍵問題。《顆粒物質(zhì)力學(xué)導(dǎo)論》可供物理、力學(xué)、水利、土建和化工等領(lǐng)域從事顆粒物質(zhì)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(guān)專業(yè)的研究生和高年級(jí)本科生參考。

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