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沙子顆粒的泡沫，違反物理定律？

2019-06-29 13:49 作者:博科園 0人讀過(guò) | 我要投稿

顆粒狀物質(zhì)的流動(dòng)，如用于化學(xué)反應(yīng)器的沙子和催化顆粒，使從泥石流到火山等一系列自然現(xiàn)象，以及從制藥生產(chǎn)到碳捕獲等一系列廣泛的工業(yè)過(guò)程成為可能。

雖然顆粒物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和混合常常表現(xiàn)出與液體驚人的相似之處，例如在移動(dòng)的沙丘、雪崩和流沙中，顆粒流動(dòng)的物理基礎(chǔ)并不像液體流動(dòng)那樣被很好地理解，看似違反物理定律，其實(shí)并沒(méi)有，只是有更深層的奧秘?，F(xiàn)在，哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)化學(xué)工程助理教授克里斯?博伊斯的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，解釋了不同密度顆粒的引力不穩(wěn)定性的一個(gè)新家族，這些顆粒是由一種在流體中看不到的氣體通道機(jī)制驅(qū)動(dòng)。

在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院能源與工程科學(xué)教授Christoph Muller團(tuán)隊(duì)的合作下，Boyce團(tuán)隊(duì)觀察到了一個(gè)意想不到的Rayleigh-Taylor (R-T)不穩(wěn)定性，在這種不穩(wěn)定性中，較輕的顆粒通過(guò)較重的顆粒以“手指”和“顆粒氣泡”的形式上升。R-T不穩(wěn)定性是由兩種不同密度的流體相互作用而產(chǎn)生，這兩種流體不能混合，例如油和水，因?yàn)檩^輕流體會(huì)把較重的流體推開(kāi)，在兩種干燥的顆粒材料之間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種不穩(wěn)定性。2019年4月22日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的這項(xiàng)研究首次證明：

較輕的沙(藍(lán)色)在較重的沙(白色)中形成“氣泡”的發(fā)展，圖片：Alex Penn/ETH Zurich

當(dāng)兩種類(lèi)型的沙子受到垂直振動(dòng)和向上氣流的影響時(shí)，較輕沙子會(huì)形成“氣泡”，并在較重的沙子中上升，類(lèi)似于熔巖燈中形成和上升的氣泡。研究小組發(fā)現(xiàn)，就像空氣和石油泡沫在水中上升一樣，因?yàn)樗鼈儽人p，不想與水混合，即使兩種類(lèi)型的沙子喜歡混合，輕沙泡沫也會(huì)在較重的沙子中上升。博伊斯說(shuō)：我們認(rèn)為發(fā)現(xiàn)是革命性的，發(fā)現(xiàn)了一種顆粒狀的模擬物，類(lèi)似于最后一種主要的流體力學(xué)不穩(wěn)定性。雖然近幾十年來(lái)在粒狀流中發(fā)現(xiàn)了其他主要不穩(wěn)定性的類(lèi)似物，但R-T不穩(wěn)定性一直沒(méi)有得到直接的比較。發(fā)

現(xiàn)不僅可以解釋礦床下的地質(zhì)構(gòu)造和過(guò)程，還可以用于能源、建筑和制藥行業(yè)的粉末加工技術(shù)。研究小組利用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模型表明，氣體通過(guò)較輕的粒子通道會(huì)觸發(fā)手指和氣泡圖案的形成。氣體竄流的發(fā)生是因?yàn)檩^輕、較大顆粒團(tuán)簇比較重、較小的顆粒團(tuán)簇對(duì)氣體流動(dòng)具有更高的滲透性。顆粒狀材料中的r - t類(lèi)不穩(wěn)定性是由氣竄局部增大向上阻力和向下接觸力之間的競(jìng)爭(zhēng)引起，這是一種與液體中發(fā)現(xiàn)的完全不同物理機(jī)制。發(fā)現(xiàn)這種氣體通道機(jī)制還會(huì)產(chǎn)生其他引力不穩(wěn)定性，包括下降粒狀液滴的級(jí)聯(lián)分支。

還證明了r - t類(lèi)失穩(wěn)可以在多種氣體流動(dòng)和振動(dòng)條件下發(fā)生，在不同的激勵(lì)條件下形成不同的結(jié)構(gòu)。這些不穩(wěn)定性可以應(yīng)用于各種系統(tǒng)，為顆粒動(dòng)力學(xué)提供了新的解釋?zhuān)樵陬w粒混合物中形成新產(chǎn)品提供了新機(jī)會(huì)。發(fā)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)科學(xué)的潛在影響尤其興奮——這些不穩(wěn)定性可以幫助我們了解地球歷史上的結(jié)構(gòu)是如何形成，并預(yù)測(cè)未來(lái)其他結(jié)構(gòu)可能如何形成。博伊斯現(xiàn)在正在研究砂粒中其他類(lèi)似液體和結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，并對(duì)它們的行為進(jìn)行量化。他還與地質(zhì)學(xué)家和火山學(xué)家進(jìn)行了交談，以進(jìn)一步探討這一過(guò)程以及類(lèi)似過(guò)程是如何在自然界中發(fā)生的。