PDF《颗粒物质力学几个关键问题的思考 *》

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* 孙其诚1* * 王光谦1 胡凯衡2

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 2008-03 -14 收稿 , 2008-04 -15 收修改稿 * 国家自然科学基金( 批准号 : 40701014, 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 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 用而组成的复杂体系的平衡和运动规律及其应用的 科学 , 该体系中颗粒粒径 d >

1 μ m 、 间隙液体黏性 较低且饱和度 S

1 , 液固耦合作用明显, 颗粒间接触作 用被弱化 , 属于或气固( 或液固) 两相流体力学的研 究范畴, 其中较为简单的情况是间隙液体黏性较 大、且颗粒密度与液体密度相差无几 , 颗粒被悬 浮,可以很好地处理成单相流体 . 这几门学科的理 论发展水平差别很大 , 其中以统计力学最为完善 , 原因在于体系内部颗粒分布均匀, 易于简化和量 化;

而两相流内部存在非均匀细观结构, 对整体行 为有较大影响, 难以进行合理简化, 目前主要以适 用于个例的经验性公式为主.两相流体力学跨越传 统力学分类中的固体力学和流体力学, 尚未建立一 般性的理论框架.颗粒物质研究进展也非常缓慢 , 没能成为一门具有完善理论的力学分支, 一些基本 和关键问题还不清晰.比如, 即使不计颗粒间黏附 作用和液桥力的简单情况 , 仍无法解释颗粒物质的 屈服应力以及流动形态对剪切速率的强烈依赖性 . 如图

1 所示 , 颗粒物质力学在理想情况下几个比较 成熟的研究领域 , 比如准静态颗粒流动、 快速颗粒 流动[ 4] , 而对自然界和工业生产中常见的密集颗粒 流动, 一直没有合理的物理描述 ;

静态液桥力理论 比较成熟, 但动态液桥力的研究还是空白 .1991 年Nobel 物理学奖获得者 de Gennes [ 5] 认为 …in the field of grains and pow ders , w here almost every- thing is yet to be discovered …

1104 图1颗粒物质力学中成熟的模型或理论, 以及尚未解决的若干基础力学问题 我们认为颗粒物质涉及多自由度 、 多物理层次 机制和多尺度结构 , 必然是多尺度力学问题.针对 颗粒物质结构特点 , 合理划分尺度结构并考虑跨尺 度耦合作用, 是颗粒物质力学取得重要进展的突破 点, 也是我们课题组正在集中力量开展的工作 .基 于我们近

10 年对颗粒物质的研究, 结合国外研究 进展以及我国滑坡泥石流灾害防治等方面的迫切需 求, 本文对颗粒物质力学几个关键问题进行了思 考, 就颗粒接触力、 以力链为核心的多尺度力学和 泥石流