簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 陳文楠
論文名稱: 類二維顆粒氣體的運動性質實驗與探討
An experimental study of the motion of a quasi two-dimensional granular gas
指導教授: 周亞謙
杜其永
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 76
中文關鍵詞: 顆粒氣體隨機行走擴散係數
外文關鍵詞: granular gas, random walk, diffusion
相關次數: 點閱:2下載:0
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 顆粒物質在自然界是極為常見的,小到海邊的沙粒,大到冰洋中的浮冰等,都屬於顆粒物質的範疇。在農業上,顆粒物質的性質對倉儲與輸送的過程與效率等,都具有決定性的影響。但到目前為止,其物理性質還有許多尚未被人們清楚了解的地方。我們利用透明壓克力製成薄盒子,並在裡面放入塑膠球後,放在震動台上垂直震動,來探究類二維顆粒氣體在水平投影的動力行為。使用高速攝影機與影像處理軟體,我們追蹤到每顆球的位置,並進一步分析其與出發點的平均平方位移、速度分佈與過程中的碰撞次數等。我們發現球本身呈現出隨機行走與擴散的行為。進一步的探究發現在中低密度時,不管是擴散係數或其方均根速度都隨著密度增加而增加。此一結果不同於高密度時,與理想氣體下的氣體動力論預測的變化接近。我們進一步的分析與考量球與球碰撞中的能量耗散行為,試著去提出一個簡單模型,將不同種類的複雜碰撞行為簡化為兩種不同溫度的熱浴,並且成功的計算出我們的實驗結果。這暗示了儘管跳躍球系統的能量是非守恆態,但引進能量守恆時的物理定律來簡化系統的描述是可能的。


    目錄 中文摘要 i Abstract .ii 圖表列表 .vi 第一章 前言 …………………………………………………………………………………………………………..1 1.1顆粒物質 1 1.2顆粒氣體 2 1.3顆粒物質的擴散運動 5 1.4計畫與目標 9 第二章 實驗儀器系統與技術 10 2.1 實驗裝置設定 11 2.1.1垂直震動系統 11 2.1.2高速攝影機…………………………………………………………………………………………….13 2.1.3震動台的垂直振幅控制 14 2.1.4實驗的設定參數 15 2.1.5誤差的消除與精確度 16 2.2 數據分析流程 18 2.2.1使用高速攝影機取得數據 18 2.2.2不同顏色的辨別 19 2.2.3用程式語言IDL進行顆粒位置標定 20 2.2.4水平投影軌跡 22 2.2.5不同時間間隔的平方位移 23 2.2.6水平投影速度 24 2.2.7球與壓克力薄盒子碰撞的頻率 25 2.2.8球與球之間的碰撞運動 25 2.2.9製作動態連續的影片 26 2.3 數據分析所用的參數 28 2.3.1使用不同顏色的色球 28 2.3.2水平位置的標定 29 第三章 結果 31 3.1平均平方位移與密度的關係 32 3.2擴散係數與密度的關係 35 第四章 討論 36 4.1速度與碰撞的關係 37 4.2水平速度遞減模型 39 4.2.1第一種碰撞 39 4.3.2第二種碰撞 39 4.2.3兩種碰撞的交互作用 42 4.2.4線性遞減的水平投影速度模型 44 4.3水平投影速度分佈 58 第五章 結論 60 參考文獻 62 附錄 65

    [1] Heinrich M. Jaeger, Sand, Jams and Jets, Physics World 18, 34-39 December (2005)
    [2] Duran, J., Reisinger A., Sands, Powders, and Grains: An Introduction to the Physics of Granular Materials, Springer-Verlag New York, Inc., New York, ISBN 0-387-98656-1, November (2000)
    [3] Richard, P, Slow relaxation and compaction of granular systems, Nature Materials 4, 121–128, February (2005)
    [4] Rodhes, M, Principles of powder technology, Wiley, Chichester, England; New York, ISBN 0-471-92422-9, (1990)
    [5] Happel, J. and Brenner H., Low Reynolds number hydrodynamics, Prentice-Hall, (1965)
    [6] Heinrich M. Jaeger and Sidney R. Nagel, Granular solids, liquids, and gases, Rev. Mod. Phys. 68, 1259 – 1273, (1996)
    [7] Florence Rouyer and Narayanan Menon, Velocity Fluctuations in a Homogeneous 2D Granular Gas in Steady State, Phys. Rev. Lett. 85, 3676 - 3679 (2000)
    [8] W. Losert, D. G. W. Cooper, and J. Delour, A. Kudrolli and J. P. Gollub, Velocity statistics in excited granular media, Chaos 9, 682 (1999)
    [9] J. S. Olafsen and J. S. Urbach, Velocity distributions and density fluctuations in a granular gas, Physical Review E Volume 60, Number 3, September (2000)
    [10] Klebert Feitosa and Narayanan Menon, Breakdown of Energy Equipartition in 2D Binary Vibrated Granular Gas, Phys. Rev. Lett. 88, 198301 (2002)
    [11] Baxter and Olafsen, The temperature of a vibrated granular gas, Granular Matter 9:135–139 (2007)
    [12] 0. Zik and J. Stavans, Self-Diffusion in Granular Flows, Europhys. Lett., 16 (3), pp. 255-258, (1991)
    [13] Nikolai V. B., Thorsten P., Self-diffusion in granular gases, Physical Review E Volume 61, Number 2, February (2000)
    [14] Jaehyuk Choi, Arshad Kudrolli, Rodolfo R. Rosales, and Martin Z. Bazant, Diffusion and Mixing in Gravity-Driven Dense Granular Flows, Physical Review Letters, Volume 92, Number 17, 30 April (2004)
    [15] R. D. Wildman, J. M. Huntley, and J.-P. Hansen, Self-diffusion of grains in a two-dimensional vibrofluidized bed, Physical Review E Volume 60, Number 6, December (1999)
    [16] V. V. R. Natarajan , M. L. Hunt and E. D. Taylor, Local measurements of velocity fluctuations and diffusion coefficients for a granular material flow, Journal of Fluid Mechanics, 304: 1-25 Cambridge University Press (1995)
    [17] Hsiau S. S. ; Hunt M. L., Kinetic theory analysis of flow-induced particle diffusion and thermal conduction in granular material flows, Journal of heat transfer, vol. 115, no3, pp. 541-548 (1993)
    [18] P. M. Reis,* R. A. Ingale, and M. D. Shattuck, Caging Dynamics in a Granular Fluid, Phys. Rev. Lett. 98, 188301 (2007)
    [19] P. M. Reis,* R. A. Ingale, and M. D. Shattuck, Forcing independent velocity distributions in an experimental granular fluid, Phys. Rev. E 75, 051311 (2007)

    無法下載圖示 全文公開日期 本全文未授權公開 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)

    QR CODE