通过耦合CFD-DEM-VOF方法预测浸没冲击射流对粘性沉积物的侵蚀作用

《Journal of Hydraulic Research》：Predicting erosion of cohesive sediment by submerged impinging jets through coupling CFD-DEM-VOF method

水下喷射引起的粘性泥沙冲刷机理研究中，基于耦合CFD-DEM模型，创新性地将凝聚颗粒模型与体积流体跟踪方法相结合，通过量纲分析提出包含颗粒间凝聚强度 Ec? 的侵蚀参数表达式，并建立 Ec? 与冲刷坑形态参数（深度、长度、宽度、坡度）的线性关系，同时推导出抗侵蚀系数 Ks 与 Ec? 的指数关联方程，为工程实践提供泥沙凝聚力评估方法。

　　

摘要

在长期固结过程中，凝聚力将沉积物颗粒粘合在一起，从而增强了河床的抗侵蚀能力。为了构建一个用于模拟水下射流引起的凝聚性沉积物冲刷的数值模型，本研究将凝聚力粘结模型和流体体积追踪方法结合到耦合的CFD-DEM模型中。通过实验测试验证了该模型的高精度和稳定性。水下射流的剪切作用破坏了颗粒之间的粘结力，导致大颗粒群被输送到下游，防止它们堆积成沙丘。提出了一种改进的侵蚀参数$\left(E_c^{?}\right)$，该参数考虑了颗粒间的凝聚力强度，用于通过量纲分析来表征凝聚性沉积物的侵蚀过程。后续分析表明，$E_c^{?}$与冲刷坑的所有形态参数（包括深度、长度、宽度和坡度）之间存在线性相关性。此外，还建立了经验方程中的抗侵蚀系数$K_{}$与$E_c^{?}$之间的指数关系，以便在工程实践中评估沉积物的凝聚力强度。