圆柱体在颗粒介质中上升时的阻力机制OA

为探究物体在颗粒介质中垂直提升过程中的阻力机制,针对以往实验研究多限于二维体系、且对完整阻力曲线的定量分析较为缺乏的问题,本文采用三维模拟与实验相结合的方法,对圆柱体从颗粒介质中垂直提升过程进行了数值模拟,获得了宏观阻力演变规律与微观颗粒尺度信息.研究发现,圆柱所受阻力呈现显著的三段式演化特征:在初始上升阶段,阻力迅速增加至峰值;随后急剧下降;最终进入缓慢减小并伴有平稳波动的阶段.微观分析表明,峰值后阻力的剧烈变化来源于颗粒体系发生大规模重排;而当提升至约22 mm后,稳定剪切带的形成使上方颗粒构成持续承载结构,此时阻力波动主要由剪切带内的摩擦行为主导.通过对颗粒速度场、力链网络演化以及平均法向压力与等效剪切应力比值分布的系统分析,进一步明确了剪切带的空间位置以及颗粒由静态承载向流动状态转变的细观过程.在此基础上,建立了同时考虑圆柱侧面摩擦阻力与上方颗粒压力的定量力学模型,模型计算结果与模拟曲线吻合良好.本研究为颗粒介质中运动物体的阻力估算提供了简明的理论框架与定量方法,在土木工程与地质灾害防治等领域具有潜在应用价值.后续研究可进一步考虑颗粒材料特性、物体几何形态及提升速度动态变化等因素的影响.