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1、1104第18卷第10期2008年10月＊颗粒物质力学几个关键问题的思考1＊＊12孙其诚王光谦胡凯衡1.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京100084;2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,成都610041摘要颗粒物质是由大量离散固体颗粒相互作用而形成的复杂体系,其平衡和运动规律及其应用是颗粒物质力学的主要研究内容.颗粒物质具有广泛的应用背景和丰富的物理内涵,是工程应用和凝聚态物理研究较为活跃的学科,但是进展非常缓慢,目前很多基础问题尚不够清晰.结合作者近10年的研究工作,对颗粒接触力学的难点、接触力简化存在的问题予以
2、分析,并基于颗粒物质内部结构特点提出了以力链为核心的多尺度力学研究框架,最后对颗粒物质典型应用例子之一———泥石流运动基础研究提出新的见解.关键词颗粒物质泥石流多尺度力学力链接触力学离散元方法颗粒物质力学是研究大量离散固体颗粒相互作大、且颗粒密度与液体密度相差无几,颗粒被悬用而组成的复杂体系的平衡和运动规律及其应用的浮,可以很好地处理成单相流体.这几门学科的理科学,该体系中颗粒粒径d>1μm、间隙液体黏性论发展水平差别很大,其中以统计力学最为完善,较低且饱和度S<1,颗粒间以强耗散的接触摩擦为原因在于体系内部颗粒分布均匀,易于简化和量主,其热
3、运动忽略不计.颗粒物质广泛存在于自然化;而两相流内部存在非均匀细观结构,对整体行界,与人类日常生活密切相关,对颗粒物质的研究为有较大影响,难以进行合理简化,目前主要以适可广泛应用于工业上颗粒材料的加工和处理,能提用于个例的经验性公式为主.两相流体力学跨越传高对泥石流和山体滑坡等地质灾害形成—运动—致统力学分类中的固体力学和流体力学,尚未建立一[1]灾机理的认知和预防调控,因此颗粒物质力学规般性的理论框架.颗粒物质研究进展也非常缓慢,律的研究早在两个世纪前在工程应用领域和泥石没能成为一门具有完善理论的力学分支,一些基本流、滑坡等灾害治理中引起重
4、视.和关键问题还不清晰.比如,即使不计颗粒间黏附颗粒物质体系具有对外界微小作用的敏感性、作用和液桥力的简单情况,仍无法解释颗粒物质的非线性响应和自组织行为等基本特性,呈现出丰富屈服应力以及流动形态对剪切速率的强烈依赖性.的物理内涵,近10年来已成为力学和凝聚态物理如图1所示,颗粒物质力学在理想情况下几个比较[2,3]研究的重要前沿领域.颗粒物质力学的相邻学成熟的研究领域,比如准静态颗粒流动、快速颗粒[4]科为统计力学和两相流体力学,主要划分依据是d流动,而对自然界和工业生产中常见的密集颗粒和S的大小:当d<1μm时,颗粒热运动明显、颗流动,一
5、直没有合理的物理描述;静态液桥力理论粒间表面力与重力之比较大,属于统计力学研究范比较成熟,但动态液桥力的研究还是空白.1991年[5]畴;如果S>1,液固耦合作用明显,颗粒间接触作Nobel物理学奖获得者deGennes认为“…inthe用被弱化,属于或气固(或液固)两相流体力学的研fieldofgrainsandpowders,wherealmostevery-究范畴,其中较为简单的情况是间隙液体黏性较thingisyettobediscovered…”2008-03-14收稿,2008-04-15收修改稿＊国家自然科学基金(批准号:407
6、01014,50679032)和国家重点基础研究发展计划(批准号:2007CB714100)资助项目＊＊E-mail:qcsun@tsinghua.edu.cn第18卷第10期2008年10月1105的耦合,涉及黏附力和润滑力的分析计算等;我们认为解决方案应该是,采用Reynolds润滑理论确定刚性颗粒挤压流动和剪切错动时浆液的动态液桥力理论,得到压力分布、黏性阻力及阻力矩等,其中切向作用因非轴对称性有难度.浆液可初步尝试处理成宾汉体或幂律流体,具体参数由试验测定.其次,颗粒离散元方法逐渐成为研究颗粒物质[8]力学规律的有力工具.它根据颗粒间
7、接触变形计算作用力,依此更新每个颗粒的速度和位置,进而确定性地演化颗粒系统.该方法逐渐成为研究颗粒介质静态和动态现象、提取实验不可能获得的内部应力和运动信息的有效工具,其中颗粒接触力的计[9—11]算是颗粒离散元方法的核心.由于颗粒接触力计算极为繁杂,往往简化成类似阻尼弹簧振子机制图1颗粒物质力学中成熟的模型或理论,的软球模型[12],颗粒间接触本构简化为线弹性(见以及尚未解决的若干基础力学问题图2).而事实上,颗粒接触应力除了与颗粒材料的我们认为颗粒物质涉及多自由度、多物理层次内禀性能参数(比如杨氏弹性模量、poisson比等)机制和多尺度
8、结构,必然是多尺度力学问题.针对有关外,还随接触形变量而变化;在处理切向接触颗粒物质结构特点,合理划分尺度结构并考虑跨尺力时忽略了切向接触力对加载历史的依赖,必然造
