【摘 要】
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准静态颗粒流及快速颗粒流的特性与自然灾害(如地质滑坡、雪崩等)防治及土木工程(如挡土墙、堤坝等)密切相关,因此颗粒材料的坍塌和流动过程正在成为人们的研究焦点。近年来
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准静态颗粒流及快速颗粒流的特性与自然灾害(如地质滑坡、雪崩等)防治及土木工程(如挡土墙、堤坝等)密切相关,因此颗粒材料的坍塌和流动过程正在成为人们的研究焦点。近年来关于准静态颗粒流的研究主要集中在数值模拟及形态演化的比较方面,但少有报道从实验的角度来定量研究准静态颗粒流的坍塌动力学过程。我们首先设计了一套能够产生双组份颗粒柱的准静态坍塌过程的实验装置。由于颗粒系统的运动是准静态的,因此沿水平方向的三维颗粒运动可以由侧面观察壁上的二维颗粒运动来描述。利用示踪颗粒技术,采用自行编写的图像数据采集程序Particle Tracking追踪各个示踪粒子在各个时刻的位置信息,进而得到颗粒的运动轨迹图、滑移量分布云图以及运动矢量图。实验结果表明:颗粒系统在坍塌过程中,上下两层颗粒的滑移量均呈现递增的层状分布,并且颗粒运动方向与云图中滑移层方向近乎一致。进一步研究发现,上层大颗粒的各滑移层方向与水平方向的夹角约为54度,而下层小颗粒的各滑移层方向与水平方向的夹角约为45度。基于这些发现,我们建立了一个颗粒柱准静态坍塌过程的运动学模型,使用自行编译的与模型对应的MATLAB计算程序Moving Boundary Calculation即能计算任意颗粒在任意时刻所处的位置。经过实验验证,证明该模型能够预测颗粒系统在准静态坍塌过程中各个颗粒的位置演化。最后,通过自行编写的颗粒层边界识别程序Boundary Identification给将来提高数据采集的简便性与精确性打开了新思路。我们的实验结果有助于揭示颗粒系统坍塌过程的机理,从而为颗粒物理学中有关准静态坍塌行为的理论建立提供实验参考。
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