粉粒体の流れに現れる密度波と1/fゆらぎの研究

研究颗粒材料流动中出现的密度波和 1/f 波动

基本信息

批准号：
10740196
负责人：
中原明生
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Nihon University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1998
资助国家：
日本
起止时间：
1998 至 1999
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-10740196/
关键词：
粉粒体 1 fゆらぎパワースペクトルパイプ流

项目摘要

垂直に立てたパイプ中に粉粒体を流すと、状況に応じて粉粒体は一様には流れず高速道路の渋滞で見られるような密度波を生じる。我々はパイプ中の密度波とそれに伴って生じる1/fゆらぎのメカニズムを調べるために、パイプ中の粉粒体の占有率(packing fraction)をパラメーターとして変化させた実験をおこない、粉粒体の流れの時間・空間構造がどう変化するかを調べた。具体的には、高速度ビデオカメラを用いてパイプ中の粉粒体の流れを画像として取り込み、コンピューターで画像解析した。取り込んだ空間構造をフーリエ解析して散乱関数S(k)を求めたところ、粉粒体のpacking fractionが低い時は粉粒体の流れがほぼ自由流となっており散乱関数の低波数成分がほぼフラットになっているが、packing fractionが大きくなると散乱関数は特徴的な波数にピークをもち(この波数が渋滞の空間構造に対応)流れは渋滞流へと転移することが分かった。次に、時間構造をフーリエ解析すると、自由流においてはパワースペクトルP(f)は空間構造と同様低周波数成分がフラットとなりランダムノイズに近いが、渋滞流では低周波成分に強い構造をもち渋滞に特有な長時間相関が生じていた。また、自由流から混雑流へと変化する中間密度領域においてパワースペクトルP(f)が1/fゆらぎに従うことがわかった。ところが、先ほどおこなった空間構造の解析によると、1/fゆらぎの発生時の散乱関数S(k)はべき的ではなく空間構造は臨界的(フラクタル的)にはなっておらず、渋滞・非渋滞相転移の臨界性から来ているのではないことも分かった。最後に、時空構造を解析するために、鉛直下方向のパイプ中の流れを1次元に縮約し、時間発展を横方向に並べた時空構造図を作成し、2次元的なフーリエ解析をおこなった結果、マクロなクラスターの伝播速度のゆらぎは自由流から渋滞流への転移の際に増大することがわかった。

当粉末和颗粒流入垂直升高的管道中时，粉末和颗粒不会根据情况均匀流动，导致密度波在高速公路上的交通拥堵中看到。为了研究管道中的密度波和相关的1/F波动的机理，我们进行了一个实验，其中将粉末和颗粒的填料分数作为参数更改为研究，以研究粉末和颗粒流的时间和空间结构如何变化。具体而言，使用高速摄像机来捕获管道中粉末和颗粒的流动，并使用计算机进行图像分析。当通过傅立叶分析分析捕获的空间结构以找到散射函数s（k）时，发现当粉末和颗粒的包装比例很低时，粉末和颗粒的流动几乎是免费的，并且散射功能的低波动体组件几乎是平坦的，但是当包装量越来越平坦，散射量会增加，而散射的功能是散射的（散射狂潮），散射的浪潮是散射的潮流。充血），流向充血流。接下来，当对时间结构的傅立叶分析（在自由流中）时，功率谱P（F）具有平坦的低频组件，类似于空间结构，并且接近随机噪声，但是在交通拥堵流中，它具有一种对低频组件的抗性结构，并且具有长期相关性，并且长期相关性是典型的交通jams。还发现，功率p（f）遵循中间密度区域的1/f波动，从自由流变为拥挤的流动。但是，根据对我之前进行的空间结构的分析，还表明，当发生1/F波动时，散射函数S（k）不明智，并且空间结构并不关键（分形），并且并不来自交通拥堵和非伴随相位过渡的关键。最后，为了分析时空结构，我们将垂直向下方向的管道中的流动减少到一个维度，创建了一个时空结构图，该图水平排列了时间的演变，并进行了二维傅立叶分析，并发现宏观聚类繁殖速度的波动在从自由流到聚会流量转移到聚会流量时会增加。