粘性颗粒介质阻塞-流动状态的相变机制及其力学行为分析

粘性颗粒介质在阻塞-流动状态间的相变现象广泛存在于自然界和诸多工程领域，其发生机制是颗粒物质力学及诸多学科研究中一个非常关键的科学问题。目前相关研究多是从物理学现象出发得到的唯象描述和理论，而很少考虑相变过程中系统的微-宏观力学行为，因此很难从本质上揭示相变发生的内在机制。本项目将通过建立不同饱和度下粘性颗粒介质的多尺度计算模型，研究不同颗粒体系内阻塞-流动的相变过程；通过参数化处理提炼影响系统相变的具有普适性的本征参数，进一步确定相变发生的临界条件；分析不同尺度下各物理量及力学量的变化规律来揭示系统相变发生的机制；最后结合数值模拟和实验测量结果，建立不同相态下便于工程应用的粘性颗粒介质的唯象本构模型。通过本项目研究的开展，不仅可以丰富和充实颗粒介质力学的相关理论，也可为西部地区频繁发生的自然灾害如山体滑坡、泥石流、岩崩、雪崩、沙波纹和沙丘的迁移等的起动及预控提供必要的理论依据和分析方法。

颗粒介质的阻塞相变现象广泛存在于自然界和诸多工程领域，其发生机制是颗粒物质力学、物理学等诸多学科研究中一个非常关键的科学问题。目前相关研究多是从现象出发抽象得到的唯象描述和理论，而很少考虑相变过程中系统的微-宏观力学行为，因此很难从本质上揭示相变发生的内在机制。本项目针对此问题，根据颗粒介质内微观粒子间的接触力模型及作用方式，利用非平衡态统计力学等方法，建立了能分析颗粒介质力学行为特征的多尺度计算方法，并将此计算和统计方法成功应用于本实验室的粒-床碰撞、沙丘场演化过程的模拟等风沙环境力学问题中；同时也通过考虑颗粒间的粘结效应，将此方法拓展到研究超导股线横截面内的力学行为分析中，建立了一种考虑股线两级绞扭效应的多级离散元模型。针对环形剪切颗粒流，发现系统存在一个从流动到阻塞的连续相变过程，利用参数化方法得到了系统的临界体积分数，并进一步分析了其与剪切速率的依赖关系；通过分析系统内粒子间接触力的分布特征，发现系统发生相变的过程中，接触力的分布特征会发生定性变化，且系统阻塞相变过程和其内的细观接触力链的空间构型直接相关，系统内粒子也会表现出明显不同的自扩散特征。系统研究了处于阻塞态的颗粒介质在斜冲击下的动力学过程，定量分析了冲击深度、冲击时间与初始冲击速度之间的标度关系；通过对微观粒子间的接触力的统计分析，提出了一个能准确描述冲击粒子在颗粒介质运动过程中所受阻力的唯象力模型。此外，考虑了颗粒旋转对斜冲击后动力学行为的影响，发现冲击颗粒的旋转角速度对冲击深度的影响具有明显的临界性，且此临界角速度主要受冲击速度和冲击角度的影响；在提出区分冲击颗粒三种不同运动形式判定标准的基础上，给出了能表征颗粒运动形式的反弹与侵入临界角度与冲击速度及系统参数的定量关系。最后，基于应力波活化过程的思想，通过考虑颗粒介质中某个位置的重新排列引起的应力波动使得其它位置处颗粒的运动，在此理论框架内改进了颗粒介质中应力波动幅值的概率密度分布的具体形式，同时考虑剪切速率与应力分布的积分关系在迭代计算中剪切速率与体积分数的耦合作用，提出了一种能准确描述密集颗粒系统发生阻塞流动过程的非局部流变模型。这些研究工作的开展不仅使我们对离散颗粒系统的阻塞相变过程及相应的力学特性有了更加深入的了解，同时也提供了一种用力学分析和统计的方法处理颗粒介质这类离散类复杂系统时的有效途径。