砂体中侵入器穿透气流化的机理研究

自行穿越砂体机器人可通过气流助助侵入以降低穿透阻力。然而，气流-颗粒相互作用的机理仍不清晰。为填补此知识空白，本研究采用耦合计算流体动力学与离散元法（CFD-DEM）的方法，辅以不同气流条件下的锥形侵入测试（CPT），探讨气化对侵入阻力的影响。实验结果显示，侵入阻力减少与深度呈非线性关系，阻力在临界深度以下可接近零，超过此深度后fluidization 效果下降。数值模拟表明，更高的气流速率可增强上层颗粒的运动，提高临界深度。对颗粒运动、接触力与流体压力场的细致的 尺度-分析揭示了四个 distinct 侵入阶段：颗粒喷出与通道形成、通道封闭、通道补注与最终压实。这些发现深化了对颗粒气化机理的理解，并对土力学、掘进技术以及自行侵入式机器人系统的开发具有启示。