综述：多相介质演变超重力实验

超重力实验利用了超重力环境下多相介质体力强化与相间相对运动增强的效应开展科学实验研究，为研究多相介质演变开辟了新途径，也为解决工程问题提供了革命性手段。目前超重力实验研究分散在材料科学、地质科学、岩土工程等不同的学科，由于不同研究领域之间的知识壁垒，导致离心机及机载实验装置研发、超重力物质运动规律理论研究等方面滞后于超重力实验的应用，阻碍了超重力实验的进一步发展。

近日，浙江大学陈云敏院士团队在SCIENCE CHINA Technological Sciences发表了题为“Hypergravity experiments on multiphase media evolution”的综述论文，对分散在不同学科与研究领域的超重力实验科学基本原理与应用进行了系统性综述和展望。

地球表面和上地壳中所有物质都受到重力作用。地球表面的重力场是常重力场，用重力加速度g表达其强度，当重力场强度大于g时为超重力场。人类一直渴望利用超重力探索自然界物质运动规律。重力场强度的提高增大了相物质体力，与常重力条件下自重应力分布相比，超重力作用下多相介质自重应力及其梯度都明显增大；另一方面，超重力提高了浮力因子∆ρNg，导致相物质间相对运动驱动力增加，加速了不同相物质的分离。超重力实验正是利用了超重力环境下多相介质体力强化与相间相对运动增强的效应开展科学实验研究。离心机是在地球上营造稳定超重力场的有效手段（图1），离心机实验舱内搭载振动台、高压釜、高温高压腔等机载装置产生力学激励、高压、高温等极端环境（图2），实现超重力场与多物理场叠加，从而开展离心超重力实验，为研究多相介质演变开辟了新途径，也为解决工程问题提供了革命性手段。

图1 浙江大学ZJU400离心机 (动画)

         图2 离心超重力实验

然而，随着超重力强度的不断提高，相物质相对运动会进一步强化，相物质运动方式会发生改变，产生非线性超重力效应（图3），这些非线性超重力效应对于超重力实验多相介质演变定量评价带来了新的科学挑战。

图3 多相介质超重力演变非线性效应

离心机高速旋转，在实验舱内产生的离心加速度场用于模拟超重力场。离心超重力场与理想超重力场存在差异，实验舱内物质运动除了受到离心力，还有科氏力的作用。为了减少科氏力的影响，提升超重力实验的能力和精度，必须增大离心机旋转半径、容量和离心加速度，对离心机装置的设计和建造带来了巨大挑战。

离心超重力实验通过强化多相介质演变，为人类探索物质运动规律、观测大时空尺度自然现象，如高性能合金材料制备、大尺度岩土体/地质体演变物理模拟等，提供了革命性的实验手段。但是目前超重力实验在温度场/压力场可控可调实验装置、大尺度岩土体灾变物理模拟方法、地质构造变形异质模型材料优化配置等方面仍面临挑战。本文对分散在不同学科与研究领域的超重力实验科学基本原理与应用进行了综述，为超重力实验装备研制和多相介质超重力演变理论研究指明了方向。

浙江大学陈云敏院士为该文章的第一作者，唐耀副教授为通讯作者。

此项目得到了国家自然科学基金基础科学中心项目(51988101)和国家重大科技基础设施超重力离心模拟与实验装置(CHIEF)的支持。

转自：“中国科学杂志社”微信公众号

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