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第30卷第5期浙江大学学报(理学版)Vol.30No.5
2003年9月JournalofZhejiangUniversity(ScienceEdition)Sep.2003

颗粒物质与颗粒流

鲍德松,张训生
(浙江大学物理系,浙江杭州310027)

摘要:颗粒物质研究是当前物理学研究的热点之一.在我国,对颗粒物质的研究才刚刚起步.本文主要是简单介
绍颗粒物质的基本概念以及颗粒物质研究对工农业生产的意义,同时介绍国内外最近几年在颗粒物质方面的研究
进展,再报道作者在颗粒物质研究方面的一些初步结果.

关键词:颗粒物质;颗粒流
中图分类号:O469文献标识码:A文章编号:1008-9497(2003)05-514-04

BAODe2song,ZHANGXun2sheng(DepartmentofPhysics,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)
Granularmatterandgranularflow.JournalofZhejiangUniversity(ScienceEdition),2003,30(5):514-517
Abstract:Granularmatterexistsubiquitousinourdailylivesandthegranularmaterialsbehavedifferentlyfrom
anyoftheotherstandardandfamiliarformsofmatter:solids,liquidsorgases,andshouldthereforebeconsidered
anadditionalstateofmatterinitsownright.Theyplayanimportantroleinmanyofourindustries,suchasmin2
ing,agriculture,civilengineeringandpharmaceuticalmanufacturing.So,therehasbeenaresurgenceofinterestin
thegranularmatterinrecentyearswithinphysics.But,thestudyofthegranularmatteristouchingnowinour
country.Inthispaper,thestudyinthisfieldinrecentyearsisdescribedandauthors'workisintroduced.

Keywords:granularmatter;granularflow

颗粒态在自然界广泛存在,颗粒尺度在Lm～壁支撑了颗粒的重量.另外,在较早的时候人们就用
104m范围的物质都可称为颗粒物质.所以沙石、浮沙漏来作为计时工具,这是因为在实践中发现颗粒
冰、矿石、粮食以及药品都是颗粒物质.在日常生活从漏斗口流出时流量基本保持不变,颗粒流出漏斗
中遇到的交通流、人流、散态物料输送、雪崩和泥石口的流量仅与颗粒密度及漏斗开口有关而与颗粒在

流都属于颗粒流.关于颗粒物质的研究可以追溯到漏斗内的高度无关.颗粒流量可表示为:Q=CQb

[1]5ö2
18世纪,当时Coulomb通过对固体间摩擦力的研gD0;其中,C为常数,Qb为颗粒密度,g为重力

究提出了大家熟知的关于固体间摩擦力的有关定加速度,D0为漏斗开口尺寸.对颗粒物质研究较多
律,即固体间摩擦力正比于彼此间的正压力,而且固的还是对沙堆的力学结构的研究.研究发现沙堆在
体间静摩擦系数大于滑动摩擦系数.其实人们在日堆积过程中存在一静止角,而且采用不同方法形成
常生活中早就发现,如果在一个圆筒型容器填充颗的沙堆其力学结构有明显区别.采用点流源(local2
粒物质时,容器底部的压力不随颗粒高度线性增加,izedsource)方法形成的沙堆正中处存在一压力凹
而是当颗粒高度达到一定值时,容器底部压力趋于陷,而用落雨(raining)方法形成的沙堆就没有压力
饱和,这和液体在容器中所表现的性质完全不同,这凹陷[2].这说明沙堆是否存在压力凹陷与沙堆形成
就是著名的粮仓效应.1895年H.Janssen[1]就提出的历史有关.颗粒物质还有一个有趣的现象就是振
了解释粮仓效应的模型:即粮仓底部压力趋于饱和动成堆与对流[1～5],颗粒在容器中作垂直振动时,选
的主要原因是由于颗粒之间的相互作用,垂直方向择适当的加速度和频率,颗粒表面会形成不同的斑
的力被分解到水平方向,由于摩擦力的存在,容器器图[2～5],而且两个尺寸相同而重量不同的颗粒在振

收稿日期:2002212204.
基金项目:国家高技术“八六三”计划惯性约束聚变技术主题资助项目(2002AA84ts06);