动态X射线成像技术首次揭示颗粒介质中三维二次流动的实验证据

本研究通过创新性动态X射线成像技术，首次在连续流动的颗粒介质中直接观测到二次流动(secondary flows)现象。研究人员构建传送带驱动的颗粒推挤实验装置，结合双视角X射线透视(X-ray radiography)和离散元模拟(DEM)，揭示了颗粒堆内部存在的涡旋和对流滚结构(convection rolls)，其速度幅值比主流动低一个数量级。该突破解决了颗粒介质不透明导致的内部流动观测难题，为工业输送和地质灾害等涉及颗粒-障碍物相互作用的场景提供重要理论基础。

　　

在自然界和工业生产中，颗粒物质的行为总是充满惊喜——从沙丘的奇妙纹路到谷仓突然的崩塌，这些现象背后都隐藏着颗粒介质复杂的流动规律。尤其当颗粒流遇到障碍物时，表面看似简单的堆积变形下，往往暗藏着不为人知的内部运动机制。长期以来，科学家们推测这类系统中存在"二次流动"(secondary flows)，即与主流方向正交的涡旋运动，但受限于颗粒介质的不透明特性，这种三维流动结构始终如同"黑箱"，只能通过数值模拟或表面观测间接推断。Andres Escobar团队在《Nature Communications》发表的这项研究，终于用创新的成像技术揭开了这个谜团。

研究团队采用双视角动态X射线成像系统，结合离散元方法(DEM)模拟，对传送带驱动的颗粒堆进行三维观测。关键技术包括：1）搭建具有正交X射线源/探测器对的实验装置，实现流动颗粒的实时透视；2）开发新型X射线图像重建算法，首次获得流动颗粒介质的三维表面形貌；3）应用X射线流变成像技术(X-ray rheography)解析内部三维速度场；4）通过DEM模拟验证实验发现，揭示二次流动的力学机制。

【Experimental 3D surface elevation profiles】

通过创新的双视角X射线重建方法，研究人员首次获得流动颗粒堆的三维表面形貌。令人惊讶的是，看似均匀的颗粒堆在起始位置存在明显凹陷，这种非均匀变形暗示着内部可能存在复杂的二次流动机制。

【Secondary flows in DEM simulations】

离散元模拟清晰展示了横向速度分量U_y形成的涡旋结构：在颗粒堆起始凹陷处，颗粒从侧壁向中心汇聚上升，速度幅值比传送带速度U_b低一个数量级；而在流动前段和后段，则呈现较弱的反向滚流。

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【3D velocity field from x-ray rheography】

X射线流变成像技术成功重建出主流动方向速度场U_x，发现颗粒堆底部存在接近传送带速度的剪切层，而上部颗粒几乎静止。DEM模拟完美复现了这一特征，证实二次流动不会显著影响主流方向。

【Experimental confirmation of secondary flows through the depth of granular media】

通过深度平均速度场分析，实验直接观测到颗粒从侧壁向中心汇聚的二次流动（速度约0.1U_b），当表面凹陷消失时流动方向反转。侧视观测则显示颗粒堆起始位置存在明显的上升流，出口壁面附近则有向下流动。

这项研究首次实验证实了连续流动颗粒介质中三维二次流的存在，解决了该领域长期存在的观测技术瓶颈。创新性的X射线方法突破了传统CT需要暂停流动的局限，为研究非晶态材料（如乳液、胶体）的流变学提供了新范式。发现二次流动与侧壁约束的密切关联，为工业输送设备优化和地质灾害防治提供了重要理论基础——当颗粒流遇到障碍物时，设计者需要额外考虑这些"隐藏的涡流"带来的影响。该研究将推动从"推测"到"观测"的范式转变，为复杂颗粒系统研究开辟了新途径。