具有粗粒化处理的数字高程模型（DEM）：是否应该给予相同大小地块更多的关注？在因地块大小而导致的隔离现象中，如何弥合这一差距？

《Powder Technology》：DEM with Coarse Graining: Should with Same Size Parcel receive more attention? Bridging the gap in the case of size-driven segregation

离散元法（DEM）通过大颗粒替代小颗粒的粗粒化（CG）方法显著降低计算成本，但同尺寸包裹体（SSP）无法模拟尺寸驱动的分凝现象。本文提出一种新型局部模型，将多尺寸颗粒离散为不同类别的子颗粒，通过调整接触参数实现分凝模拟，并在流动渠道实验中验证其有效性，为大规模多相颗粒流快速仿真提供新方法。

　　在当前的工程与科学领域，颗粒材料的模拟与分析已成为研究复杂物理现象的重要手段。随着计算技术的发展，模拟颗粒流的计算方法也在不断演进。其中，离散元法（Discrete Element Method, DEM）因其能够精确捕捉颗粒之间的相互作用而受到广泛关注。然而，DEMs的高计算成本一直限制了其在大规模工业场景中的应用。为了克服这一瓶颈，科学家们提出了一种被称为粗粒化（Coarse Graining, CG）的方法，该方法通过将实际颗粒替换为更大尺度的颗粒（通常称为“包裹体”或“粗粒”）来简化计算过程。这种方法在模拟颗粒流时显著减少了颗粒数量，从而降低了计算资源的消耗，提高了模拟效率。

在所有CG方法中，同尺寸包裹体（Same Size Parcel, SSP）方法被认为是最具计算效率的一种。该方法通过统一所有颗粒的尺寸，使得模拟过程中的颗粒数量大幅减少，同时还能保持一定的物理真实性。然而，SSP方法在处理与颗粒尺寸相关的现象时存在局限性，例如颗粒分离（segregation）。颗粒分离是一种常见的现象，尤其是在颗粒尺寸差异较大的系统中，小颗粒由于受到重力和流体动力的影响，更容易在流动过程中发生聚集或分离。而SSP方法由于颗粒尺寸被统一，无法准确捕捉这种尺寸驱动的分离行为，从而限制了其在复杂颗粒系统中的应用。

针对这一问题，本文提出了一种新的局部模型，旨在通过CG-SSP方法在密集流动条件下模拟颗粒尺寸驱动的分离现象。该模型的核心思想是，在粗粒化过程中，每个包裹体内部仍然包含不同尺寸的颗粒，并且在接触过程中能够发生颗粒的交换。这种局部模型结合了粗粒化方法的高效性与颗粒尺寸效应的准确性，从而为大规模颗粒系统的模拟提供了新的可能性。初步的实验结果表明，该模型在模拟流动槽（flowing chute）等典型场景中表现出良好的性能，能够有效捕捉颗粒分离的趋势，并且计算效率显著高于传统的SSP方法。

颗粒分离现象在颗粒材料的流动过程中具有重要的工程意义。在大规模颗粒流动中，由于颗粒数量庞大，传统的DEMs方法往往难以在合理的时间内完成模拟。因此，CG方法成为一种重要的替代方案。然而，CG方法在模拟过程中引入了尺度效应，即模拟结果会受到粗粒化比例的影响。为了弥补这一缺陷，SSP方法通过统一颗粒尺寸，使得模拟更加高效。但正如前文所述，SSP方法在处理尺寸驱动现象时存在不足，尤其是在颗粒尺寸差异较大的系统中，无法准确反映颗粒分离的机制。

本文提出的局部模型在一定程度上解决了这一问题。该模型通过引入颗粒之间的相互作用机制，使得在粗粒化过程中，颗粒的尺寸差异仍然能够被捕捉到。具体而言，每个包裹体内部包含不同尺寸的颗粒，其尺寸分布与原始颗粒的尺寸分布保持一致。在模拟过程中，包裹体之间的接触不仅影响其运动轨迹，还可能引发颗粒的交换。这种交换机制是基于一种连续模型的分离理论进行调整的，从而使得局部模型能够更好地反映颗粒尺寸对流动行为的影响。

在流动槽的模拟中，颗粒分离现象尤为明显。流动槽是一种常见的颗粒流动实验装置，颗粒在倾斜的槽面上流动，受到重力和流体动力的共同作用。在这种条件下，小颗粒由于更轻，更容易沿着槽面的主方向流动，而大颗粒则由于质量较大，更倾向于形成稳定的接触结构，从而在流动过程中表现出不同的行为。这种现象被称为“渗透”（percolation），即小颗粒能够渗透到大颗粒之间形成的空隙中，从而导致颗粒的分离。然而，传统的CG-SSP方法由于颗粒尺寸被统一，无法准确捕捉这种渗透现象，进而影响了模拟的准确性。

本文提出的局部模型在模拟过程中能够捕捉这种渗透效应，从而更真实地反映颗粒在流动槽中的分离行为。通过将不同尺寸的颗粒包含在包裹体中，并允许包裹体之间发生颗粒交换，该模型能够在减少计算量的同时，保留颗粒尺寸对流动行为的影响。初步的模拟结果显示，该模型在模拟流动槽时能够有效预测颗粒的分离趋势，并且计算效率显著提高。这表明，该模型在处理大规模颗粒系统时具有较大的潜力。

颗粒分离的模拟不仅对工程应用具有重要意义，也对理解颗粒材料的微观行为提供了新的视角。在实际工业场景中，颗粒材料的流动往往涉及复杂的相互作用，包括颗粒之间的碰撞、摩擦、以及颗粒与流体之间的相互作用。这些相互作用不仅影响颗粒的运动轨迹，还可能引发颗粒的分离或聚集。因此，准确模拟颗粒分离对于优化工业流程、提高设备效率以及减少材料损失具有重要的价值。

在当前的模拟方法中，许多研究者尝试通过理论模型来描述颗粒分离的机制。这些模型通常基于连续介质力学的框架，通过引入浓度梯度、剪切速率等变量来描述颗粒的运动。然而，这些模型在处理颗粒尺寸效应时存在一定的局限性，因为它们无法准确捕捉颗粒之间的微观相互作用。此外，连续模型通常需要网格离散化，这在某些情况下可能会影响模拟的精度。

本文提出的局部模型则通过引入颗粒之间的相互作用机制，使得在粗粒化过程中，颗粒的尺寸差异仍然能够被捕捉到。这种方法结合了CG方法的高效性与DEM方法的精确性，为大规模颗粒系统的模拟提供了一种新的思路。通过将不同尺寸的颗粒包含在包裹体中，并允许包裹体之间发生颗粒交换，该模型能够在减少计算量的同时，保留颗粒尺寸对流动行为的影响。

在实际应用中，颗粒分离的模拟不仅需要考虑颗粒的尺寸差异，还需要考虑颗粒的形状、密度以及流动条件等因素。这些因素都会影响颗粒在流动过程中的行为，进而影响分离的效果。因此，本文提出的局部模型在设计时充分考虑了这些因素，使得模拟结果更加贴近实际。

综上所述，本文提出的局部模型在模拟颗粒尺寸驱动的分离现象方面具有重要的意义。该模型通过结合CG方法的高效性与DEM方法的精确性，为大规模颗粒系统的模拟提供了一种新的解决方案。初步的模拟结果表明，该模型在处理流动槽等典型场景时表现出良好的性能，能够有效捕捉颗粒分离的趋势，并且计算效率显著提高。这一研究成果为未来颗粒材料的模拟与分析提供了新的方向，具有广阔的应用前景。