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能动学院凡凤仙副教授在《Physical Review Letters》发表最新研究成果
发布时间:2017-05-27   浏览次数:

    我校能源与动力工程学院凡凤仙副教授研究发现了颗粒材料毛细效应的机理,该发现可为颗粒材料的逆重力输运提供潜在的途径。凡凤仙副教授作为第一作者的学术论文“Origin of granular capillarity revealed by particle-based simulations(基于粒子模拟的颗粒毛细现象机理)”发表在最新一期的物理学国际顶级期刊《Physical Review Letters》(影响因子7.6)上,并入选编辑推荐论文,同时被美国物理学会作为特色研究论文进行新闻报道。
    液体毛细效应是物理学中常见现象,当细管浸没在液体容器中,液体将在管内上升,这即是液体的毛细效应。液体毛细效应发生机理可通过液体分子以及液体分子与管壁之间的吸引力进行解释。然而,细颗粒也会发生类似液体毛细效应,实验报道如果将细管插入装有颗粒材料的容器中,并对管施加微小垂直振动,颗粒将在管内上升,即颗粒材料的毛细效应。由于颗粒的粒度较大,颗粒材料的分子间吸引力与颗粒重力以及颗粒惯性力相比可以忽略不计,使得颗粒的毛细效应无法通过分子间吸引力进行解释。因此,颗粒毛细效应一直是一个待解之谜。

 

图1: 颗粒材料在振荡细管中形成颗粒毛细效应的历程

 

    凡凤仙副教授及合作者采用基于颗粒的离散元方法对这一问题进行了研究,发现颗粒毛细效应的驱动机制是颗粒材料在竖直振动下固有的对流运动,对流通量引起容器内颗粒材料发生了横向质量输运,从而在细管底形成一个向上的压力,迫使颗粒在管内上升。他们还发现,颗粒上升的速度和高度取决于管径,而且颗粒的最终毛细高度与管径成反比。这一现象尽管与液体毛细现象一致,但是二者的机理具有截然不同的原因。这一发现为工业过程中颗粒材料的处理和输运提供了潜在的途径。
    该研究是凡凤仙副教授与德国科隆大学Eric J. R. Parteli博士、德国埃朗根-纽伦堡大学Thorsten Pöschel教授合作的研究成果。目前凡凤仙副教授团队正在就该课题继续研究,以深入理解系统参数和颗粒物性对颗粒材料毛细效应的影响。
    论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.218001

 

供稿:能动学院

编辑:新闻中心 王丹