密实颗粒流中摩擦诱导分选的微观机制与流动参数依赖性研究

本研究通过离散元方法(DEM)模拟揭示了密实颗粒流中不同表面摩擦系数颗粒的垂直分选机制。研究人员系统探究了摩擦比(μsmooth/μrough)、剪切速率、围压等参数对分选效率的影响，发现粗糙颗粒上浮、光滑颗粒下沉的现象源于颗粒温度、旋转速度等动力学不对称性。该成果为工业颗粒处理工艺优化和地质灾害模拟提供了理论依据。

　　

在自然界和工业生产中，颗粒物质的分选现象无处不在——从山体滑坡中不同性质碎屑的分离，到制药、食品加工等行业需要精确控制的颗粒混合过程。尽管颗粒按尺寸、密度的分选机制已被广泛研究，但表面摩擦差异导致的分选现象却长期缺乏系统认知。这种认知空白使得我们在处理诸如药物活性成分均匀混合、矿物精选等涉及表面摩擦差异的工业场景时，往往面临效率低下、产品质量不均等挑战。

中国科学院成都山地灾害与环境研究所的Kahlil F.E. Cui团队在《Powder Technology》发表的研究，通过离散元方法(DEM)这一能精确追踪每个颗粒运动状态的数值模拟技术，首次全面揭示了密实颗粒流中摩擦诱导分选的微观机制。研究发现，当高摩擦（粗糙）和低摩擦（光滑）颗粒混合时，粗糙颗粒会像"浮力球"般持续上浮，而光滑颗粒则如"流沙"般下沉。这种分选行为的强弱不仅取决于颗粒间摩擦系数的比值(μ_smooth/μ_rough)，更与剪切速率、围压等流动参数呈现复杂非线性关系。

研究采用LIGGGHTS开源软件进行平面剪切流模拟，运用Hertz接触模型（描述颗粒弹性接触的理论模型）处理颗粒相互作用。通过追踪1.5×10⁵个颗粒在周期性边界条件下的运动，系统分析了摩擦比(0.1-0.9)、剪切速率(0.1-1.0 s^-1)、无量纲压力(0.1-1.0)等参数的影响。

【Segregation process and its dependence on the interparticle friction】
研究发现分选程度Δ随摩擦比呈现非单调变化：当μ_smooth/μ_rough＜0.3时，分选效率对摩擦差异不敏感；在0.3-0.7区间内分选显著增强；超过0.7后由于动力学不对称性减弱，分选效率反而降低。这种"阈值效应"揭示了摩擦分选存在最优参数区间。

【Discussion: Mechanisms of friction-induced segregation】
微观机制分析表明，粗糙颗粒因接触力网络更稳定而获得更大升力，其旋转速度比光滑颗粒低30%-50%。光滑颗粒则因更高的颗粒温度（表征随机运动的参数）和扩散系数，更易穿过剪切产生的空隙下沉。这种动力学不对称性随摩擦比增大而减弱，导致分选效率下降。

【Conclusions】
该研究建立了首个包含摩擦比和流动参数的分选效率预测模型，指出在工业应用中可通过调节剪切速率（而非单纯改变材料）来控制分选程度。研究还发现当存在其他分选机制（如密度差）时，摩擦分选效应会被显著抑制，这对复合分选场景的工艺设计具有重要指导意义。

这项研究不仅填补了颗粒物质摩擦分选理论的空白，其建立的参数化模型更可直接应用于滑坡灾害预测和工业颗粒处理设备的优化设计。特别是提出的"动力学不对称性"概念，为理解其他类型颗粒分选现象提供了新的理论框架。