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风致颗粒物流体起动机理的离散元法研究

离散元法（DEM）；流体起动；雪粒间粘附力；概率密度分布函数（PDF）

流体起动是风致颗粒物跃移运动的首个关键物理过程，目前存在三个有待验证的争议问题：风力作用下第一颗颗粒如何起动？流体起动率与摩阻风速的标度关系？流体起动颗粒的速度与角度有无分布规律？本文基于直接数值模拟手段离散元法（Discrete Element Method， DEM）建立了考虑颗粒间粘附力的可表征接近真实接触状态的颗粒物床面离散元模型，通过引入实时更新的颗粒所受的流场拖曳力，成功再现了颗粒物的流体起动过程，并且给出了完整的流体起动方案。模拟结果直接澄清了颗粒物的流体起动率随摩阻风速呈线性而非1/2次方增长的错误认识；证实了流体起动颗粒是先滚动并与周围颗粒的接触碰撞再起动的假说；给出的颗粒流体起跳速度与角度的概率密度函数（Probability Density Function， PDF）服从对数和正态分布，验证了随机简要给定流体起动颗粒单一垂直速度和固定角的不合理性。与此同时，模拟结果表明，粘附力作用使流体起动率甚至降低近1个量级，第一颗粒的流体起动响应时间在10^-3~10^-1s，粘附力使其延长近一个量级，上述发展规律对于沙粒与雪粒的表现一致。本研究为风成运动的发展演化过程研究提供了必要条件。