运动诱发的流沙

MIT（麻省理工学院）颗粒状模型揭示了沙粒中不寻常的行为。

从力学的角度来看，附着在岩石和流体之间的颗粒状物料的运动类型既不像固体也不像液体。想一想沙子通过沙漏的过程：当谷物通过漏斗，它们看起来像水一样流淌，可是一旦沉积，它们就会形成一个相对稳定的土堆，就像一个固体一样。

Ken Kamrin，是MIT的机械工程助理教授，专门研究颗粒状材料，他使用数学模型来解释它们的普遍奇特的行为。现在，Kamrin已近采用了一种最新的颗粒模型，这种模型是他的研究小组开发的，同时Kamrin也揭示了一种预测，被称为“由运动所引起的流沙”的奇怪现象——在这种现象中，沙粒在一个位置中所移动的距离会改变沙粒的属性。

Kamrin 说“在你开始让沙粒流动的时候，它就像流体一样流得很远。因此，举例来说，如果你走在沙漠中，在不远处看见一个沙丘滑坡的话，你会开始缓慢地下沉。这是非常奇怪的行为。”研究人员已经在实验室的一些设备中观察到了这种反应，包括一个所谓的“环形Couette细胞”——几何形状类似于食品加工的碗状体，在其底部有一个旋转环。在实验中，研究人员已经用沙子将Couette细胞填满了，并且试图推动拉杆水平穿过沙粒。

在一个静止的Couette细胞中，如果没有一个显著的外力施加的话，杆是不会移动的。但是倘若，细胞的内圈旋转的话，那么即使是轻微的推一下杆件也能使其穿过沙粒——即使沙粒没有表现出移动状态。

Kamrin说：“由于有些已经移动的比较远，所以看起来像是沙粒本身的力学行为已经改变了，而沙粒在压力下的反应已经完全改变了。”

虽然先前没有模型来预测这种行为，但是也有人通过实验观察到这种反应。

有一篇发表在 Physical Review Letters杂志上的论文，作者是Kamrin和他的前任博士后David Henann（现在在Brown大学担任助理教授），他们将颗粒流模型应用于由运动所引发的流沙问题上，复制Couette细胞几何形状。

通过在桶的底部旋转转盘，转盘将会“液化”整个粒状组件，即使颗粒物料离它很远。这会将固体颗粒（能够支撑球自身重量的一种材料）转化为流体颗粒，期间任何比颗粒堆密度大的物体都会沉下去。球相当于一个力探针，显示出颗粒从固体切换到液体时的反应。

建立自旋和蠕变模型

Kamrin最初设计数学模型是用来预测主要流动情况，诸如沙粒流过溜槽或圆形槽的流场。研究人员并不确定模型是否也适用于二次流变，其中主位置的移动会影响次级运动，最后清除区域。

去年夏天，Kamrin拜访了法国的研究人员，这些研究员较早地开展了二次流变实验。经过一些非正式的讨论后，他登上了列车回到自己的酒店，这期间他回忆说：“我曾想到过有这么一个时刻，那就是我们的模型可以工作了。

他和Henann在二次流变的几种情况下运行了模型，包括Couette细胞，并且能重现先前的实验结果。尤其是，该团队观察到了杆件通过沙粒的速度（蠕动）与内环旋转速度的直接关系：举个例子，假如把一个恒定的力施加到探头上，然后内圈转动比先前快两倍，那么将会导致杆件穿过沙粒的速度（蠕动）也比先前快两倍——这是实验室研究中的一个关键的观察结果。

该模型是基于相邻晶粒的相互作用。大多数模型都是模拟相对独立基础上的颗粒材料的流动——一个计算起来相当费力的任务—— Kamrin的连续模型表示了小立方体颗粒的平均行为，并且是来自于相邻立方体模型作用的一部分。结果是准确的，计算高效的颗粒运动和应力的预测。

取出杆件

数学模型一般符合一种普遍的机制，研究人员把这种机制与颗粒流联系起来，称为“力链网络。”根据这一理论，就会形成与整体网络连接的单个颗粒之间微小的力。任何在物料中的扰动或者移动，都可能会通过颗粒网络波及到其他地方，导致颗粒与振动之间产生力”Kamrin说道。这种振动可能不足以移动粒子，但是可以削弱颗粒之间的结合力（键），使得颗粒可以像液体一样通过物料流动。

Kamrin说：“由于在壁垒边上的粒子与较远处的粒子通过力链网络连结在一起，在周围轻轻摇动，你就可以使结合力透过物料来传递，如上图所示的图片。但却没有一个能反应这一现象的常用流体模型。”

Kamrin 说：“这类的结合力可以解释流沙现象的部分原因。流沙——沙子和水的混合体——可能看起来像固态的，水在其中基本上是起到一个润滑的作用，减少（类似于某人陷入其中，开始下沉时）颗粒之间的摩擦。在颗粒介质干燥的情况下，则是通过力链网络而不是水来进行扰动（传动）的，那在本质上是润滑了颗粒之间的接触。

Kamrin说：“这（与水的作用）有些类似，只是以不同的方式使得沙粒润滑。

Kamrin 和 Henann目前正在寻找方法将他们的模型编入软件中，这样任何人都可以下载并使用它来预测颗粒流。”

Kamrin说：“这些现象其实是沙堆中的插入排序，使颗粒介质变成一个公开课题。因为大多数材料都不具备这些奇特的属性，所以他们所研究的颗粒流（材料）与我们一般所知道的有很大不同，就像标准固体或者常规液体一样。”

本项目是由National Science Foundation（美国国家科学基金会）资助。