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泥沙颗粒输运背后的力学机制
地球表面高山、丘陵、沙漠、河流、潮滩等地貌形态万千,它们是如何在历史的岁月中逐渐形成的呢?放眼宇宙,空气密度极低的冥王星,是如何神奇地拥有丰富的沙丘地貌?被称为沙漠行星的火星会因为大风而刮起沙尘暴吗……这些自然界中的奥秘正是地球物理学科的泥沙运动力学所研究的问题。已有的研究告诉我们,泥沙颗粒输运普遍发生于大气环境和水环境中,是塑造地貌形态最重要和最根本的自然过程之一。如何理解和定量描述地表环境泥沙颗粒的起动、输运和沉降是揭示地貌形态千差万别的核心问题。目前野外和实验数据已经证明,粗颗粒泥沙输运量与流体强度之间的关系,在大气环境表现为线性,在水环境表现为非线性。然而,如此截然不同的输运规律背后的力学机制却一直还是个迷。近日,浙江大学海洋学院百人计划研究员托马斯·派兹(Thomas Pähtz)博士成功揭开了这个谜底,并推导出了描述粗颗粒泥沙输运量与流体强度关系的通用方程。北京时间2020年4月20日,相关研究成果在物理学学术期刊美国物理学会刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters,简称PRL))上发表,并被该刊物和杂志Physics同时聚焦报道。通过离散元(DEM)精细数值模拟追踪大量泥沙颗粒的运动轨迹并分析其受力特征, 托马斯·派兹首次发现,粗颗粒泥沙的动能耗散机制主导其输运规律。大气环境条件下颗粒和床面间碰撞是主要的耗散机制;而在水环境条件下,颗粒和床面间碰撞以及颗粒之间的碰撞起着同等重要的作用。根据这一新的理论认识,托马斯·派兹推导了能统一描述大气环境和水环境粗颗粒泥沙输运量与流体强度关系的通用方程。这为深入认识地球甚至火星等外星球表面丰富多样的地貌形态提供了有力的理论工具。 统一输沙率公式与水环境(左图)和大气环境(右图)相关实验资料对比“最困难的部分是对模拟的结果进行物理解释和数学描述。在总共7年的时间里,我无数次地用笔和纸进行尝试。特别是在最初的4年里,我大部分时间都在思考这个问题。” 托马斯·派兹说。评审专家认为,这项研究工作是地球物理学科最基础而没有被揭示的问题。而对于未来的进一步应用,托马斯·派兹表示,上述通用方程可以预测任意大气/水体环境下的泥沙输运量,这使我们能够更好地了解这些天体的地貌,还可以通过测量行星的动力地貌来间接推断行星的风况。据悉,托马斯·派兹于2020年1月起受邀担任美国地球物理学会会刊《地球物理学研究杂志-地表过程》的副主编。他是浙大近海环境流体力学团队的重要成员。该团队由贺治国教授领衔,主要从事近海泥沙动力学、海岸动力学、近海环境流体力学等方面的研究,成果已逐步应用于理解河口海岸泥沙运动、深水航道整治、深海地貌演变、深海热液源矿物颗粒沉积等问题,取得了重要的国际影响力。该研究得到国家自然科学基金和浙江大学百人计划研究基金资助。论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.168001
浙江大学 2021-04-11
旋流输运、抽排和净化技术
成果创新点 通风换气、餐饮油烟净化、腐蚀物输运、工业分离输 送、河道除淤疏浚、采矿打沙及食品加工等领域。主要技 术创新路径:龙卷风旋涡能够产生强大抽吸力 核心优势:风机抽吸力丝毫不减,而套筒抽排能力与 风机相当,总排风量大大高于单独的风机的排风量;旋流 卷吸套筒独立使用,为风机另辟进风渠道实现免污染,排 风管道畅通无阻,特别适合腐蚀性或复杂环境中工作;旋 流卷吸无需额外能耗,旋转气流产生离
中国科学技术大学 2021-04-14
旋流输运、抽排和净化技术
通风换气、餐饮油烟净化、腐蚀物输运、工业分离输送、河道除淤疏浚、采矿打沙及食品加工等领域。主要技术创新路径:龙卷风旋涡能够产生强大抽吸力 核心优势:风机抽吸力丝毫不减,而套筒抽排能力与风机相当,总排风量大大高于单独的风机的排风量;旋流卷吸套筒独立使用,为风机另辟进风渠道实现免污染,排风管道畅通无阻,特别适合腐蚀性或复杂环境中工作;旋流卷吸无需额外能耗,旋转气流产生离心力还可以实现分选截留,实现净化功能。
中国科学技术大学 2023-05-16
热重分析仪
热重分析法(TG、TGA)是在升温、恒温或降温过程中,观察样品的质量随温度或时间的变化,目的是研究材料的热稳定性和组份。广泛应用于塑料、橡胶、涂料、药品、催化剂、无机材料、金属材料与复合材料等各领域的研究开发、工艺优化与质量监控。
上海和晟仪器科技有限公司 2025-05-06
同步热分析仪
同步热分析将热重分析 TG 与差热分析 DTA 或差示扫描量热 DSC 结合为一体,在同一次测量中利用同一样品可同步得到热重与差热信息。
上海和晟仪器科技有限公司 2025-05-06
数码热转移印花毯
