顆粒形狀對顆粒體輸送性質與力學傳遞行為之影響機制:巨觀、中觀與微觀行為之觀測(II)(1/2)

承蒙科技部的支持，上年度通過「顆粒形狀對顆粒體輸送性質與力學傳遞行為之影響機制：巨觀、中觀與微觀行為之觀測 (I)」，上年度規劃顆粒轉鼓實驗及水中顆粒體崩塌實驗，本期計畫繼續以物理實驗與電腦模擬探討顆粒形狀對顆粒體流動與力學行為之影響機制，規劃顆粒體在振動床實驗、剪力槽實驗、束制壓力實驗與Jenike 剪力實驗受載情形下，有系統地進行多尺度(巨觀、中觀與微觀)行為之研究。探討之顆粒形狀為球形、橢球形I 型(長短軸比為1.5)、橢球形II 型(長短軸比為2.0)、雙球形及圓柱形。本計畫首先進行上述的四種實驗，並以電腦模擬技術模擬這些複雜系統，兩種方法相互驗證，進而歸納出顆粒形狀對顆粒體流動與力學行為之影響機制。以物理實驗為主，電腦模擬為輔，探討兩者巨觀行為差異的原因，用以修正電腦模擬之理論模式。在振動床實驗與剪力槽實驗中，以自行開發之改良式粒子追蹤測速技術量測非球形顆粒的平移速度與旋轉速度，並計算顆粒體輸送性質 (例如：顆粒體的局部平移速度與旋轉速度，局部變動速度，粒子溫度，顆粒體總體擾動速度分佈及顆粒體自我擴散係數)，同時進行對應的離散元素電腦模擬，比較兩者輸送性質之差異。在束制壓力實驗中，量測裝載器具(薄殼結構)之應變，進而計算非球形顆粒體力量傳遞性質 (例如：軸向載重-位移曲線，作用至薄殼器具之正向壓力與垂直剪向作用力，顆粒體内部之垂直應力，側向壓力係數及壁面總體滑動摩擦係數)，同時進行結合離散元素法與有限元素法的電腦模擬，比較兩者力量傳遞性質之差異。在Jenike 剪力實驗中，量測非球形顆粒體的剪力- 切向位移曲線，計算剪力帶總體摩擦係數，藉以驗證離散元素電腦模擬結果。本計畫接著將上述四種實驗巨觀行為的量測結果與驗證合理的電腦模擬結果，歸納出顆粒形狀效應與巨觀行為的關聯性。本計畫最後透過離散元素計算内部物理量(中觀與微觀行為)，中觀行為有內部應力與應變 (stress and strain) 及粒子體積佔有率 (solid fraction)，微觀行為有力量傳遞鏈(force chain)，配位數 (coordination number) 及顆粒間的組構 (fabric)，並且有系統地探討顆粒形狀對顆粒體内部物理量(中觀與微觀行為)之影響機制。