利用颗粒解析模拟研究黏性粉砂颗粒的沉降动力学

黏性沉积物的沉降在水生环境中十分普遍。在沉降过程中，由于颗粒间黏聚力的作用，粉砂颗粒表现出不同于非黏性颗粒的行为。尽管公认黏性行为取决于沉积颗粒的特征（例如邦德数、粒径分布），但关于这些特征对黏性行为的具体影响却知之甚少。本工作中，采用CFD–DEM（计算流体动力学–离散元方法）对三维沉降过程进行了数值研究。考虑了颗粒间碰撞力、范德华力以及流-粒相互作用力。该数值模型用于基于文献中的实验设置模拟粉砂的受阻沉降过程。模拟所得结果，包括床层的结构密度、特征线和颗粒终端速度，与文献中的实验观测吻合良好。据作者所知，这是首次分别研究无量纲邦德数和颗粒多分散性对粉砂床结构密度的影响。结果表明，粉砂在沉降过程中的黏性行为归因于粉砂颗粒自身的黏聚以及颗粒的多分散性。为指导黏性粉砂沉积的宏观尺度建模，基于颗粒微观力学还给出了数值模拟中获得的碰撞频率函数。CFD–DEM的结果表明，在高固相体积分数下，二元碰撞理论高估了絮凝过程中的颗粒碰撞频率。