综述：流动诱导侵蚀过程建模研究进展

本文全面评述了流动诱导侵蚀（Flow-induced erosion）的建模方法，重点探讨了颗粒输运机制、流固相互作用（CFD-DEM耦合）及不同流态转换过程。文章系统区分了粘性/非粘性材料的表面侵蚀（Surface erosion）与体侵蚀（Mass erosion），解析了剪切应力（τc）、颗粒尺寸（D）等关键参数对侵蚀速率（E?）的影响，并对比了实验与数值模拟方法（如PR-DNS）的优劣，为工程防护策略提供了多尺度建模新思路。

　　

流动诱导侵蚀过程的多尺度建模探索

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   引言

   侵蚀现象广泛存在于自然环境与工业系统中，从河流地貌演变到工业反应器内壁磨损均受其影响。最新研究表明，当流体剪切应力（τ）超过材料临界阈值（τ_c）时，粘性材料中的电化学键会被破坏，引发颗粒剥离。与经典固体颗粒冲击理论不同，本综述聚焦流体主导的侵蚀机制，特别是通过计算流体力学（CFD）与离散元法（DEM）耦合模拟揭示的流固相互作用规律。

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   侵蚀类型与材料特性

   2.1 粘性与非粘性材料差异

   粘性材料（如黏土、耐火陶瓷）因分子间作用力呈现独特侵蚀行为。实验显示，当剪切应力较低时发生表面侵蚀（单颗粒剥离），而高应力条件下转为体侵蚀（团簇剥离）。非粘性颗粒的侵蚀则主要受粒径（D）、形状因子（如球形度）等物理特性支配。

2.2 关键参数影响

Shields曲线（θ_c = f(Re)）揭示了颗粒雷诺数（Re^* = u_cD/ν）与临界剪切应力的非线性关系。对于粘性材料，屈服应力（τ_y）和干密度（ρ_dry）成为决定性因素，如τ_c = 0.015(ρ_s-1000)^0.73等经验公式所示。

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   数值模拟突破

   3.1 多尺度建模方法

   粒子解析直接数值模拟（PR-DNS）能精确捕捉单个颗粒周围的流场细节（图9），而非解析CFD-DEM通过曳力模型（如Di Felice模型）实现大规模计算。新兴的半解析方法采用核函数修正空隙率，在精度与效率间取得平衡。

3.2 湍流影响机制

大涡模拟（LES-DEM）揭示湍流猝发事件（如喷射ejection与扫掠sweep）贡献了80%以上的颗粒悬浮通量。在桥墩冲刷案例中，马蹄涡系统被证实是引发侵蚀的主导因素。

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   挑战与展望

   当前模型对生物膜稳定作用、多组分混合物（如砂-黏土体系）的模拟仍存在局限。未来研究需结合机器学习优化跨尺度参数传递，并开发适用于非球形颗粒的改进曳力定律。数字孪生技术有望实现侵蚀过程的实时预测，为堤坝安全评估提供新工具。

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   结论

   综合实验与模拟表明，粘性材料的侵蚀抵抗能力与孔隙水化学性质（pH、SAR）显著相关。通过整合μ(I)流变学理论与Hamaker常数（A_H）表征的范德华力，新一代侵蚀模型正朝着高保真度、多物理场耦合方向演进。