Численное моделирование показало зависимость движения сыпучих материалов от истории нагружения

Исследователи Иван Забоев и Вэй У из Австрии изучили особенности движения плотных гранулированных материалов в неустановившемся режиме. Численные эксперименты показали, что при ускорении и замедлении потока его механическое поведение зависит не только от текущей скорости деформации, но и от предшествующего изменения структуры материала. Это ограничивает применимость распространённой реологической модели μ(I) к нестационарным процессам. Исследование опубликовано на SpringerNature Link.

В основе исследования лежит метод дискретных элементов (DEM), позволяющий рассчитывать движение отдельных частиц и их контактные взаимодействия. Авторы использовали модель из 2000 сферических частиц, подвергавшихся сдвиговой деформации при постоянном нормальном давлении.

В рамках традиционного подхода μ(I) эффективное трение гранулированной среды определяется инерционным числом, которое характеризует соотношение скорости деформации и характерного времени движения частиц. Такая зависимость хорошо описывает ряд установившихся режимов, однако не полностью учитывает перестройку контактной структуры при изменении нагрузки.

Моделирование показало, что при ускорении и замедлении сдвигового движения одному и тому же инерционному числу могут соответствовать различные значения эффективного трения. Причина заключается в том, что контакты между частицами и структура гранулированной среды не успевают мгновенно приспособиться к изменяющимся условиям.

Для описания обнаруженных закономерностей исследователи предложили расширенное реологическое соотношение, учитывающее динамику переходных процессов.

Результаты представляют интерес для численного моделирования движения сыпучих масс, включая отдельные механизмы оползневых и обвальных процессов, а также взаимодействие гранулированных материалов с инженерными сооружениями. В подобных задачах скорость потока и действующие напряжения могут существенно изменяться во времени.

Однако исследование выполнено в контролируемой расчётной постановке: моделировался сдвиг гранулированной среды без действия силы тяжести. Поэтому полученные зависимости нельзя непосредственно переносить на реальные селевые потоки или склоновые процессы без дополнительной проверки.

Работа уточняет границы применимости существующих реологических моделей и показывает необходимость учитывать историю деформирования при расчёте быстро изменяющегося движения гранулированных материалов.