泥石流颗粒分选机理和固液两相流动力学特性研究取得重要进展
来源: 中巴中心
时间: 2022-02-24
中巴中心领域研究员周公旦课题组在泥石流颗粒分选和固液两相流动力学特性研究上取得重要新进展。相关研究成果近日分别发表在地学和流体动力学国际知名期刊Journal of Geophysical Research: Solid earth、Physics of fluids、Physical Review Fluids。
泥石流(Debris flow)是一种由大量固体颗粒、大量水体介质和少量气体所组成的多相流体；受重力的驱动能够在沟谷中或者坡地上快速地流动，其流态往往是复杂多变的，且大多具有高速远程的特点。有别于一般的挟沙水流(sediment-laden flow)和泥流(mud flow)，泥石流能携带宽级配的固体颗粒物质；其中大量的泥沙和石块所组成的固相颗粒的分选(segregation)深刻的影响着泥石流的流动性以及泥石流对构筑物的冲击破坏作用，颗粒物质分选机理和效应是泥石流动力学的前沿研究课题。
尽管目前对于干颗粒流的分选机制已经得到长足发展，但由于泥石流中颗粒介质的级配更复杂，且颗粒介质往往是在非牛顿流体的裹挟下运动的，现有干颗粒流分选理论并不能很好的解释泥石流颗粒分选的现象。颗粒分选对泥石流的流态以及流动性的影响也还缺少相关的研究。着眼于该问题，周公旦课题组开展了大量的物理模型实验和流固耦合的数值模拟实验，系统分析不同流体密度和粘度对固液两相流（固相是密集双粒径颗粒流）颗粒分选的影响。初步发现了泥石流颗粒分选的临界条件，并从微观力学角度分析发现，流体通过降低颗粒流内部颗粒间接触应力梯度(contact stress gradients)和形成流核(plug zones)来减弱颗粒分选。研究建立了固液两相流广义的粘—惯性本构模型(generalized visco-inertial constitutive model)，可表征颗粒-流体混合物中的颗粒分选效应。提出了考虑流体作用的颗粒分选速率(segregation rate)和颗粒扩散(diffusion)速率方程（以斯托克斯数Stokes number、惯性数Inertial number为主导函数），并最终建立了可考虑颗粒-流体混合物粘性效应（颗粒分选速度和扩散速度）的固液两相流连续介质动力学新模型。
研究为明确泥石流颗粒分选机理和固液两相流的动力学特性、准确研判泥石流的运动路径和影响范围提供了重要的动力学模型。
论文发表（*通讯作者）：
Gordon G. D. Zhou, Kahlil Fredrick E. Cui*, L. Jing, D. Song, T. Zhao, Yu Huang (2020). Particle size segregation in granular mass flows with different ambient fluids. Journal of Geophysical Research: Solid earth. 125(10), e2020JB019536. https://doi.org/10.1029/2020JB019536
Kahlil Fredrick E. Cui, Gordon G. D. Zhou*, L. Jing (2021). Viscous effects on the particle size segregation in geophysical mass flows: insights from immersed granular shear flow simulations. Journal of Geophysical Research: Solid earth. 126(8), e2021JB022274.
Kahlil Fredrick E. Cui, Gordon G. D. Zhou*, L. Jing, X. Q. Chen, D. Song (2020). Generalized friction and dilatancy laws for immersed granular flows containing large and small particles. Physics of fluids, 32, 113312, doi: 10.1063/5.0024762
Kahlil Fredrick E. Cui, Gordon G. D. Zhou*, L. Jing (2022). Diffusion and segregation in immersed granular shear flows. Physical Review Fluids. 7(1): 004300. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.7.014305
不同流体环境下（空气、水、泥浆体），不同大小颗粒的分选速率随颗粒浓度的变化规律图
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