竖直振动颗粒床对流机制的颗粒尺度实验研究

    ０　引言

    振动颗粒系统在颗粒干燥、混合、分离过程的应用中表现出各种不寻常的流动行为［１－６］。Ｅｓｈｕｉｓ［７］等对垂直振动的准二维颗粒系统的相图进行了全面的研究。在垂直振动峰值加速度超过重力的情况下，干燥无粘性的颗粒状物质可被激发形成对流卷［８］。一个典型的循环对流模式包括四个先后衔接的粒子运动：（１）从粒子床表面沿着器壁向下流动；（２）从器壁向颗粒床中心流动；（３）沿着颗粒床中心通道向上流动；（４）堆积在自由表面的颗粒从中心向侧壁流动。完整的对流过程需要四个不同的机制来解释各自的流动。对于始终处于密堆积的粒子床，四个流动过程需要几乎同时发生。这样上一步的粒子运动才能为下一步的粒子运动创造足够的空间。

    很多研究工作都致力于解释颗粒对流的形成机制［９］。一些研究者［１０］认为间隙气体效应导致对流，但是这个机制不能解释发生在真空中颗粒振动实验和无气体的颗粒振动数值仿真中的对流现象。以侧壁摩擦力为基础的机制受到了更多的关注，而且有大量的实验观测支持这一观点［１１］。如Ｋｎｉｇｈｔ［１１］发现将侧壁沿竖直方向向外倾斜，超过一个临界角时粒子对流的方向会发生逆转，即从沿侧壁向下的顺时针转变为沿侧壁向上的逆时针，并且对流环的形状也会发生相应的变化。尽管很多的研究都证明了侧壁摩擦力在颗粒对流中起到的关键作用，但侧壁摩擦力驱动颗粒形成对流的内在机制还缺乏明确的解释。Ｋｌｏｎｇｂｏｏｎｊｉｔ和Ｃａｍｐｂｅｌｌ［１２，１３］提出了分别对应于完整对流环的四个流动阶段的驱动机制。他们强调重力在对流中起了重要作用，同时摩擦力对放缓侧壁附近粒子的向上运动速度起了次要作用。

    值得注意的是，绝大多数颗粒对流机制的相关文献认为颗粒沿侧壁的流动是主导机制，从而将注意力集中在解释侧壁处的颗粒竖直速度为何与粒子床中心处的颗粒速度存在差异上。但实际上，即使粒子床在上升和下降的过程中各处的粒子速度不均匀，但只要所有的粒子都遵循同样的轨迹，粒子床只会经历周期性交替的膨胀和收缩，而不可能发生粒子结构的重排及形成对流环。而只有粒子在水平方向上发生了不可逆的迁移，才有可能打断这种单一的粒子床膨胀收缩交替模式。因此，对流环底部的粒子从侧壁向中心的流动才是整个对流环得以启动和维持的关键。

    另一方面，当振动颗粒床的峰值加速度超过一个临界值后，随着加速度的上升，颗粒床的运动会经历一系列倍周期分岔过程。姜泽辉［５］等人通过对振动台面上完全非弹性球蹦跳行为的分析对粒子床的倍周期运动进行了解释和预测。但与完全非弹性球存在明显差异的是，作为散体材料，沿深度方向颗粒床中的粒子不可能遵循相同的运动轨迹。所以不同位置处的粒子将经历不同频率的运动，不同深度处粒子的非协调运动会构成更为复杂的对流图像。