清華新聞網(wǎng)12月25日電 顆粒物質(zhì)的流動(dòng)現(xiàn)象與海底滑坡、碎屑流等自然災(zāi)害以及深海采礦等工業(yè)過(guò)程密切相關(guān)。不同于一般流體，顆粒流動(dòng)涉及大量微觀(guān)個(gè)體的摩擦、碰撞等復(fù)雜非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)作用，理論描述尚不完善。其中，光滑或粗糙壁面上顆粒流動(dòng)的準(zhǔn)確建模尚未得到有效解決。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院景路副教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)離散單元法數(shù)值模擬和顆粒流理論分析，對(duì)不同斜面粗糙度條件下的均勻穩(wěn)定顆粒流進(jìn)行了深入剖析。研究發(fā)現(xiàn)，只有底部粗糙度達(dá)到某個(gè)閾值以上時(shí)，顆粒流速度分布才符合經(jīng)典的拜格諾標(biāo)度率；斜面光滑或一般粗糙時(shí)，顆粒流底部會(huì)形成劇烈滑移和碰撞主導(dǎo)的稀疏邊界層，極大改變顆粒流的運(yùn)動(dòng)特性。
圖1.不同斜面粗糙度條件下的顆粒流邊界層
為了更好地預(yù)測(cè)斜面顆粒流的運(yùn)動(dòng)速度，研究團(tuán)隊(duì)細(xì)致刻畫(huà)了顆粒流底部邊界層的流場(chǎng)分布和壁面滑移速度，建立了能夠考慮任意邊界粗糙度的修正拜格諾公式及速度滑移律。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)對(duì)顆粒動(dòng)理學(xué)理論（kinetic theory）中的若干速度邊界條件模型進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)既有理論模型僅能一定程度上還原顆粒流邊界層滑移現(xiàn)象，其定量預(yù)測(cè)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足需求。
圖2.適用于光滑與粗糙壁面的底部滑移律
研究還發(fā)現(xiàn)，滑移條件下產(chǎn)生的稀疏邊界層并不滿(mǎn)足顆粒流局部流變關(guān)系，但可以基于動(dòng)理學(xué)理論的紊動(dòng)能守恒觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行解釋?zhuān)涸诜谴植谶吔缟?，切?yīng)力通過(guò)速度滑移做功，產(chǎn)生額外的紊動(dòng)能（顆粒溫度）并通過(guò)顆粒-顆粒和顆粒-壁面的非彈性碰撞進(jìn)行傳導(dǎo)和耗散；滑移速度的大小由紊動(dòng)能守恒決定，而邊界層內(nèi)的應(yīng)力和速度分布則基本符合顆粒動(dòng)理學(xué)理論預(yù)測(cè)。這一發(fā)現(xiàn)為更加定量地預(yù)測(cè)顆粒流運(yùn)動(dòng)提供了新的見(jiàn)解，有望促進(jìn)顆粒流理論的進(jìn)一步發(fā)展。
圖3.顆粒流邊界層流變關(guān)系與模型預(yù)測(cè)
研究成果以“光滑與粗糙斜面顆粒流底部邊界層：運(yùn)動(dòng)、滑移和流變”（Basal layer of granular flow down smooth and rough inclines: kinematics, slip laws and rheology）為題，于12月16日發(fā)表于《流體力學(xué)期刊》（Journal of Fluid Mechanics）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授景路為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院訪(fǎng)問(wèn)學(xué)生、香港大學(xué)2021級(jí)博士生王騰為論文第一作者。論文其他作者還包括香港大學(xué)教授郭頌怡、巴西利亞大學(xué)教授尤里·索布拉爾（Yuri Sobral）、荷蘭特溫特大學(xué)教授托馬斯·溫哈特（Thomas Weinhart）以及英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授安東尼·索頓（Anthony Thornton）。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10970
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
