颗粒流本构关系的实验研究

　　散体颗粒物质在自然界广泛存在,属于软凝聚态物理的研究范畴.颗粒流指的就是颗粒物料在外力和内部应力作用下发生的类似于流体的运动状态[1].这里所讨论的颗粒物质一般指由尺寸d>1Lm的颗粒组成的宏观体系,此时颗粒的热运动即布朗运动完全可以忽略.颗粒物质中的相互作用不同于原子或分子之间的作用,颗粒之间的作用主要是摩擦力以及碰撞,对其组成的单个颗粒本身的物理性质不敏感.一般地讲,颗粒的间隙充满气体或液体物质,因此颗粒流是多相流.实际证明,忽略颗粒之间的流体作用而只考虑颗粒受力作用下的运动情况是合理的,颗粒流通常指这种狭义的颗粒流动.流体的黏性实质上是流体分子微观作用的宏观表现,可以从分子运动论角度来解释.气体具有黏性是由于气体分子间动量传递,液体具有黏性是由于液体分子间引力的作用.相应的,对于散体颗粒来说,颗粒之间的内摩擦和碰撞应力则是其/黏性0的主要原因.对于颗粒物质流动,可以类比流体流动,找出其本构关系,则有可能运用发展相对完善的流体力学计算方法来计算颗粒物质的流动问题(如流速、流量等).因此,对颗粒流动的连续介质模型,研究其本构关系意义重大,是将流体力学的计算方法应用于颗粒流的关键.

　　根据颗粒之间的相对滑动及相互挤压作用,可以将颗粒之间的相互作用分为静态支撑、相对滑动、碰撞以及扩散四种[2-3].多位学者[3-11]对颗粒流的本构关系进行了研究,他们所得到的本构关系中都存在两部分:一部分是速度梯度的函数;另外一部分与速度梯度无关,是颗粒物性、颗粒密度分布和流体压力等的函数.采用/拟流体0方法对颗粒流进行研究,颗粒的数量必须满足一定统计数量,如果颗粒层太薄或颗粒数量太少,此时连续介质假设不成立.一个力作用于颗粒物质上,当力很小时,堆积的颗粒物质并不发生形变,只有当这个力大于一定值,颗粒才开始流动.即可认为在小于休止角B以下的颗粒并不流动,而只有当倾斜角度A大于休止角B时,颗粒流才在A-B的角度下流动.颗粒物质流动现象和现有研究成果表明[3-14],颗粒物质表现出来的特性与牛顿流体有较大差别,颗粒流与牛顿流体的不同,反应在它们在本构关系上的不同.颗粒物质具有一些特有的性质,本文把这些因素都归结到颗粒流本构关系中.

　　斜槽流动是最简单的流动,也最适合研究颗粒的流动规律,根据科技部农业科技成果转化重大基金项目的需要,本文以小麦作为实验颗粒,为小麦在农机设备的进出料、流动以及输运过程中流量的计算提供理论依据.边琳等[15]测量出了小麦在慢速密集流时候的本构关系,本文在此基础上将小麦颗粒流的实用范围进一步推广.