黏性沉积物的沉降：颗粒解析模拟

我们开发了一种基于浸没边界法的物理与计算模型，用于执行完全耦合的、颗粒解析的黏性沉积物直接数值模拟。该模型将黏聚力分布在每个颗粒周围的薄壳上，从而能够在颗粒-颗粒相互作用期间对黏聚力进行空间与时间上的解析。黏聚力的作用通过单一无量纲参数即黏聚数来刻画，其表示作用于颗粒上的黏聚力与重力的比值。我们针对 Drafting-Kissing-Tumbling（DKT）构型中的二颗粒相互作用测试并验证了该黏聚力模型。DKT 模拟表明，黏聚颗粒对在优先取向下沉降，尺寸差异很大的颗粒优先在竖直方向对齐，使较小颗粒被拖曳在较大颗粒的尾流中。为在更高复杂度系统中检验该机制，我们进行了从静止开始的 1,261 个多分散沉降颗粒的大型模拟。这些模拟重现了其他作者早先的若干实验观察，例如因颗粒黏结导致的砂与粉砂颗粒加速沉降。模拟表明，黏聚力加速整体沉降过程主要是因为较小颗粒附着于较大颗粒并在其尾流中沉降。在当前的黏聚数值下，我们观察到沉降可加速多达 29%。我们提出了基于物理的对早期作者提出的经典受阻沉降函数的参数化，以考虑黏聚力。对能量收支的研究表明，碰撞力做功可显著改变相关的能量转换过程。