Phase Diagram of Vertically Shaken Granular Matter
本文对准二维容器中浅的、垂直振动的颗粒床进行了实验研究，得到了比以往任何研究都多的现象：（1）弹跳床，（2）起伏，（3）颗粒莱顿弗罗斯特效应，（4）对流卷，（5）颗粒气体。这些现象和它们之间的过渡的特点是无量纲的控制参数，并结合在一个完整的实验相图。
2006-08-29 physics.flu-dyn
The effect of finite container size on granular jet formation
当一个物体被扔进一个松散的细砂床时，一股令人惊讶的能量射流会从床中射出。在这项工作中，我们研究的效果，边界上的颗粒射流的形成。我们通过（i）减小砂床的深度和（ii）将容器直径减小到只有几个球直径来做到这一点。这些限制改变了床内球的行为、空隙塌陷以及由此产生的射流高度和形状。我们映射的参数空间的影响与弗劳德数，环境压力，和容器的尺寸作为参数。根据这些结果，我们对几个研究组[J.R.Royer \textit{et al} .，Nature \textbf{1}，164（2005）]，[G.Caballero \textit{et al} .，物理修订版信函\textbf{99}，018001（2007）]和[J.O.马斯顿，\textit{et al} .，Physics of Fluids \textbf{20}，023301（2008）]。
2009-11-12 physics.flu-dyn
On the Dynamics of a Quasi-Two-Dimensional Pulsed-Fludized Bed
固体在气体介质中的周期性流化可以产生结构化的鼓泡模式。这种现象已经在称为脉冲流化床的流化床系统中成功地再现，该系统以其有效的混合和可调谐性而闻名。所得到的图案取决于颗粒特性、床的尺寸、平均入口速度、床高度以及脉冲的振幅和频率。然而，重要的是要了解与起泡模式相关的颗粒流变学的变化。在实验工作中，我们报告的结果，从一个小规模的准二维脉冲流化床。适当的正交分解分析应用到粒子跟踪测速数据揭示了一个重新分配的能量之间的谐波和次谐波模式的进气频率降低。鼓泡模式的变化伴随着颗粒动力学的变化，由于颗粒相运动的主导模式。
2018-09-13 physics.flu-dyn
A collision model for grain-resolving simulations of flows over dense, mobile, polydisperse granular sediment beds
本文提出了一种用于相分辨泥沙输运直接数值模拟的碰撞模型，该模型采用浸没边界法耦合流体和颗粒。通常，用于这些类型的模拟的接触模型包括用于紧密接近另一固体对象的颗粒的润滑力、用于防止颗粒重叠的法向接触力以及用于考虑摩擦的切向接触力。我们的模型扩展了以前作者的工作，以改善时间积分方案，以获得一致的结果粒子壁碰撞。此外，我们占多分散的球形颗粒，并引入新的标准来考虑持久的接触，这发生在许多泥沙输运的情况。这是在不使用物理定义的参数的任意值的情况下完成的，并且通过保持持久接触中的粒子的完全动量平衡来完成。我们验证了我们的模型对几个测试用例的二进制颗粒壁碰撞以及集体运动的沉积物床剪切的粘性流，产生令人满意的协议与实验数据由不同的作者。
2017-04-15 physics.flu-dyn
Velocity fields of a bed-load layer under a turbulent liquid flow
在自然界和工业中，沉积物通过流体流动的输送是常见的。在自然界中，它存在于河流，海洋，沙漠和其他环境中。在工业中，它存在于输送谷物的石油管道、下水道系统和疏浚管道中。本研究以实验方式探讨颗粒床中颗粒在紊流剪切下之输送。在我们的实验中，充分发展的湍流水流施加在一个平坦的颗粒床已知的粒度。在试验条件下，颗粒作为推移质运输，即，它们通过彼此滚动和滑动而被夹带，形成移动的颗粒层。目前的实验进行接近起动推移质，颗粒速度的实验数据是稀缺的情况下。与以前的实验不同，入口长度保证了松散床上的水流得到充分发展。在不同的水流量下，使用高速摄像机拍摄运动层，并通过使用本研究过程中开发的数字代码对图像进行后处理来确定颗粒的位移和速度。推移质输沙率估计和相关的水流条件。
