冰–岩颗粒流细观机理与MatDEM离散元模拟：从液桥力到局部流变的研究新进展

仿真圈

4月前浏览516

关注

 

作者 | 仿真助手 任雨豪
 

首发 | 仿真秀App  

   

导读：冰–岩混合型碎屑流是高海拔冰川区典型的极端地质灾害，具有突发、高速、远程、破坏力巨大的特点。在气候变暖背景下，冰体融化带来的孔隙水、颗粒间液桥作用、冰–岩双分散颗粒非均匀接触，共同决定了灾害体的运动距离、流态转换与堆积形态，也是长期以来制约灾害动力学机理认知的关键问题。  

在近年研究中，我们围绕微湿冰–岩颗粒流动力学与干燥冰–岩颗粒局部流变特性两个方向，基于离散元方法（DEM）开展系统的细观模拟，先后在Computers and Geotechnics、Engineering Geology等期刊发表系列成果。为便于同行快速复现模拟流程、掌握核心方法，5月28日18时30分，我们课题组将在仿真秀开展专题直播，完整公开冰–岩颗粒斜槽流动的建模思路、液桥力实现、流变分析与参数标定方法。

诚邀全国高校课题组科研工作者在仿真秀分享技术成果，面向工程一线展示最新方法、模型与软件实现方案。我们致力于打通高校科研 — 企业应用 — 工程实践的转化通道，为优质成果提供精准传播、行业曝光与技术对接机会，让实验室里的前沿研究真正落地到工程场景，让更多岩土、地质、防灾领域的创新方法走出论文、走向应用(感兴趣的团队可以联系杨老师-见文末)。

01    

研究背景与关键科学问题    

真实冰–岩碎屑流在运动中普遍处于干燥–微湿–饱和的连续过渡状态。其中，悬垂态（pendular regime）下的少量孔隙水，会以液桥形式存在于颗粒接触点附近，带来两类截然相反的效应：

• 基底润滑效应：微量水膜降低底面摩擦，提升流动距离；
• 液桥伪粘聚力效应：毛细力与粘性力连接颗粒，抑制碰撞、削弱分选、降低流动性。

与此同时，冰颗粒与岩石颗粒在粒径、密度、表面摩擦系数上存在显著差异，属于典型双分散体系。传统采用体积分数平均法计算惯性数与等效摩擦系数，会明显偏离物理本质，无法准确描述颗粒接触主导的流变行为。

围绕以上问题，我们依托国产软件MatDEM 平台开展了两部分核心工作：

02    

核心研究进展    

   

   

（一）悬垂态液桥力对冰–岩碎屑流动态的控制作用  

我们将毛细力模型与液桥粘性力模型嵌入离散元，完整考虑颗粒–颗粒、颗粒–底面的液桥作用与断裂准则，并通过斜槽试验标定关键参数。

主要结论包括：

• 液桥通过伪粘聚力显著降低混合体流动性，其中毛细力贡献占比约 4/5，粘性力在高速运动中不可忽略；
• 液桥可缓冲颗粒碰撞，将碰撞主导流态转变为剪切主导流态，并抑制岩石颗粒下沉分选；
• 含冰量与含水量存在耦合规律：
• 小尺度斜槽实验中含冰量 < 60% 时，底面润滑占优，运动距离随含冰量增加而上升；
• 小尺度斜槽实验中含冰量 > 60% 时，液桥吸附占优，运动距离转而缓慢下降。

数值结果可较好复现室内斜槽试验的冲出距离、流动形态与速度分布，证实液桥是解释冰–岩混合物 “超高流动性” 与 “流态突变” 的关键细观机制。

   

   

（二）接触依赖的双分散冰–岩颗粒流变特性  

针对干燥冰–岩颗粒流，我们引入粗粒化方法提取连续场变量，提出以接触比例加权平均的惯性数计算方法，替代传统体积分数平均法。

主要结论包括：

• 冰–岩–冰、岩–岩、岩–冰三类接触比例，可通过粒径比 × 数量比的协调数关系准确预测；
• 在中等惯性数区间，μ(I) 流变律与体积分数线性关系 Φ(I) 对双分散冰–岩体系仍然成立；
• 冰颗粒破碎与粒径减小会提升低摩擦接触占比，显著增强整体流动性；
• 接触比例平均法更符合物理本质，在大粒径比、低数量比条件下优势更明显。

该部分为多分散地质颗粒流的流变本构提供了颗粒尺度的直接支撑。

03    

MatDEM 实现与技术要点    

上述研究均基于自主扩展的 MatDEM 程序完成，核心技术路径如下：

• 冰颗粒与岩石颗粒的休止角标定与摩擦系数校准；
• 液桥体积分配、临界间距（CSD）设置、液桥形成与断裂判断；
• 周期边界条件实现稳定剪切流场；
• 粗粒化后处理获取应力、剪切率、惯性数与局部含冰量空间分布；
• μ(I) 流变拟合与散点数据后处理分析。

平台计算效率高，液桥力模块仅增加约 5% 计算耗时，适合开展冰–岩混合体系的批量参数研究。以下是我报告部分PPT展示，欢迎专家学者老师批评指正。

 

 

 

 

04    

如何报名观看直播    

本次直播将以论文研究思路 + 软件实操逻辑展开，完整复现冰–岩颗粒斜槽流动模拟全流程，不讲套话、不堆砌概念，直接面向可复现的科研方法。本文相关论文已经上传直播详情页供读者下载使用。

   

   

1、直播信息  

主题：冰–岩颗粒混合物斜槽流动离散元模拟

时间：2026 年 5 月 28 日 18:30

主讲：任雨豪 博士 助理研究员 （西南交通大学）

平台：仿真秀官网 & APP

   

   

直播核心内容  

• 冰–岩颗粒细观力学试验背景与模拟思路；
• 悬垂态液桥力的离散元实现与关键参数；
• 基底润滑与液桥吸附耦合效应的模拟设置；
• 周期边界与粗粒化场量提取方法；
• 双分散颗粒接触比例计算与流变分析；
• 科研图表绘制与论文写作要点。

   

   

适合人群  

地质工程、岩土工程、防灾减灾工程及离散元方向的本科生、研究生、科研人员与工程技术人员。

   

   

观看与交流  

扫一扫报名，欢迎加入 MatDEM 用户交流群，即可：

推荐复 制链接在浏览器打开更佳

https://www.fangzhenxiu.com/live/1508835992283054080

• 免费观看直播及回放；
• 获取相关学习资料；
• 与作者及同行在线交流。

希望通过本次分享，为冰–岩碎屑流动力学、颗粒材料细观模拟、高寒地质灾害防控领域的同行提供可直接使用的方法与工具，共同推进冰–岩混合体灾害机理研究。

（完）

本文首发仿真秀App，部分图片和内容转自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。欢迎投稿，投稿与技术交流请联系杨老师18610516616（微同）

 

喜欢作者，请点赞和在看

来源：仿真秀App