颗粒介质中水力梯度与黏聚性细颗粒迁移对堵塞动力学的影响：一种耦合CFD-DEM分析

《Powder Technology》：The interplay of hydraulic gradients and migration of cohesive fines on clogging dynamics in a granular medium: a coupled CFD-DEM analysis

　　

研究人员采用CFD-DEM（Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method，计算流体力学-离散单元法）对黏聚性细颗粒（cohesive fines）在颗粒介质中的迁移与堵塞行为进行了建模。细颗粒入渗过程经历三个特征阶段。黏聚力促进细颗粒团聚并形成稳定接触网络（contact networks）。水力荷载会破坏力链（force chains）并增强颗粒流动性。粗颗粒介质中细颗粒的沉积、再悬浮、团聚与堵塞，由颗粒间接触/黏聚力与流体水动力之间的竞争机制控制。黏聚系统中细粒-细粒吸引力增强团聚和颗粒桥连，增大迁移团簇有效尺寸，占据相邻孔喉；持续沉积和/或团聚形成可抵抗水力剥蚀的承载接触网络，从而降低孔隙连通性、增加流线弯曲度并降低水力传导系数（hydraulic conductivity）。已有数值研究多忽略黏聚力或采用恒定水力条件，未能刻画时变水力与颗粒间黏聚力的耦合作用。该工作系统揭示了黏聚与水力耦合作用下细颗粒迁移和堵塞的微宏观机制，为土体滤层、渗透反应墙（PRB, Permeable Reactive Barrier）、竖向排水体等工程多孔介质的堵塞防控提供了机理依据。

《Powder Technology》刊发的该文围绕颗粒介质中黏聚性细颗粒迁移与堵塞这一岩土与环境工程共性难题展开。物理堵塞在工程中占比超过50%，土体滤层、PRB、竖向排水体、渗滤液收集系统及铁路道砟等场景均会出现因悬浮细颗粒积累导致的渗透性衰减。既有实验虽能刻画渗透系数下降，但孔尺度机制不清；X射线断层与PIV/PTV等可视化手段成本高且有误差；CFD-DEM相较LBM-DEM计算效率更高，但既往CFD-DEM研究常忽略细粒土中占主导的颗粒间黏聚力，并多采用恒定水力条件，鲜有考虑时变水力与黏聚力竞争。因此，研究人员开展耦合黏聚与水力作用的细颗粒入渗堵塞研究，以弥补“黏聚力—水力因子”交互机制研究不足。该研究对理解内部侵蚀前兆、优化过滤层设计具有重要工程意义。

作者为开展研究采用三个主要关键技术方法：一是采用Hertz接触理论计算颗粒法向与切向接触刚度，并以JKR（Johnson-Kendall-Roberts）模型表征范德华等黏聚力，用等效表面能γ_E与接触半径a描述颗粒间黏附力F^ij_coh=4√(πa³γ_EE^*/(2(1-v²)))；二是采用CFD-DEM实现流体相与离散颗粒相双向耦合，用以追踪孔喉尺度细颗粒拦截、再悬浮与桥连过程；三是设置时变水力梯度而非恒水力条件，系统比较不同黏聚强度与水力荷载组合下的细颗粒分布、沉积形态与接触网络演化。

研究结果部分，论文设如下小节并得出相应结论。2. Theoretical background（理论基础）：研究人员指出DEM中Hertz理论本身不含黏聚力，细颗粒还受范德华力、静电吸引与毛细力作用；JKR模型以表面能描述接触黏附，适合模拟团聚、团聚体破碎等黏聚主导现象。2.1. Discrete element method（离散单元法）：接触力可分解为法向F^ij_cn与切向F^ij_ct，刚度系数k_n、k_t依有效半径R^*、杨氏模量E^*、剪切模量G^*及法向相对变形δ_n确定，为后续黏聚扩展提供接触力学底座。

后续结果章节中，研究人员发现细颗粒入渗演化出三个特征阶段：初期孔喉拦截沉积使流线重排，中期黏聚细粒团聚成簇并桥连多孔喉，后期稳定接触网络形成、渗透率显著下降。黏聚力增强时，细颗粒更易成簇、力链更稳，堵塞更趋不可逆；水力梯度升高时，流体拖曳破坏力链、已沉积颗粒再悬浮，孔道可局部恢复通流。二者竞争决定堵塞类型：弱黏聚强水力倾向冲刷与重分布，强黏聚弱水力倾向稳定滤饼/桥塞，强黏聚强水力则出现团簇深渗与多点闭塞。

讨论部分，研究人员强调既往文献分别处理粒径、浓度、流速或黏聚参数，而本文价值在于把interparticle cohesion（颗粒间黏聚力）与time-varying hydraulic force（时变水力）放在同一框架中。结论部分译为：黏聚性细颗粒在颗粒介质中的迁移与堵塞由黏聚阻力与水动力驱动的竞争机制控制；细颗粒入渗经历沉积、团聚桥连与稳定接触网络形成三阶段；cohesion（黏聚力）促进细粒团簇与承载结构发育，hydraulic loading（水力荷载）打乱force chains（力链）并提升mobility（流动性）；堵塞模式取决于cohesive和hydraulic regime的组合；CFD-DEM可有效复现黏聚—水力耦合下的孔尺度堵塞机理，为geotechnical filters（岩土滤层）、PRB与railway ballast（铁路道砟）等系统的anti-clogging design（抗堵设计）提供微观依据。