倾斜槽道中颗粒流与有限宽度障碍物相互作用的流态跃迁机制研究

针对地质灾害防护结构设计优化需求，中国科学院研究人员采用离散元法(DEM)构建数值模型，系统研究了倾斜槽道内颗粒流与有限宽度障碍物相互作用的三类典型跃迁流态（扩散驻止跃迁、绕流跃迁等），揭示了来流弗劳德数(Froude number)和槽道倾角对沉积形态的关键调控作用，提出了基于相图的流态跃迁判据，为防护工程参数化设计提供理论支撑。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，滑坡、碎屑流等地质灾害频发，其中高速运动的颗粒流因冲击力强、传播距离远等特点，对下游基础设施构成严重威胁。传统防护结构如挡墙、柔性屏障等虽能有效拦截碎屑物质，但设计参数缺乏理论指导，往往存在防护效率低下或资源浪费等问题。颗粒流与障碍物相互作用时呈现的复杂流态跃迁现象，成为优化防护结构设计的核心科学问题。

中国科学院团队在《Powder Technology》发表的研究中，通过离散元法(Discrete Element Method, DEM)构建了与实验装置高度吻合的倾斜槽道数值模型，精确控制颗粒来流状态（速度、层厚、倾角），首次系统揭示了有限宽度障碍物作用下颗粒流的三类典型跃迁流态形成机制。研究采用动态颗粒插入技术生成持续加速流，结合高精度接触力学算法，实现了从单颗粒运动到宏观流态的多尺度解析。

典型跃迁流态特征
数值模型成功复现了实验中观察到的扩散驻止跃迁、绕流跃迁等三类流态。在扩散驻止跃迁态中，颗粒撞击障碍物后形成稳定沉积区（dead zone），后续颗粒持续绕过该区域运动。定量分析表明，沉积区形态主要受来流弗劳德数(Fr)控制，但当流量变化时需结合槽道倾角(θ)和流量(Q)构建三维相图才能准确预测流态转变。

沉积动力学机制
聚焦扩散驻止跃迁态发现，沉积过程可分为快速堆积、动态平衡两阶段。当系统达到力学稳态时，沉积区上游形成特征冲击波，其传播速度与来流动能呈正相关。通过参数化扫描证实，15°-25°倾角范围内易形成稳定驻止跃迁，而高流量(>500颗粒/秒)会导致沉积区失稳转为绕流态。

工程相图构建
研究创新性地提出了以θ-Q为坐标的流态相图，明确划分出绕流区、扩散驻止区和过渡区。相图显示当θ<15°时，即使高流量也难以形成稳定沉积；而θ>30°时，微小流量变化即可引发流态突变。该相图为防护结构的倾角设计提供了量化依据。

这项研究通过DEM数值模拟揭示了有限宽度障碍物与颗粒流相互作用的细观机制，建立的流态预测模型突破了传统封闭式挡墙理论的局限。提出的相图设计准则可直接应用于地质灾害防护工程的参数优化，特别是对狭缝坝、局部挡墙等非封闭结构的选址与几何设计具有重要指导价值。研究还为连续介质理论中的深度平均模型(Depth-averaged theory)提供了微观尺度验证，推动了颗粒物质力学与工程实践的深度融合。