颗粒物质的坍塌流动及其与流向内物体间的相互作用机制研究

Avalanches of granular materials are ubiquitous in various natural disasters and environmental problems, and these comlex flows accompanied with obvious energy dissipation are involved the interaction between disorder particles and boundaries, exhibiting rich instantaneous features and complex dynamics under different scales. The avalanches in granular material contain plenty of information about system parameters and instantaneous dynamics, and also is the origination of different flowing patterns. Based on the establishing experimental platform and corresponding discrete dynamical models, this project may mainly explore the physical mechanism of formation of flowing patterns in granular avalanches. Using a self-activated method to propose an integral formula between shear rate and corresponding stress distribution with a granular material, we would establish a two-phase nonlocal rheology model to describe its localized flowing behaviors. Finally, through measuring and analyzing the interaction of a stream of granular particles with a rigid retaining obstacle, we would develop an analytical hydrodynamic model based on depth-averaged momentum conservation to predict the time-varying force experienced by the obstacle by a granular avalanche. These basic research works carried out smoothly, not only revealing the formation and its evolving mechanism of different flowing patterns in granular avalanches, but also presenting some important theoretical foundations to judge the efficiency of different retaining structures and improve its design standard.

颗粒物质的坍塌流动在自然界和工程领域普遍存在，这种伴随有能量耗散的复杂流动过程通常会涉及大量离散类无序粒子与边界之间的相互作用，具有瞬态时变特性，且时空尺度差异巨大，在这其中，颗粒物质的坍塌过程包含了极为丰富的关于系统参数和瞬态动力学行为的信息，也是系统不同屈服流动模式产生的根源。本项目将基于实验、理论和数值模拟相结合的方法，研究不同剪切状态下颗粒物质坍塌过程的微细观动力学特征及其时空演化规律，分析不同坍塌流动模式的产生和演化机理；通过引入包含瞬态动力学行为和系统参数的坍塌特征信息，建立能描述颗粒系统不同流动模式的非局部流动理论模型；设计和搭建加载方式精确可控的斜面颗粒流实验平台及测量系统，研究密集坍塌颗粒流与流向内物体之间的相互作用机制。这些基础研究的开展，有望从本质上揭示离散类物质坍塌流动的形成和演化机理，同时可为不同环境下坍塌流动区防护结构的设计及工程优化提供重要的理论依据。

离散类颗粒物质的坍塌流动过程在自然界和工程领域非常普遍，这些复杂的流动现象会受到众多因素的影响，其坍塌流动模式复杂多样。当前对离散类颗粒物质坍塌流动的产生及演化机理、坍塌流动模式的预测以及坍塌流动层与流向内防护结构之间的相互作用过程的理论及实验研究相当薄弱，从而导致离散颗粒材料的坍塌流动行为的理论预测及防护结构的设计优化工作很难行之有效的开展。本项目主要针对上述问题开展实验和理论研究。首先，自行研制了角度和流量均可精确控制的斜面颗粒流动的实验平台及测量系统，实现了斜面颗粒流动特征及对流向内挡墙冲击作用等的实时测量，研究了不同坍塌流动模式及产生的物理机制，揭示了密集颗粒流与流向内物体之间的复杂相互作用过程。其次，自行设计和搭建了准二维颗粒柱坍塌实验平台和测量装置，测量了不同高宽比颗粒柱体的坍塌流动过程，分析了不同典型坍塌流动模式的产生机制及其影响因素。再次，建立了一套能模拟颗粒介质冲击屈服流动过程的离散动力学模型及相应的统计方法；系统研究了冲击颗粒与床面颗粒的密度比和粒径比对斜冲击颗粒介质的动力学行为的影响，同时定量分析了自激振动的物体在颗粒介质中运动时的阻力特征并建立了相应的阻力与运动速度的标度关系。最后，基于自激化思想，提出了一种新的斜面颗粒流流变模型，该模型可以准确预测斜面颗粒流屈服流动的临界条件及流动特征等。这些基础性问题的研究，不仅探索了当前众多自然灾害与环境问题中遇到的离散类颗粒物质不同坍塌流变模式及产生的物理机制，同时也揭示了密集颗粒流与流向内物体之间的复杂相互作用过程，这对定量评估不同环境下防护结构的效率并改进其工程设计标准是极为重要的。