海底碎屑流通常是颗粒主导的、具有复杂级配的沉积物重力流，其中丰富的细颗粒可以为颗粒骨架提供有效的粘聚力[1],[2],[3],[4]。它们通常代表由地震、循环波浪荷载或天然气水合物分解引发的海底滑坡的关键后阶段，并可能从潜在可液化沉积层的剪切失效演变为类似碎屑流的流动[5],[6],[7],[8],[9],[10]。此类事件容易引发连锁的海上灾害，对海底电缆、管道和海上基础等基础设施构成重大风险，在某些情况下还可能引发海啸[11],[12],[13],[14]。与陆地碎屑流相比，海底碎屑流通常表现出较长的运行距离、较大的影响范围和分阶段的运动行为，并可能在富含细颗粒的条件下涉及强烈的水-沉积物相互作用[3],[15],[16],[17],[18],[19],[20]。如图1所示，其演变通常始于颗粒柱状崩塌，随后流体-颗粒耦合和孔隙压力相关效应变得重要；在某些情况下，运动可能进一步发展为碎屑流-浊流连续体[4],[20],[21],[22],[23],[24],[25]。最近的观点强调，理解多阶段动力学和多相物理对于合理评估与海底滑坡相关的多重灾害至关重要[26]。虽然地球物理调查可以描绘沉积形态，但通常不足以重建瞬态运动学和潜在机制[27],[28],[29]。因此，许多研究人员采用物理模型实验和数值模拟来阐明运动学，通过重建宏观崩塌流动过程并分析介观水-土相互作用。
实验研究大多将颗粒源理想化为由水槽壁横向限制的规则几何棱柱体，然后通过控制门释放颗粒，观察运动学过程[30],[31],[32],[33],[34]。然而，这些研究存在一些局限性。首先，水-沉积物悬浮液显著降低了介质的透明度，阻碍了对长期运动学特征的有效观察。其次，简化的二维（2D）模型无法真实捕捉三维（3D）运动学行为。鉴于基于水槽的物理模型实验在长期观察和局部3D特征分析方面的局限性，数值模拟技术已成为再现颗粒流动运动学演变过程的不可或缺的工具。一个经过验证的两相框架LIQSEDFLOW明确考虑了过量孔隙压力的演变和导致液化海底沉积物流动再沉积的相变[23],[24]。此外，还应用了先进的方法，包括计算流体动力学（CFD）[11],[35]、深度平均法（DAM）[36],[37]、耦合欧拉-拉格朗日（CEL）[38],[39]、颗粒有限元法（PFEM）[40]、平滑颗粒流体动力学（SPH）[41],[42]、物质点法（MPM）[43],[44]、MPM-CFD [25],[45]。基于连续介质力学的相关研究在模拟大规模海底碎屑流方面展示了显著的能力，为工程级灾害预测提供了关键的计算支持。然而，这些方法受到宏观连续性假设的限制，无法充分表征土壤颗粒的离散性质和介观接触力学响应，从而导致能量耗散和界面力相互作用的量化误差。
基于此，CFD-DEM耦合方法从物理接触模型迅速发展为流体-颗粒作用的机制，建立了一个混合的连续-离散力学框架，有助于高保真地模拟流体涡旋结构和流体-颗粒相互作用力[46],[47],[48],[49],[50]。随着计算加速技术（包括虚拟域方法、粗粒化策略和GPU-CPU异构并行化）的进步，这种方法特别适合模拟碎屑流、海底滑坡和由滑坡引起的海啸的大变形流固相互作用过程[51]。来自代表性区域的现场数据表明，海底碎屑流表现出共同的关键特征，包括多方向3D滑动、连续颗粒尺寸分布（CPSD）和粘土诱导的粘聚力[52],[53],[54],[55]。然而，现有的CFD-DEM研究主要使用间隙级配的颗粒尺寸分布（GPSD）或甚至非粘聚性沙子的单分散颗粒尺寸进行2D分析，采用侧向约束或周期性边界[48],[56],[57]。这种简化处理忽略了颗粒源的CPSD和粘聚特性以及海底碎屑流的真实3D运动学。
本文使用开源耦合平台CFDEMcoupling（OpenFOAM和LIGGGHTS），将CFD-DEM方法与CPSD模型和复合接触模型相结合，以研究海底碎屑流的3D运动学特性。本文的结构如下：第2节介绍了CPSD集成CFD-DEM耦合的理论框架，详细阐述了复合接触模型的构建和CPSD参数化。第3节通过CPSD生成测试、单颗粒沉降和水下颗粒柱崩塌模拟来验证数值准确性。第4节将该框架应用于海底碎屑流建模，研究了粘聚相互作用和CPSD模型对多方向扩散、能量耗散和长期形态演变的影响，同时阐明了多阶段失效行为。第5节提出了结论。模拟参数的详细信息见附录A。
