上海交大張潔課題組在顆粒流的動(dòng)力學(xué)臨界性研究中取得重要進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)自然科學(xué)研究院/物理與天文學(xué)院張潔課題組在顆粒流的研究中取得重要進(jìn)展。該工作由研究團(tuán)隊(duì)博士生于書(shū)昶與導(dǎo)師張潔共同完成。他們利用散斑可見(jiàn)光譜技術(shù)(Speckle Visibility Spectroscopy, SVS)，首次系統(tǒng)性地測(cè)量了三維顆粒堆流中不同深度的速度波動(dòng)特性，并揭示了堆流表層與底層的動(dòng)力學(xué)差異。研究表明，顆粒堆流表層的速度波動(dòng)呈現(xiàn)自相似的臨界性，與Hwa和Kardar提出的“運(yùn)行”沙堆模型的預(yù)測(cè)一致，而底層的速度波動(dòng)表現(xiàn)出不同的冪律指數(shù)，同樣呈現(xiàn)出動(dòng)力學(xué)臨界性，但其理論機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。
 

　　該研究成果以《Power Spectra of Velocity Fluctuations in Granular Heap Flow》為題，發(fā)表在《Physical Review Letters》上。
 

　　研究背景
 

　　顆粒物質(zhì)豐富的動(dòng)力學(xué)行為常展現(xiàn)冪律分布特征，被認(rèn)為與接觸力波動(dòng)、摩擦動(dòng)力學(xué)及自組織臨界性(SOC)密切相關(guān)。傳統(tǒng) SOC 沙堆模型能夠解釋 1/f噪聲，但依賴逐粒輸入且添加之間完全弛豫的假設(shè)，與實(shí)際堆流情況差異顯著，為此，Hwa 和 Kardar 提出了“運(yùn)行”沙堆模型，預(yù)測(cè)其在持續(xù)驅(qū)動(dòng)下可產(chǎn)生臨界性噪聲，但受限于實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)，其證據(jù)仍然有限。
 

　　研究方法
 

　　研究團(tuán)隊(duì)在Hele-Shaw型雙板裝置中構(gòu)建穩(wěn)定顆粒堆流，通過(guò)連續(xù)恒定的喂料速率維持穩(wěn)定流態(tài)。利用SVS技術(shù)，他們測(cè)量了粒子在不同深度的瞬時(shí)速度波動(dòng)，得到從快速流動(dòng)的表層到蠕動(dòng)層的完整速度波動(dòng)譜。通過(guò)光學(xué)成像與時(shí)間相關(guān)分析，研究人員獲得了顆粒系統(tǒng)內(nèi)部的微觀動(dòng)力學(xué)信息。
 

　　研究結(jié)果
 

　　研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)堆流呈現(xiàn)明顯的雙層結(jié)構(gòu)：表層快速流動(dòng)，深層緩慢蠕動(dòng)。通過(guò) SVS 技術(shù)測(cè)量顆粒堆流不同深度的速度波動(dòng)，其分析顯示，速度波動(dòng)譜均遵循冪律分布，表層冪律指數(shù) α 介于 −1.0 到 −0.8，與 Hwa 和 Kardar 的“運(yùn)行”沙堆模型預(yù)測(cè)的動(dòng)力學(xué)自組織臨界性一致。底層蠕動(dòng)區(qū)域的冪律指數(shù)隨深度逐漸降低，在約 2.5 cm 處達(dá)到 α ≈ −1.5，進(jìn)一步分析速度波動(dòng)分布的偏度和峰度發(fā)現(xiàn)，表層速度波動(dòng)非高斯化，而底層波動(dòng)隨深度趨向?qū)ΨQ、高斯分布，這提示了深層的對(duì)稱性和守恒規(guī)律與表層存在差異，該結(jié)果有望為完善相關(guān)理論提供依據(jù)。
 

圖 斜坡流不同深度的顆粒流漲落速度能譜及冪律指數(shù)
 

　　研究意義
 

　　這一研究首次通過(guò)高時(shí)空分辨的光學(xué)技術(shù)研究了顆粒堆流從表層到深層速度波動(dòng)的完整譜，揭示了顆粒堆流中不同深度層次的動(dòng)力學(xué)差異，為理解顆粒物質(zhì)流動(dòng)局部化及其微觀動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
 

　　團(tuán)隊(duì)信息
 

　　上海交通大學(xué)自然科學(xué)研究院/物理與天文學(xué)院張潔教授為通訊作者。第一作者為張潔課題組博士研究生于書(shū)昶。本研究得到了多項(xiàng)基金支持：國(guó)家自然科學(xué)基金(No.11974238、No.12274291和No.42277156)資助了科研的基礎(chǔ)研究工作；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新計(jì)劃(No.2021-01-07-00-02-E00138)提供了科研創(chuàng)新經(jīng)費(fèi)支持；此外，上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心也對(duì)團(tuán)隊(duì)的學(xué)生科研活動(dòng)給予了支持。