颗粒床中气流的蜿蜒不稳定性：自相似与流固二元性

蜿蜒不稳定性每个人都通过河流蜿蜒或沿挡风玻璃流下的雨水细流而熟悉。然而，尽管它可能启发非线性科学、流体力学和地球物理等各个领域的研究者解决其长期存在的问题，其物理理解仍不成熟。在此，我们进行了一项小规模实验，在薄颗粒床中产生气流，成功发现了一种蜿蜒状态，以及其他显著的流化状态，例如湍流状态。我们发现，当流速和颗粒床厚度这两个量被适当重正化后，不同颗粒类型的流动状态相图可普遍表示为它们的函数。我们进一步揭示，蜿蜒形状具有自相似性，正如蜿蜒河流中所显示的那样。实验发现由理论解释，并阐明了物理机制。该理论基于力平衡、最小耗散原理，以及对连续方程的线性不稳定性分析，该方程考虑了流体-固体二元性，即沿蜿蜒路径存在颗粒的流化区域与固化区域。本研究结果为包括工业流化床反应器在内的各个领域的有关问题提供了丰富的联系。