科学家观察到重力不稳定性,其中较轻的沙子形成“气泡”,并通过较重的沙子上升

2022-02-25 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:316 /
内容摘要:
重力(瑞利-泰勒,或R-T)不稳定性是由两种不同密度的不混合流体的相互作用产生的& # 8212;例如石油和水。因为较轻的液体会推开较重的液体。现在,来自哥伦比亚大学和苏黎世联邦理工学院的一组研究人员观察到了一种意想不到的类似R-T的不稳定性,其中较轻的颗粒以“手指”和“颗粒气泡......

重力(瑞利-泰勒,或R-T)不稳定性是由两种不同密度的不混合流体的相互作用产生的& # 8212;例如石油和水。因为较轻的液体会推开较重的液体。现在,来自哥伦比亚大学和苏黎世联邦理工学院的一组研究人员观察到了一种意想不到的类似R-T的不稳定性,其中较轻的颗粒以“手指”和“颗粒气泡”的形式穿过较轻的颗粒上升

Development of a ‘bubble’ of lighter sand (blue) forming in heavier sand (white). Image credit: Alex Penn / ETH Zurich.

在较重的沙子(白色)中形成较轻沙子(蓝色)的“气泡”的发展。影像学分:亚历克斯·佩恩/苏黎世联邦理工学院。

这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究首次证明,当两种类型的沙子受到垂直振动和向上气流时,较轻沙子的“气泡”会形成并通过较重的沙子上升,类似于熔岩灯中形成并上升的气泡。

科学家们发现,就像空气和油泡在水中上升是因为它们比水轻,不想与水混合一样,尽管两种沙子喜欢混合,但轻沙子的气泡会穿过重沙子上升。

“我们认为我们的发现具有变革性。我们发现了最后一种主要流体机械不稳定性的颗粒模拟,”资深作者克里斯·博伊斯博士说,他是苏黎世联邦理工学院机械与过程工程系和哥伦比亚大学化学工程系的研究员。

“我们的发现不仅可以解释矿藏背后的地质构造和过程,还可以用于能源、建筑和制药行业的粉末加工技术。”

Boyce博士和他的同事使用实验和计算模型表明,气体通过较轻的粒子引导会触发手指和气泡图案的形成。

气体通道的发生是因为较轻、较大的颗粒团比较重、较小的颗粒团对气流具有更高的渗透性。

粒状材料中的类R-T不稳定性是由气体通道局部增加的向上阻力和向下接触力之间的竞争引起的,这是一种与液体完全不同的物理机制。

研究小组发现,这种气体通道机制还会产生其他重力不稳定性,包括下降颗粒液滴的级联分支。

作者还证明了类R-T不稳定性可以在各种气流和振动条件下发生,在不同的激励条件下形成不同的结构。

博伊斯博士说:“这些不稳定性可以应用于各种系统,为颗粒动力学提供了新的线索,并为颗粒混合物中的图案化提供了新的机会,例如在制药行业形成新产品。

“我们对我们的发现对地质科学的潜在影响感到特别兴奋& # 8212;这些不稳定性可以帮助我们理解在地球漫长的历史中结构是如何形成的,并预测未来其他结构可能如何形成。”

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二元颗粒物质中的引力不稳定性。PNAS,2019年4月22日在线发布;doi:10.1073/PNAS . 18208 . 201111116016


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