《Powder Technology》：Influence of curing temperature on hydration kinetics, mechanical properties, and microstructural development of cementitious binders: A comprehensive review
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本研究通过实验与离散元法模拟，揭示无粘性松散颗粒材料与螺旋钻相互作用中，旋转诱导的颗粒边界层形成机制及其对钻探阻力非线性影响，提出新相似准则，为行星采样、地下探测及工业颗粒运输提供理论指导。
黄硕|刘振宁|李勇|刘财山
中国北京大学工程学院湍流与复杂系统国家重点实验室，北京，100871
摘要
无粘性松散颗粒材料（CLGM）由于缺乏颗粒间凝聚力且具有脆性的堆积结构，对机械扰动极为敏感，在剪切作用下表现出类似流体的动力学特性。本研究通过实验室实验和离散元方法（DEM）模拟相结合的方式，探讨了螺旋钻与CLGM相互作用所产生的非线性行为。我们发现了一种由旋转引起的颗粒边界层——这种边界层围绕钻头动态演变，与周围的固态基质明显分离。该边界层控制着应力传递和流动形态，导致应力分布与经典准静态剖面显著偏离，并在钻进阻力中引入了与深度相关的非线性效应。研究结果表明，传统的相似性判据（这些判据依赖于几何轨迹匹配，在粘性颗粒材料中有效）在CLGM中并不适用。这种失效现象源于忽略了颗粒边界层，其厚度和流变特性会随旋转速度的变化而变化。通过将这种速率依赖机制纳入修正的标度框架中，我们确定了一个新的无量纲数，该数能够描述钻进的非线性响应。这一标度揭示了钻进动力学的转变过程，反映了流变主导机制的开始，并界定了高效钻进与堵塞状态之间的分界。除了推进侵入体-颗粒相互作用的基本物理机制外，这些发现还为实际应用提供了指导原则，包括行星表面采样、地下勘探以及工业过程中的颗粒材料输送。
引言
颗粒材料是一类本质上对扰动敏感的介质，在不同级别的扰动下会发生相变，表现出多种相态特性，如准静态固体、非牛顿流体和非平衡气体[1]、[2]。当与移动的刚体相互作用时，侵入体附近的颗粒材料会因动态扰动而显著流化，可以被视为具有有限屈服应力的复杂流体[3]、[4]、[5]。这种流体的复杂性主要源于以下几个内在特征：(i) 强非线性——颗粒流中的颗粒接触在扰动下动态演变，力链的拓扑结构不断变化，导致宏观行为高度非线性[6]、[7]；(ii) 强耗散性——作为由内摩擦主导的热力学耗散系统，颗粒流对能量输入的变化非常敏感；即使是驱动力的微小变化也可能引起其动态状态的突然变化[8]、[9]；(iii) 自组织性——颗粒流在扰动下可以自组织成介观结构，进而调节其动态状态[10]、[11]。针对这些复杂性，过去几十年里对侵入体-颗粒相互作用的动力学进行了广泛研究。关键研究主题包括刚体在颗粒床中的垂直和水平穿透[12]、[13]、弹丸撞击[14]、侵入体的旋转扰动[15]、颗粒系统中的运动[16]以及颗粒流中的浮力或马格努斯效应[17]、[18]。然而，尽管有大量研究，但对这类相互作用中的非线性动力学的全面统一描述仍然难以实现。
理解侵入体-颗粒相互作用的动力学对于科学研究和工业应用具有重要意义。这一相互作用在能源开采[19]、基础设施开发[20]、地质勘探[21]、仿生机器人[22]和先进机械系统[23]等领域具有基础性作用。一个特别实际的例子是螺旋钻进，其中刚性钻头通过螺旋运动穿透颗粒材料[24]。该技术广泛应用于化学和过程工程中的颗粒材料输送与混合[25]。在行星探索领域，螺旋钻进已成为从外星天体采集表土的主要技术，其应用范围涵盖了从早期的阿波罗和苏联月球计划[26]、[27]，到最近的欧洲航天局的MOONBIT项目[28]、NASA的ExoMars任务[29]、日本的LUNAR-A[30]以及中国的嫦娥计划[31]等众多太空任务。尽管应用广泛，但由于相关物理机制的复杂性，揭示颗粒材料的钻进行为仍然是一个艰巨挑战。
