基于CT成像技术研究振动状态下的颗粒堆积的老化弛豫过程OA

颗粒物质广泛存在于自然界与工业过程中,其独特的物理性质和行为一直是物理学研究的热点.颗粒堆积作为颗粒物理中的重要课题,对工业生产具有显著的实际意义.其中,球形颗粒因具有高度对称性和简单的几何特征,成为研究颗粒堆积问题最为理想的模型.本研究通过激振器对颗粒体系施加持续的外部振动激励,结合X射线断层扫描技术、分水岭图像处理算法以及Voronoi划分方法,获取了不同时刻体系的堆积密度.结果表明,在不同振动强度下,颗粒堆积密度随振动次数的变化均符合KWW(Kohlrausch-Williams-Watts)函数的拟合规律.同时发现,稳态堆积密度与振动强度之间存在非单调关系,说明外部激励并非单纯“加速致密化”,而可能改变了体系的可达构型空间和颗粒重排路径.为揭示上述非单调性背后的结构机制,本文引入了接触数与Minkowski张量等结构表征量进行分析.研究发现,即使在不同振动强度下体系达到相同的堆积密度,其内部结构在尺度与形态特征上仍表现出明显差异.进一步通过计算相关热力学量并结合AG(AdamGibbs)关系,发现在堆积密度转折点处AG关系同样发生转折.推测该现象可能与弛豫方式的转变有关:在较高振动强度下,颗粒弛豫主要由惯性振动主导;随着振动强度降低,弛豫方式逐渐转变为振动驱动的惯性运动与接触滑移共存的阶段;最终在振动强度极低时,弛豫完全由颗粒间的接触滑移主导.以上结果不仅为理解颗粒物质的老化行为提供了重要实验依据,也表明在不同振动条件下颗粒体系可能存在多种弛豫机制,对相关领域的进一步研究具有启示意义.