颗粒流中的流体效应

孔隙流体在许多颗粒流中发挥着至关重要的作用，尤其是在地球物理环境中。然而，人们对干流和完全饱和流之间的行为转变以及与之相关的基础物理知之甚少。在本文中，我们报告了使用具有不同含水量和体积的单分散颗粒的小规模水槽实验的结果，其中在截面上测量了基础孔隙压力、总压力、流动高度和速度剖面。我们将结果与颗粒流的理论曲线和基于量纲分析的流态进行比较。跳动和质心也是根据沉积表面轮廓计算的。当初始水含量从零增加到约 10% 时，我们首先观察到流动性下降了约 50%，因为基质吸力导致表面张力引起内聚行为。随着含水量进一步增加到 45%，流动性也显着增加，与干燥情况相比，流速增加了 50%，跳动距离增加了 240%，行进角减少了 10° 。这些影响可能与基础孔隙压力直接相关，在非稳定流动期间相对于大气测量负压力和正孔隙压力。我们发现初始流量在相对孔隙压力的发展中起着重要作用，因此，在固定的相对含水量下，较大的流量表现出更大的正孔隙压力、更大的速度和更大的相对跳动距离。这与许多其他精细实验和现场观察相一致。我们的研究结果表明，孔隙流体的基本作用是减少颗粒之间的摩擦接触力，从而提高流速和整体流动性。虽然这种情况可能是由于孔隙压力过大而发生的，但也可能发生在正孔隙压力不超过静水压力的情况下，如此处所示，因为浮力和润滑本身就会减少摩擦力。

为了研究孔隙流体对颗粒流动行为的影响，在狭窄的光滑底部倾斜水槽中进行了一系列采用 3.85 mm 均匀固体陶瓷颗粒的小规模实验，测试条件因源体积和含水量而异。使用传感器信号、PIV 处理的高速图像和沉积物测量来分析从干燥到过饱和的颗粒流的内部动力学和整体流动性。得出以下结论：

（i）随着含水量从干燥到过饱和的转变，孔隙流体压力显示出对从基质吸力到浮力的颗粒流动行为的持续影响。当低含水量下的非饱和流涌中，粘聚力或基质吸力占主导地位时，湿流的水头速度和流动度均小于同等源体积的干流（因此流动度有效降低），但大于 高含水饱和流涌时，孔隙压力大多为正时的干流（因此有效增强了水流流动性）。在相同源体积中颗粒流的峰值流量高度处的深度平均速度（uave）、绝对最大处的底孔压力（pw）和沉积物的行进角（αT）中可以发现与含水量相似的剖面。：由延迟流的行程角决定的流动性随含水量逐渐变化，当流稍微湿润而不是完全干燥时出现最小值，而对于增强流，αT 随含水量以更陡的梯度近似线性增长。

(ii) 在给定的转变点以上，当基质吸力不再占主导地位时，不同体积的湿流具有相似的接近线性的移动距离相对于含水量的增加模式。然而，在相同的含水量下，较大的源体积会导致较高的总体流淌度。定义湿流的“边界水含量”（wx），其中所得的移动距离与相同体积的干流相同，我们发现它随着源体积的增加而减小；即，即使在含水量非常低的情况下，非常大流量的湿流（例如现场规模的流）也不太可能比干流产生更短的跳动。这可能是由于增加的流动厚度抑制了下坡运动期间流动物质的体积膨胀，从而抑制了去饱和过程。因此，对于较大或较厚的水流，在下坡运动期间孔隙空间膨胀较小，并且在水流涌动时负孔隙压力减小。

(iii) 对于不同含水量的湿颗粒流，动量传递机制随着流动厚度的变化而变化。在较厚的流动中，整个流动深度的萨维奇数和巴格诺德数的平均值较低，而摩擦数的平均值较高，表明固体摩擦水平增加，固体惯性减少。粘性流体剪切随着含水量的增加而增加，巴格诺德数和摩擦数的平均值均下降。

(iv) 正如在现场规模场景中所见，对于高度理想化的颗粒流，可以在斜坡过渡附近的深度平均速度的平方与通过行进角和跳动测量的流动性之间建立线性关系。对于某一体积的干流至过饱和流，在速度、孔隙压力和行进角之间建立了进一步的关系，这突出了孔隙压力在促进流动流动性中的作用。

(v) 足以使涌流饱和的孔隙流体的基本作用是减少颗粒流内的固体摩擦相互作用。粒间摩擦的减轻导致相邻层粒之间的局部速度差减小，并且整个深度的流动作为一个整体更多地移动。干流的速度剖面显示出在流深度上相对均匀的剪切力；而湿流则可能接近“活塞流”形状：流的上部倾向于作为块移动，特别是在较大的源体积下，与底部颗粒层分离。较高的含水量也会导致较大的滑移速度。这可能表明湿流，尤其是饱和流，更适合连续流的假设。此外，即使在整体流动性明显增加的情况下，我们在任何测试中都没有发现明显的超孔隙水压力。这表明，超孔隙压力的影响在现场尺度的地球物理流中起着重要作用，应被视为导致粒间接触或有效应力的进一步减少，而不是产生高孔隙率的先验必然性。整体流动性。