颗粒材料中的钻进过程具有动态非线性特征，表现为钻进阻力随深度的非线性增加[4]、[15]、宏观量对运动参数的非线性依赖性[32]，以及颗粒材料的固-流耦合行为[7]。为了研究这些现象，近期关于螺旋钻进的研究集中在螺旋钻与颗粒材料的相互作用上，包括理论建模[24]、[33]、实验研究[29]、[34]，以及基于计算流体动力学（CFD）[25]和离散元方法（DEM）[35]的数值模拟[35]。这些研究揭示了钻头运动[36]、[37]和几何参数[38]、[39]对钻进阻力等动态量的影响。值得注意的是，大多数研究都发现了一个相似性判据：当穿透深度与旋转速度的比值（称为PPR）相同时，钻进的动力学响应也相似[40]、[41]。特别值得关注的是，我们最近的理论工作表明，螺旋钻进过程可以通过一些简明的流体力学原理来有效描述[24]，这表明即使是像侵入体-颗粒相互作用这样复杂的动态系统也可能被流体力学所涵盖。
以往的研究主要集中在压缩粘性颗粒材料中的螺旋钻进，这类材料由于颗粒间凝聚力而具有稳定的力学性质[42]、[43]。然而，许多技术前沿领域，包括行星采样[44]、高精度制药[45]、食品加工[46]和纳米制造[47]，都涉及螺旋钻与无粘性松散颗粒材料（CLGM）的相互作用。这类材料中缺乏颗粒间凝聚力，使其对外部扰动更加敏感，从而促进了显著的流化现象。因此，在侵入体-颗粒相互作用过程中，会在侵入体周围形成颗粒边界层，该边界层与其运动和几何形状动态耦合[48]、[49]。这种耦合使得CLGM的钻进动力学变得更加复杂且难以预测。鉴于CLGM的复杂动力学特性，为了阐明其与螺旋钻进应用相关的钻进机制，我们开发了一种实验装置，能够测量螺旋钻在CLGM中的运动及其所受的力。实验结果表明，钻进行为随深度非线性变化，并且与基于PPR的经典相似性规则存在偏差。为了理解这一机制，我们进行了DEM模拟，并发现了围绕钻头的旋转依赖性颗粒边界层。该边界层控制着局部流动和力传递，解释了观察到的非线性和速率敏感行为。基于这些发现，我们提出了一个新的无量纲数，该数结合了钻头几何形状、运动学和颗粒流变特性，为CLGM中的钻进提供了一个修正的相似性判据。这个无量纲数进一步揭示了宏观钻进动力学的转变行为，这种转变受颗粒边界层演变的影响。
本文的其余部分安排如下：第2节描述了实验装置，并强调了无粘性松散颗粒材料钻进过程中观察到的非线性行为。第3节展示了在不同钻进条件下的DEM模拟结果，揭示了颗粒边界层的形成和演变过程。第4节介绍了一个速率敏感的无量纲数，该数能够捕捉钻进响应的转变，并建立了考虑旋转剪切流变效应的新钻进相似性判据。第5节总结了研究工作，并指出了未来的研究方向。这项工作为CLGM中螺旋钻进的物理机制提供了更深入的见解，为将其应用于颗粒处理和输送等工程实践铺平了道路。
实验系统
实验系统
实验钻进系统主要由五个部分组成：设备框架、颗粒材料容器、钻具组、动力系统和传感器控制系统。图1提供了实验系统的照片和系统示意图，以阐明相关设计细节。设备框架由铸铁制成，整体尺寸为长600毫米、宽500毫米、高2000毫米。动力系统安装在……
实验结果
实验中使用了三种不同的无粘性松散颗粒材料（CLGM）。CLGM-A的颗粒直径范围为2至5毫米，体积密度为1.91克/立方厘米；CLGM-B的颗粒直径为1–2毫米，体积密度为1.57克/立方厘米；CLGM-C的颗粒直径约为0.1毫米，体积密度为1.49克/立方厘米。为了保持其无粘性特性，所有材料在使用前都经过烘干处理。为了保证均匀性，随后对材料进行了……
离散元模拟
为了进一步揭示钻进机制，我们进行了模拟，以探讨运动参数如何控制侵入体-颗粒相互作用的动力学。
讨论
鉴于颗粒边界层的出现改变了颗粒流系统的动态状态，因此讨论控制这种动力学的标度框架至关重要，以便更根本地揭示颗粒材料在旋转扰动下的流变行为。接下来，我们提出了一种新的标度定律来描述钻头-颗粒耦合系统，并从中推导出适用于CLGM钻进的通用相似性判据。
结论
在本研究中，我们通过实验发现，在无粘性松散颗粒材料中进行螺旋钻进时，钻进阻力和下落距离都表现出初始的快速增加，随后随着深度的增加逐渐减缓。这种非线性响应受到钻头运动参数的强烈影响。基于这些观察结果，我们建立了一种由颗粒边界层控制的机制来解释钻进动力学。
作者贡献声明
黄硕：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、验证、方法论、研究、概念化。刘振宁：撰写 – 审稿与编辑、研究、概念化。李勇：撰写 – 审稿与编辑。刘财山：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：刘财山表示获得了国家自然科学基金的支持。我们没有其他需要声明的内容。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金的支持。