2016-08-15 physics.flu-dyn
Fluid-particle suspension by gas release from a granular bed
本文对Hele-Shaw池中浸没颗粒层底部注入气体时的颗粒悬浮进行了实验研究。这项工作的重点是比周围流体密度稍大的颗粒的动力学。以恒定流速注入的气体上升通过颗粒床，然后形成气泡，气泡将颗粒夹带在上述液体层中。颗粒沉降在池的边缘，在颗粒床自由表面形成的凹坑上雪崩，并在中心被连续鼓泡进一步夹带。我们报告存在一个固定的状态，从颗粒夹带和沉降之间的竞争。悬浮液中的平均固体分数是通过简单测量颗粒床表观面积得出的。一个唯象模型的基础上的平衡颗粒升降机的气泡在中心的细胞和他们的解决其两侧表明，大多数的颗粒夹带的气泡来自全球再循环的悬浮液。
2020-11-30 physics.class-ph physics.flu-dyn
The formation and migration of sand ripples in closed conduits: experiments with turbulent water flows
在自然界和工业中经常发现固体颗粒通过流体流动的输送。一些例子是河流和碳氢化合物管道中的沙子运输。当流体流施加在颗粒床上的剪切应力保持适度时，一些颗粒被设置为运动而不使床流化;运动的颗粒形成一个层，称为推移质，该层在移动的同时保持与床的固定部分接触。在推移质条件下，颗粒床可能变得不稳定，产生波纹和沙丘。沙纹通常在封闭的管道和管道中观察到，例如石油管道，下水道系统和疏浚管线。虽然在许多科学领域和工业应用的重要性，波纹的形成在封闭的管道没有得到很好的理解，这个问题仍然是开放的。本文介绍了在紊流闭管水流和推移质条件下沙纹形成和迁移的试验研究。在我们的实验中，充分发展的湍流水流施加在一个透明的通道中的已知粒度的颗粒床，并发生推移质负荷。对于不同的水流量和粒径，生长和迁移的底形被拍摄的高清晰度相机，并开发了一个数字代码，以确定从所获得的图像的波长和celebrations的底形。所得到的结果进行了比较与出版的稳定性分析。
2016-08-16 physics.flu-dyn
Darcy-Reynolds forces during intrusion into granular-fluid beds
我们实验研究侵入流体饱和颗粒床的自由落体球，不同的颗粒尺寸和流体粘度。我们测试我们的结果对达西-雷诺理论，其中的球体的减速是由雷诺粘性和达西流动阻力控制。我们发现所观察到的入侵者的动力学是一致的达西-雷诺理论为不同的颗粒尺寸。我们还发现，我们的实验结果与达西-雷诺理论的粘度变化是一致的，但只有在有限的范围内的粘度。对于大粘度，观察到的力开始随着粘度的增加而减小，与理论预测相反。
2021-07-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The feedback effect caused by bed load on a turbulent liquid flow
实验上的影响，由于仅仅是一个移动的颗粒层上的液体流动（反馈效应）。非侵入式测量进行了一个封闭的管道通道的矩形截面，其中颗粒作为推移质通过湍流水流。采用粒子图像测速技术，对相同粒度的固定和流动颗粒床的水流速度剖面进行了测量。测量的空间分辨率允许反馈效应的实验量化。本文的研究结果对预测推移质输沙率和输沙过程中的压力降具有重要意义。
2016-09-02 physics.flu-dyn
Shape and dynamics of seepage erosion in a horizontal granular bed
