自由表面颗粒流的Lattice Boltzmann三维模拟

摘要

颗粒在自然界普遍存在,比如泥沙颗粒和碎屑流中的块石等,我国西南山区中颗粒流往往造成不可估量的损失,颗粒流的流变关系及其数值计算是关键的科学问题.本文基于双颗粒温度热力学(two-granular-temperature thermodynamics,简称为TGT理论)推导了颗粒流的流变关系,可简化为Herschel-Bulkley流体;发展了针对颗粒流的数值方法,使用格子Boltzmann(Lattice Boltzmann)方法模拟其运动,利用质量追踪法(mass tracking algorithm)构建自由表面.为了验证数值方法的正确性,使用石英砂进行了溃坝试验.结果表明:模拟得到的流动过程与试验基本一致,这说明发展的数值方法能较为准确地模拟颗粒流的自由表面流动,可以作为一种数值计算工具用于颗粒流相关的碎屑流等散体灾害研究.