楔形料斗中的稳态气泡形成与空腔坍塌

沙漏是众人熟知的设备之一，却展现出颗粒材料特有的有趣行为，许多问题尚待探索。本研究考察了一种特殊沙漏形式——即楔形料斗——中，当悬浮颗粒层稳定到一定程度时落沙的动力学。结果发现了气泡与空腔两种显著不同的动力学状态。在气泡状态中，近乎等大的气泡以规则时间间隔在沙中产生。在空腔状态中，空腔随着沙粒下落而生长，直至突然坍塌。此处发现的气泡现象可见度之高从未在物理文献中讨论过，而空腔状态是一种新相，既非连续、间歇也非完全堵塞相。我们阐明了气泡与空腔状态所需的物理条件，并通过考虑悬浮颗粒层的稳定性与料斗出口处颗粒流的堵塞，建立了简单理论成功解释观测现象。气泡与空腔状态或有助于流体与颗粒材料的混合。