基于DEM-RANS数值模拟的行星沉积物输运标度律

我们使用一个成熟的基于离散元法（DEM）和雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的数值模型，模拟了跨越近七个数量级的粒子-流体密度比$s$条件下的非悬浮沉积物输运，范围从水下输运（$s=2.65$）到冥王星高度稀薄大气中的风成输运（$s=10^7$），而以往基于DEM的沉积物输运研究未超过地球风成条件（$s\approx2000$）。在这些模拟和实验的指导下，我们半经验地推导出平衡风成输运的停止阈值和输运率的简单标度律，两者都表现出相当不寻常的$s^{1/3}$依赖性。它们构成了预测大范围行星条件下风成过程的简单方法。该推导包含一个基于第一性原理的证明，即在相对温和的假设下，停止阈值物理仅由一个无量纲控制参数控制，而不是量纲分析预期的两个。至关重要的是，与现有模型不同，该证明没有诉诸对床面以上风成输运层的颗粒相进行粗粒化。在现有模型中，只有Pähtz等人（\textit{J. Geophys. Res. Earth. Surf.}~126, e2020JF005859, 2021）的模型与数值和实验数据的综合结果有一定程度的一致性。它捕捉到了停止阈值的标度律和输运率的$s^{1/3}$依赖性，但未能捕捉到后者叠加的粒径依赖性。这暗示了对输运率物理理解的不足，并呼吁未来对此问题进行进一步研究。