我们调查侵蚀模式观察到的水平颗粒床的水渗流的动机，在较大尺度的地形观察的海滩细沟和渠道的增长。我们的实验装置包括一个宽的矩形盒，里面装满了玻璃珠，在其中一个侧壁上有一个狭窄的开口，侵蚀的颗粒可以从中退出。的图案和侵蚀动力学的形状上的定量数据获得与激光辅助地形技术。我们发现，地下水源的空间分布可以显着影响所观察到的模式的形状。一个细长的通道被观察到增长上游时，地下水注入在边界附近的水库保持在恒定的高度。当均匀的降雨渗入颗粒床以维持地下水位时，观察到一个圆形（半圆形）形状。分叉被观察到的渠道增长响应地下水。我们进一步发现，渠道增长离散雪崩的颗粒床的高度增加以上的毛细上升，导致较深的渠道有粗糙的前线。当床层部分饱和导致颗粒之间的凝聚时，雪崩的时空分布随床层高度增加。然而，观察到的通道的整体形状保持不受影响，这表明渗流侵蚀是强大的侵蚀锋的扰动。
2012-10-16 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Impact of viscoelastic polymer solution droplets on a granular bed
University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）
通过实验研究粘弹性聚环氧乙烷液滴撞击干颗粒床的成坑动力学，发现粘弹性使过渡区出现在更低撞击能量，表明粘弹性改变了撞击能量在液滴变形与颗粒床耗散之间的分配。
2026-05-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Formation of sand ripples under a turbulent liquid flow
沙纹在自然界和工业中都是常见的现象。例如，它们存在于河床和运输沙子的石油管道中。在自然和工业情况下，波纹增加床和流体之间的摩擦，并且与溢流、高压降和瞬变有关。当沉积物作为推移质（流动的颗粒层）被夹带时，就会出现波纹，通常认为这是初始床形最终饱和的结果。由于初始底形的纵横比很小，线性分析可以用来理解波纹的形成。本文提出了液体湍流作用下颗粒床的线性稳定性分析。该分析考虑了湍流液体情况下所涉及的所有主要机制和参数，包括一些尚未一起考虑的重要参数，如床层密实度和推移质临界剪切应力。该分析的结果与发表的实验结果进行了比较，他们表现出良好的协议。
2016-08-20 physics.flu-dyn
Micromechanical Origin of Heat Transfer to Granular Flow
本研究通过频率调制光热技术量化颗粒流中近壁与床体热阻，发现流动增加近壁热阻并降低床体热导率，结合离散元模拟揭示近壁热阻源于颗粒扩散。
2024-05-28 physics.app-ph physics.flu-dyn
Meandering instability of air flow in a granular bed: self-similarity and fluid-solid duality
蜿蜒的不稳定性是每个人都熟悉的，通过河流蜿蜒或小溪流的雨水流下挡风玻璃。然而，它的物理理解仍然为时过早，尽管它可以启发各个领域的研究人员，如非线性科学，流体力学和物理学，以解决他们长期存在的问题。在这里，我们进行了一个小规模的实验中，空气流是在一个薄的颗粒床，成功地找到一个曲折的制度，连同其他显着的流化制度，如湍流制度。我们发现，不同类型的颗粒的流动状态的相图可以普遍呈现为流量和颗粒床厚度的函数时，这两个量适当重整化。我们进一步揭示，蜿蜒的形状是自相似的蜿蜒的河流。对实验结果进行了理论解释，并对物理现象进行了阐述。该理论基于力平衡、最小耗散原理和连续方程的线性不稳定性分析，该连续方程考虑了流体-固体二元性，即，这些结果为包括工业流化床反应器在内的各个领域的相关问题提供了富有成效的联系。
2016-12-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
Pattern transition of flow dynamics in a highly water-absorbent granular bed
本研究通过向准二维高吸水凝胶颗粒床注入氯化钠溶液，揭示了盐度、注入速率及时间尺度调控下的流动模式转变机制，发现堵塞模式的振荡压降特性，为地下流体运移等地质场景研究提供参考。
2024-01-29 cond-mat.soft nlin.AO nlin.PS