毯带采用耐高温芳纶纤维,使用温度可达到250℃,克重3100g/㎡,厚度达8mm,是各种面料、窗帘布、装饰布转移印花专用毯带。    基布耐高温转移印花毯具有毯面平整,毯身柔软,不易开裂及使用寿命长等优点,热定型后,毛毯宽幅收缩率在3%。伸长率范围之内。在国内外市场上深受欢迎。  适用于:各类台湾、国产和进口转移印花机等。
上海芸英工业皮带有限公司 2025-01-09
基于流化床热解过程的煤炭分级转化分质利用技术的研究开发
煤现在是、将来仍是我国能源的主力。煤炭是中国最重要的能源,生产和消费的数量大、比重高,短期内难以替代。80%的煤炭通过直接燃烧利用,5 0%以上的煤炭为含水高、含灰高的低阶煤和劣质煤。煤炭粗放燃烧利用导致的污染严重。我国油气资源严重短缺,石油进口份额超过50%。基于我国能源资源结构,煤炭的热解或气化利用是弥补油气资源的不足的一条有效途径,包括国家战略安全。煤炭燃烧利用为主的结构短期内不会变,煤炭分级分质利用是煤炭重要发展方向。《能源发展战略行动计划(2014-2020)》,该行动计划明确指出:"提高煤炭清洁利用水平。制定和实施煤炭清洁高效利用规划,积极推进煤炭分级分质梯级利用。浙大团队通过多年研究开发实现了基于煤热解的分级转化分质利用技术路线。
浙江大学 2023-05-10
深过冷液体中的奇异输运的现象
液体玻璃化转变过程中的动力学行为一直是物理、化学、生物、和材料科学等诸多领域的热点研究问题之一,这不仅归结于玻璃材料在工程应用方面的潜在价值,还在于玻璃转变过程涉及很窄温度区间其动力学多达数十量级的极速变缓这一挑战性的基础科学难题。正如2003年诺贝尔物理学奖得主Sir Anthony Leggett在一次演讲中所提到的那样:“Glass: The Cinderella Problem of Condensed-matter Physics”。玻璃形成液体具有诸多简单液体所不具备的动力学特征,如动力学非e指数弛豫行为这一玻璃液体的典型特征之一。目前为止,无序非晶体系的研究还没有很好的理论框架和范式来理解和描述玻璃形成液体和玻璃态物质中的诸多异常行为,特别是在过冷液体淬火过程中,随着温度的降低系统的时空关联函数会从拉伸e指数衰减(stretched exponential decay)行为逐步转变为压缩e指数衰减(compressed exponentials)。玻璃态中后一种形式的衰减常常被认为与体系内部的内应力释放有关,但其微观机制确有待于进一步的考察。如图所示,在不同的波矢q所定义的空间尺度内,具有不同局域连接度的粒子表现出特异的输运性质。这些奇异的输运行为都可以跟某种特定的原子结构直接关联,它们本身特征的动力学与它们周围的介质相互作用、相互影响,造就了其特殊的输运方式。(tau~1/q2: normal diffusion; tau~1/q: ballistic-like motion.) 徐莉梅课题组以典型金属玻璃形成液体(Cu50Zr50)为模型体系,发现压缩e指数衰减的弛豫方式在降温过程中的玻璃形成液体中已经存在;而且,拉伸和压缩e指数衰减所对应的两种动力学弛豫模式在玻璃转变温度以上可以共存,并可跟某些特定的原子结构进行直接关联。这一研究表明过冷液体中原子的动力学异常输运方式与多空间尺度和具有非局域性质的结构序参量直接相关,从而建立了结构与复杂液体的动力学行为的关联,为研究金属玻璃所展现出的优良力学性质提供了新的思路和认识角度。
北京大学 2021-04-11
狄拉克半金属异质结构的输运
该工作通过直接堆叠成功制备了石墨烯-Cd 3 As 2 异质结构。电子态耦合导致显著的层间电荷转移,通过Cd 3 As 2 的堆叠能有效调节石墨烯的费米能级,使其变为n型掺杂。通过这种石墨烯-Cd 3 As 2 异质结构能自然地构造出石墨烯平面p-n-p结,其量子输运测量显示出分数值的量子化电导平台,这来源于量子霍尔态下边缘态输运在p-n结等界面的平衡。此外,与裸石墨烯器件相比,石墨烯-Cd 3 As 2 异质结构器件呈现出很大的非局域(non-local)信号,在调制后的石墨烯狄拉克点附近显示出大的非局域电阻,表明了增强的自旋极化电荷输运,这与Cd 3 As 2 自旋极化表面态和石墨烯间的电荷转移有关。该研究结果不仅丰富了范德瓦尔斯异质结构家族,也将激发更多的关于狄拉克半金属或外尔半金属在自旋电子学中应用的研究。
南方科技大学 2021-04-13
差示扫描量热仪
差示扫描量热仪是一种测量参比端与样品端的热流差与温度参数关系的热分析仪器,主要应用于测量物质加热或冷却过程中的各种特征参数:玻璃化转变温度Tg、氧化诱导期OIT、熔融温度、结晶温度、比热容及热焓等。
上海和晟仪器科技有限公司 2025-05-06
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