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剪切颗粒流的波动性及其对颗粒流变行为的影响

颗粒物质；剪切流动；离散单元法；波动性；流变模型

颗粒物质在不同外力作用下会表现出既像固体又像液体的复杂力学行为。对于处于类流体状态的颗粒物质，其宏观流动行为通常可以用局部流变模型描述。但是随着颗粒物质逐渐从类流体向类固体转变，局部流变模型中等效摩擦系数和惯性数的关系会逐渐趋于发散，系统通常会表现出明显的非局部流变现象。对此，我们构建了两类不同的颗粒剪切流动构型，基于离散单元方法，定量研究了剪切状态发生转变的过程中颗粒系统动力学行为的变化特征，主要分析了剪切率和应力状态对颗粒波动性及其流变性的影响，解释了剪切率和应力如何通过影响颗粒的波动性进而影响其流变性的微观机理。在此基础上，通过引入速度波动参数，提出了可以统一描述类固体非局部流变和类液体局部流变行为的颗粒流本构模型。其次，通过对不同波动参数的分析，发现颗粒的流变性只与颗粒速度波动性相关而与接触力波动性无关，并认为类固体颗粒材料中非局部过程本质上是由颗粒速度波动驱动产生的，这揭示了驱动颗粒物质发生不同流动状态的内在机理，相关研究对从本质上深入理解地球物理中高压低剪速下地质体发生弹塑性蠕变运动具有重要的启发性作用。颗粒物质在不同外力作用下会表现出既像固体又像液体的复杂力学行为。对于处于类流体状态的颗粒物质，其宏观流动行为通常可以用局部流变模型描述。但是随着颗粒物质逐渐从类流体向类固体转变，局部流变模型中等效摩擦系数和惯性数的关系会逐渐趋于发散，系统通常会表现出明显的非局部流变现象。对此，我们构建了两类不同的颗粒剪切流动构型，基于离散单元方法，定量研究了剪切状态发生转变的过程中颗粒系统动力学行为的变化特征，主要分析了剪切率和应力状态对颗粒波动性及其流变性的影响，解释了剪切率和应力如何通过影响颗粒的波动性进而影响其流变性的微观机理。在此基础上，通过引入速度波动参数，提出了可以统一描述类固体非局部流变和类液体局部流变行为的颗粒流本构模型。其次，通过对不同波动参数的分析，发现颗粒的流变性只与颗粒速度波动性相关而与接触力波动性无关，并认为类固体颗粒材料中非局部过程本质上是由颗粒速度波动驱动产生的，这揭示了驱动颗粒物质发生不同流动状态的内在机理，相关研究对从本质上深入理解地球物理中高压低剪速下地质体发生弹塑性蠕变运动具有重要的启发性作用。