Bridging the gap between particle-scale forces and continuum modelling of size segregation: application to bedload transport
重力驱动的粒度分离在山区河流中是很重要的，在那里，各种粒度的泥沙作为推移质输送。更具体地说，垂直尺寸偏析是一个多尺度的过程，起源于相互作用的颗粒尺度上的到达尺度上的重要形态后果。为了解决这个问题，基于颗粒间分离力（Guillard等人，2016年）和颗粒斯托克斯拖曳力（Tripathi和Khakhar，2013年），开发了浸没双分散颗粒流的体积平均多相流模型。一个对流扩散模型，来自该模型产生的对流和扩散系数的基础上粒子间的相互作用的parametrisations。这种方法使得弥合颗粒尺度物理学和连续介质模型之间的差距成为可能。这两个模型都成功地与现有的离散元模型（DEM）模拟推移质输运中的粒度分离进行了测试（Chassagne等人，2020年）。通过对颗粒力的详细研究，证明了所观察到的对流和扩散系数随惯性数的缩放可以由颗粒阻力对粘度的依赖性来解释。阻力系数与小颗粒浓度呈线性关系。分离力与摩擦系数的标度关系被确认和其他非平凡的依赖关系，包括惯性数和小颗粒浓度被确定。最后，在分离力中添加尺寸比依赖性完美地再现了大范围的小颗粒浓度和尺寸比的DEM结果。
2020-05-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Drag anisotropy of cylindrical solids in fluid-saturated granular beds
研究了长为$L$、直径为$D$的圆柱形固体入侵体在等深度饱和水颗粒床中运动时的方向相关阻力。分别用直径为$d$的聚苯乙烯和水凝胶颗粒研究了具有高接触摩擦和几乎无摩擦的材料。在垂直于$F_\perp$和平行于其轴的$F_\parallel$方向上测量入侵者上的阻力，作为从准静态到速率相关状态的速度$U$的函数。我们发现，在两种介质中，拖曳各向异性$ξ= F_\perp/F_\parallel$不是恒定的，并且随驱动速率和$L/D$显著增加。特别是对于$L/D = 40$，当无量纲弗劳德数$Fr =U/\sqrt{g(D+d)}$在$10^{-4}$和$2 \times 10^{-2}$之间变化时，在高摩擦床和低摩擦床中$ξ$分别从2.6增加到4.5和从7.0增加到8.2。平均而言，观察到$ξ$与$L/D$（对于$L/D \gg 1$）呈线性增加。利用水凝胶颗粒在水中的指数匹配的性质，我们进一步表明，在两个方向上的圆柱体周围的沉积物流是一致的表面摩擦为主的阻力。$ξ$上的圆柱形侧和圆形平端的相对贡献估计与薄盘，以了解所观察到的阻力与纵横比和表面摩擦的变化。
2021-11-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
Numerical simulation of baffled circulating fluidized bed with Geldart B particles
循环流化床（CFB）作为最经典的流化技术，广泛应用于化工、物理等领域。然而，循环流化床反应器仍存在一些缺点，如固体颗粒分布不均匀，近壁处固体颗粒回流，使系统混合恶化，导致系统转化率/传热传质率低。为了提高循环流化床的性能，我们建议在目前的工作中研究的环形挡板的配置上的流化系统的流体动力学使用多流体欧拉计算流体力学模型，结合颗粒流的动力学理论的效果。在这种方法中，两种不同类型的环形挡板，圆形和梯形，被认为是和相应的结果进行了比较。结果表明，环形折流板的加入改善了系统的混合，减少了近壁面的回流。然而，挡板的形状对系统流体动力学的影响有限。
2021-04-01 physics.flu-dyn
Effective drag of a rod in fluid-saturated granular beds
