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水下重力流动力学与机制研究：基于CFD-DEM耦合方法的粘性液体-颗粒混合物分析

作者及机构
本研究由Chen Peng、Xingyue Li（通讯作者，邮箱xingyueli@tongji.edu.cn）和Yu Huang合作完成，作者均来自同济大学土木工程学院岩土工程系及土木工程防灾国家重点实验室。研究成果发表于《Bulletin of Engineering Geology and the Environment》2025年第84卷第451期，DOI为10.1007/s10064-025-04465-y。

学术背景
水下重力流（subaqueous gravity flows）是沉积物-水混合物在重力作用下沿斜坡运动的自然现象，广泛分布于湖泊、河口和海洋环境中。此类流动具有极高的破坏性，可能损毁海底电缆和管道（Jiang et al. 2018），甚至引发海啸（Strupler et al. 2018）。历史上，挪威Storegga海底滑坡（2400–3200 km³物质滑动）和加拿大Grand Banks滑坡（速度达60–100 km/h）均造成了重大灾害。然而，传统研究多将水下重力流简化为单一相（如纯颗粒或纯流体），忽略了其多相混合特性（颗粒-粘性液体-水的相互作用），导致数值模拟与真实灾害行为存在偏差。为此，本研究提出了一种基于计算流体动力学（CFD）与离散元法（DEM）耦合的新模型，旨在揭示粘性液体（以Herschel-Bulkley流体模拟）与颗粒混合物的流动动力学机制。

研究流程与方法
1. 模型构建与验证
- CFD模型校准：以Liu et al. (2020)的斜槽实验为基准，模拟高岭土-硅砂-水混合物的运动。采用Herschel-Bulkley（HB）流变模型（参数：屈服应力τ_c=5.031 Pa，稠度系数κ=29.303，流动指数n=0.149），通过体积分数法（VOF）追踪流体界面。模拟结果与实验数据在流动前沿演化（误差%）和形态特征上高度吻合（图2）。
- CFD-DEM耦合验证：复现Sun and Sakai (2015)的溃坝实验，模拟水-颗粒混合物（3883个单分散颗粒，直径2.7 mm）的坍塌过程。采用PISO算法求解Navier-Stokes方程，DEM中颗粒运动通过牛顿第二定律计算，耦合拖曳力（Di Felice模型）、压力梯度力和粘性力。结果显示无量纲前沿位移（w*/a*）与实验数据一致（图4）。

1. 实验设计

   • 研究对象：设计6组工况（表1），包括1组对照组（WP：纯水-颗粒）和5组实验组（C10P–C30P：10%–30%高岭土含量的HB流体-颗粒混合物）。颗粒参数固定（直径4.5 mm，密度2650 kg/m³，摩擦系数0.7），流体参数源自Haza et al. (2013)的实验数据（表2）。
     
   • 数值模拟：在倾斜5°的水槽（2.0×0.3×0.12 m³）中释放初始尺寸0.15×0.15×0.12 m³的混合物，通过CFD-DEM耦合模拟坍塌全过程。流体网格尺寸5 mm，时间步长CFD为5×10⁻⁵ s，DEM为1×10⁻⁵ s。
     

2. 数据分析

   • 运动学参数：量化流动前沿位移、沉积高度（h_f/h₀）、能量转化（动能/势能比）及无量纲数（如Froude数、Savage数）。
     
   • 相互作用力：提取颗粒-流体间水平/垂直方向作用力，分析其与相对速度的关联性。
     

主要结果
1. 流动行为差异
- 粘性液体效应：低粘土含量（10%–25%）的HB流体抑制颗粒运动（前沿位移较WP组减少15%–30%），而高含量（30%）因密度主导效应，后期促进颗粒运动（图8）。
- 能量转化：WP组早期势能高效转化为颗粒动能（转化率55.69%），而HB流体组能量耗散显著（C30P耗散占比64.53%），延迟了颗粒水平运动（图11）。

1. 机制解析

   • 垂向力主导：颗粒水平速度与垂向流体作用力强相关（R²=0.89），表明浮力减小颗粒摩擦是长距离运移的主因（图14–15）。
     
   • 无量纲规律：提出无量纲能量转化数t*=（max E_pkx/max E_pky）·(t_p/√h₀)^0.25，与运移距离呈线性关系（图13b），揭示了能量分配与时间尺度的协同控制作用。
     

2. 流态特征

   • Froude数（Fr）表明流动始终为重力主导的亚临界流；Savage数（Nsav<0.1）显示颗粒摩擦主导剪切（图16–17），且粘土含量越高，后期惯性效应越显著。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 首次量化了粘性液体-颗粒-水三相相互作用对水下重力流动力学的影响，弥补了传统单相或双相模型的局限性。
- 提出的CFD-DEM-HB耦合框架为多相流模拟提供了新范式，参数校准方法（如HB流体屈服应力与实验数据匹配）具有普适性。

1. 应用价值
   
   • 为海底滑坡灾害预警提供理论支持，例如通过粘土含量预测流动运移距离（如30%高岭土混合物运移距离较纯水组增加20%）。
     
   • 指导海底基础设施防护设计，如管线布局需考虑粘性流体导致的长期载荷效应。
     

研究亮点
1. 方法创新：首次将HB流体模型嵌入CFD-DEM框架，实现了颗粒-粘性液体-水三相耦合的精细模拟。
2. 机制发现：揭示了垂向流体作用力通过调节颗粒摩擦控制水平运动的“隐性”机制。
3. 跨学科融合：结合地质力学（剪切稀化流体）、流体力学（VOF界面捕捉）与颗粒动力学（DEM接触模型），推动了多尺度灾害研究的进展。

其他发现
- 补充实验表明，颗粒形状（非球形度>0.7）和基底粗糙度（摩擦系数>0.5）会进一步抑制流动，但粘土含量的影响仍占主导（见附件图S3）。

（注：实际报告中可补充图表引用说明，如“见图7a”等，此处因格式限制略去。）