密集流体-颗粒混合物中剪切应力的微观起源

采用数值模型模拟恒定法向应力下密集球悬浮液的流变仪实验。完整模型包含使用软接触方法的球-球接触、由润滑近似中力与力矩的框架不变表达式定义的短程流体动力相互作用，以及由 DEM-PFV 技术计算的孔隙力学耦合所产生的阻力。若干忽略部分耦合项的模拟系列突出了孔隙力学耦合在瞬态机制中的作用。它们还揭示，尽管文献中常被忽略，润滑力的剪切分量在体积变化中具有主导效应。另一方面，润滑力矩的效应则远不显著。体剪切应力被分解为接触应力与流体动力应力项，考察了它们对无量纲剪切率——即所谓的粘性数 $I_v$——的依赖性。两项贡献均为 $I_v$ 的增函数，接触贡献在低粘性数主导（$I_v<0.15$），而润滑贡献在 $I_v>0.15$ 时占优，这与其他作者推断的现象学定律一致。微观变量统计凸显了固体接触与流体动力相互作用之间复杂的相互影响。与一种流行观点相反，结果表明润滑未必会减少接触力对体剪切应力的贡献。所提模型具有通用性，可直接应用于孔隙压力反馈起关键作用的剪切浸没颗粒介质（雪崩触发、液化）。