我们测量阻力所遇到的垂直定向杆移动穿过沉积颗粒床浸没在稳态条件下的流体。在低杆速度下，由于浮力，流体的存在导致较低的阻力，而随着速度的增加观察到显著较高的阻力。观察到阻力作为深度的函数从低速时的二次曲线减小到高速时的线性曲线。通过将阻力与作用在杆上的颗粒的平均重量成比例，我们获得了在六个数量级的速度上遇到的有效摩擦$μ_e$。当颗粒尺寸、杆深和流体粘度在低速下变化时，发现恒定的$μ_e$，而当速度增加时，观察到系统的增加。我们用惯性数$I$和粘性数$J$来分析$μ_e$，以分别理解惯性力和粘性力的相对重要性。对于足够大的流体粘度，我们发现，不同的速度，深度和粘度的影响可以描述的经验函数$μ_e = μ_o + k J^n$，其中$μ_o$是在准静态极限测量的有效摩擦，和$k$和$n$是材料常数。然后根据有效粘度$η_e$分析阻力，发现阻力作为$J$的函数系统性降低。我们进一步表明，$η_e$作为$J$的函数与流体粘度和杆所遇到的$μ_e$成正比。
2019-06-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
Nonadditive drag of tandem rods drafting in granular sediments
我们研究的阻力经历了一对垂直杆移动串联通过颗粒床浸没在流体中作为其分离距离和速度的函数。如在牛顿流体中一样，杆所经历的净阻力最初随着距离从单个杆的值增加，然后平稳到该值的两倍。然而，作用在两个杆上的阻力是显著不同的，与单独的杆相比，前面的杆经历大致相似的阻力，而后面的杆经历的阻力要小得多。在干颗粒床和沉浸在粘性牛顿流体中的准静态和速率相关的制度之间的阻力和距离的异常关系观察。通过折射率匹配，我们可视化的沉积物流过去的两个杆，并显示出一个停滞区的发展，在他们的参考系之间的杆小分离。因此，随着分离距离的减小，后面的杆越来越多地与颗粒流隔离，从而导致更低的净阻力。根据我们的结果，即阻力在短的分离距离下是不可加性的，在将阻力理论应用于在颗粒沉积物中移动的多组分物体时应小心。
2022-02-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Miniaturized gas-solid fluidized beds
本文通过实验研究了毫米级气固流化床，发现其内部易形成塞状流和气泡导致颗粒温度低、搅拌和传输速率大幅下降，增加流速可缓解但无法消除该问题，为制药和化工过程提供了机制见解。
2023-06-27 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Fluid-driven granular dynamics through a consistent multi-resolution particle method
Polytechnique Montreal（蒙特利尔理工学院）
本文提出一种多分辨率粒子方法，用于研究流体驱动颗粒动力学，通过验证多相流模型，强调多尺度多密度相互作用对准确模拟的重要性。
2022-02-28 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Microrollers Flow Uphill as Granular Media
本文通过旋转磁场对致密微粒滚子施加扭矩，实验实现颗粒向上坡滚动并形成负休止角堆积，发现其宏观集体行为具有纯耗散颗粒系统的运动学特征。
2023-06-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Anomalous Diffusion in a Bench-Scale Pulsed Fluidized Bed
我们提出了我们的实验室规模的脉冲流化床，这是一个弱约束系统的微观流变学分析。由脉冲流引起的非线性气粒和颗粒-颗粒相互作用与谐波和次谐波模式有关。虽然在介观尺度上观察到周期性的结构化气泡图案，但颗粒尺度的测量揭示了驱动颗粒介质中的异常扩散。我们使用单粒子轨道分析遍历性和老化性能在两个脉冲频率具有显着不同的介观尺度的功能。整体平均均方位移的标度不是唯一的。时间平均均方位移的分布是非高斯的，不对称的，并有一个有限的平凡的贡献，从拥挤的准静态环境中的粒子。结果表明，弱遍历性破缺，随着老化的非平稳和平衡动力学的特征。
