首次在沙子中观察到流体的瑞利-泰勒不稳定性机制

来源:煎蛋发布时间:2019-05-19

通过实验和计算建模方法,研究人员弄清了较轻的颗粒泡泡穿过较重的颗粒层上升的动力学细节。

虽然单个沙子是颗粒状的,但是很多沙子则会表现得像流体一样——想想崩塌的沙丘或沙子流过沙漏。这些被称为粒状材料,与流体相比,物理特性仍然有几分神秘。

刚刚,工程师们破天荒地观察到了沙子中的颗粒“气泡”,就像水中出现的气泡一样——即使不同密度的颗粒材料更倾向于混合在一起。

在流体动力学中,存在所谓的瑞利-泰勒(RT)不稳定性机制。它发生在非稳定的密度分层的状况下,譬如较重的液体位于较轻的液体上,重力的作用加速了一层液体侵入另一层液体的进程,产生了湍流及随之发生的界面上的湍流混合过程。

流体的瑞利-泰勒不稳定性机制

图片来源:网络

我们以前没有在粒状材料中观察到这一现象。但现在哥伦比亚大学和苏黎世联邦理工学院的工程师发现了与之惊人相似的东西。

“我们认为我们的发现是变革性的。”哥伦比亚大学的化学工程师Chris Boyce说,“我们发现了流体理论中主要不稳定性之一在粒状材料中的比拟物。虽然近几十年来在粒状流体中也发现了其他类别的主要不稳定性,但却未发现过RT不稳定性。”

该团队发现,通过振动和向上气流扰动都可以产生与RT不稳定性相似的过程。较轻的颗粒开始穿过较重的颗粒层向上运动,就像是油浮到水面之上的过程——形成被水包裹的油滴,在这里则是轻质颗粒形成的泡泡——但流体和颗粒有巨大的差异。油和水不喜欢混合,颗粒却不。

通过实验和计算建模方法,研究人员弄清了较轻的颗粒泡泡穿过较重的颗粒层上升的动力学细节。

这是因为比起较重的小颗粒团簇,气体(在这种情况下是空气)更容易流过较大颗粒的团簇。这增加了由气流产生的向上拖曳力与向下接触力之间的对抗,产生类似RT的不稳定性。

虽然结果相似,但该过程实际上与液体中RT不稳定性背后的机制完全不同。

而且该团队也观察到了其它有趣的现象。例如,气流产生的其他类不稳定性,研究人员在论文中将其描述为“沉降颗粒状液滴的级联分支”。

它类似于在水中滴加颜料时所观察到的RT不稳定性,但并非完全如此,因为在这里使用的是沙子。

较重颗粒簇液滴的重量在下方产生力链,液滴不能通过。所以它向下分裂,形成类似闪电状的“墨水”分支。

另一个发现是沙子中类RT不稳定性可以在广泛的气流和振动条件下产生——它可以帮助我们了解地震期间的地下发生的物理过程。

“我们的研究结果不仅可以解释矿物沉积的地质构造和过程,还可以用在能源、建筑和制药行业的粉末加工技术上。”Boyce说。

“想到它对地质科学的潜在影响,我们感到由衷的兴奋——这些不稳定性可以帮助我们了解在地球的漫长历史中是如何形成各种地质结构,并预测未来的地质变化。”

该研究已在PNAS上发表。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

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