清華新聞網(wǎng)1月3日電 顆粒物質(zhì)的流動(dòng)是一種普遍的物理現(xiàn)象，與海底滑坡碎屑流、河流泥沙運(yùn)動(dòng)等自然過(guò)程以及深海礦物開(kāi)采、輸送等工業(yè)應(yīng)用密切相關(guān)。顆粒運(yùn)動(dòng)和湍流曾被《科學(xué)》（Science）期刊共同列為125個(gè)科學(xué)難題之一，特別是在多組分顆粒物質(zhì)的流動(dòng)過(guò)程中，形狀、粒徑、密度等物理性質(zhì)各異的顆粒會(huì)發(fā)生復(fù)雜的碰撞、分選、擁塞現(xiàn)象并與間隙流體相互作用，因此用現(xiàn)有顆粒流理論進(jìn)行描述具有較大難度。其中，顆粒在流動(dòng)過(guò)程中所受阻力的數(shù)學(xué)模型還存在很大的不確定性。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院景路助理教授及其合作者通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和理論分析，對(duì)單個(gè)顆粒在顆粒流內(nèi)部運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的阻力進(jìn)行了精細(xì)刻畫(huà)。該研究發(fā)現(xiàn)，顆粒流阻力與傳統(tǒng)流體力學(xué)中斯托克斯定律所描述的阻力非常相似，阻力系數(shù)和“顆粒雷諾數(shù)”之間存在簡(jiǎn)潔的反比關(guān)系，而且這一關(guān)系在五個(gè)數(shù)量級(jí)左右的顆粒雷諾數(shù)范圍內(nèi)成立。然而，與傳統(tǒng)斯托克斯定律不同的是，顆粒流阻力的前置系數(shù)不是常數(shù)，而是與顆粒粒徑比、密度比和流場(chǎng)慣性數(shù)等因素相關(guān)的函數(shù)，這也反映了顆粒流與粘性流體的主要差異：前者主要通過(guò)顆粒之間的碰撞和摩擦消耗能量，而后者則通過(guò)粘性作用消耗能量。此外，該研究還探討了不同顆粒在流動(dòng)過(guò)程中的粘性-慣性流態(tài)轉(zhuǎn)換、顆粒流阻力具體數(shù)學(xué)模型表達(dá)，以及該模型在復(fù)雜組分顆粒流分選過(guò)程模擬中的應(yīng)用。此前，景路及合作者已在相關(guān)研究中取得系列進(jìn)展，并逐步形成了一套較為完整的非均勻顆粒物質(zhì)流動(dòng)分選模型體系。
顆粒流三維數(shù)值模型剖面渲染圖
顆粒阻力計(jì)算結(jié)果
上述成果以“顆粒剪切流動(dòng)中的阻力：流態(tài)、標(biāo)度關(guān)系及其在顆粒分選中的應(yīng)用”（Drag force in granular shear flows: regimes, scaling laws and implications for segregation）為題發(fā)表在《流體力學(xué)期刊》（Journal of Fluid Mechanics）上。
論文第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院景路助理教授，通訊作者為美國(guó)西北大學(xué)機(jī)械工程系理查德·盧普托（Richard M. Lueptow）教授，合作者還包括美國(guó)西北大學(xué)胡里奧·奧提諾（Julio M. Ottino）教授和保羅·烏姆巴諾瓦爾（Paul B. Umbanhowar）教授。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2022.103338
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