2021-03-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The effect of grain size on erosion and entrainment in dry granular flows
地球物理流对下伏可蚀物质的夹带可以显著增加流动质量并增加最终沉积范围。流动物质和可侵蚀基质的颗粒尺寸影响卷吸机制并决定整体流动动力学。本文研究这些机制的实验研究，考虑在一个可侵蚀的床使用不同的颗粒尺寸组合的来流和基层在实验室规模的倾斜水槽的颗粒流量。动态x射线照相被用来捕捉流动-可侵蚀床界面的动态。实验发现，最大下坡速度取决于流动颗粒尺寸与床层颗粒尺寸之间的比率，比率越高，速度越快。两种技术，然后应用于估计不断变化的侵蚀深度：一个既定的临界速度的方法，和一种新的基于颗粒尺寸的方法。侵蚀率估计从这两种方法。有趣的是，这两个比率表达了不同和矛盾的结论。在基于临界流速的速率估计中，归一化的侵蚀速率随着流床粒度比的增加而增加，而基于颗粒尺寸的方法估计的侵蚀速率发现相反的趋势。我们通过考虑这两种测量方法的物理解释来合理化这种差异，并深入了解未来如何进行建模以适应这两种互补措施。本文强调了侵蚀速率如何完全取决于估计侵蚀深度的方法和测量技术的选择。
2021-08-27 cond-mat.soft physics.app-ph physics.flu-dyn
A Deep Neural Network Model of Particle Thermal Radiation in Packed Bed
颗粒辐射传热通量的预测是大型离散颗粒系统中的一项重要任务，如电厂中的卵石床和工业流化床。对于颗粒运动和堆积问题，离散单元法（DEM）是目前公认的最好的拉格朗日方法。对于热辐射问题，传统的计算方法主要是通过数值算法直接计算遮挡因子。仿真的主要挑战是，该方法被证明是耗时的，不可行的，在实际情况下应用。在这项工作中，我们提出了一个分析模型来计算宏观有效电导率从颗粒堆积结构，然后，我们开发了一个深度神经网络（DNN）模型作为预测的复杂的视图因子函数。DNN模型由大数据集训练，计算速度大大提高，精度良好。用DNN模型对大型卵石床辐射换热进行实时模拟是可行的。训练后的模型还可以与离散元耦合，有效地分析颗粒热辐射的方向性辐射传导率、各向异性因子和壁面效应。
2020-06-17 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Wet granular flow control through liquid induced cohesion
液体对湿颗粒集合体的流动有显著的影响。探讨了液体诱导凝聚力对湿颗粒材料流动特性的影响。我们提出了一个凝聚力缩放的方法，使不变的流动特性，不同的颗粒尺寸在旋转鼓。通过化学硅烷化使玻璃珠疏水，颗粒之间的毛细管力的强度显著降低。转鼓实验的主要结果是：液致凝聚使流动区宽度减小，自由面颗粒速度减小，蠕动区宽度增大，动态休止角增大。流动区域的局部颗粒温度随着毛细力的增大而降低。在考虑流态（滚动和级联制度）的缩放方法产生不变的床层流动特性，不同的颗粒尺寸。
2018-01-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Forces and grain-grain contacts in bidisperse beds sheared by viscous fluids
本研究使用CFD-DEM模拟探究粘性流体剪切的双分散颗粒床中的颗粒分选与力分布机制，发现流体力与接触力在不同床层深度的作用差异，揭示了力传播与颗粒重组的关系。
2024-11-14 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Bidisperse beds sheared by viscous fluids: Grain segregation and bed hardening
本文通过实验研究了密度比为2.7的粘性流体剪切双分散颗粒床，揭示了分选主要发生在流动初期、床层硬化随时间增强而bedload和creep减弱，并提出了大颗粒分选和床层硬化的特征时间。
2023-10-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
