深圳国际研究生院景路团队合作在颗粒流尺度效应研究中取得新进展
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清华新闻网5月11日电 滑坡、岩崩和泥石流等自然灾害涉及地表颗粒物质的快速流动过程，其超强流动性历来是颗粒流、环境流体力学与地球科学领域关注的共性问题。已有研究表明，即使在理想干燥环境下，颗粒流的运动能力也会随着系统尺度的增大而明显增强。研究这种颗粒材料自身的“有限尺寸效应”，是理解相关地表过程以及其致灾机理的基础。
图1.颗粒流尺度效应及研究工况设置
近日，清华大学深圳国际研究生院景路副教授团队与合作者利用离散单元法数值模拟和室内试验、野外观测数据的综合分析，系统研究了多种经典颗粒柱坍塌场景下的有限尺寸效应。研究发现，随着颗粒系统相对尺度增大，颗粒体系的速度涨落会受到抑制，低速持续运动的蠕动区域明显扩大。这种发生在表观临界流动阈值以下的缓慢蠕动，一定程度上使得更大尺度的颗粒系统保持更为持续的运动，从而表现出更高的整体流动性和运动距离。
图2.有限尺寸效应下的颗粒流动状态分区
进一步的流变学分析表明，传统颗粒流局部流变关系虽然能够描述中、高惯性区的流动行为，但在低惯性、接近准静态的蠕动区域会出现明显偏离，难以捕捉系统尺度变化带来的非局部效应。为此，研究团队借鉴近期均匀稳定流研究提出的幂律型流变模型，引入表征颗粒速度涨落的“颗粒温度”参数，发现在当前的非稳态问题中，有效摩擦系数与颗粒温度所构成的幂律关系仍然成立，并以此实现了不同坡度、柱体高宽比和底部粗糙度等条件下颗粒流尺度效应的统一描述。
图3.统一流变本构描述
研究揭示了室内试验、数值模拟和野外观测中常见的颗粒流尺寸效应的流变学原理，为试验尺度的颗粒流研究向原型尺度的连续介质模拟推广提供了理论依据。未来应考虑更为复杂的场景，包括颗粒级配与形状、环境流体、床面侵蚀等因素对颗粒流动过程的影响，最终从动力学模拟的角度提升自然灾害预测和防控能力。
研究成果以“体积如何增强地球物理颗粒流流动性：统一流变学观点”（How Volume Increases the Mobility of Geophysical Granular Flow: A Unified Rheological Perspective）为题，于4月22日发表于《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）。
清华大学深圳国际研究生院副教授景路为论文通讯作者，同济大学土木工程学院教授彭铭为论文第一作者。其他作者包括清华大学深圳国际研究生院访问学生、同济大学2022级博士生夏嘉诚，中国科学院成都山地灾害与环境研究所研究员周公旦，香港科技大学教授张利民，同济大学教授陈建峰。研究得到国家自然科学基金等项目的资助。
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