A frictional–collisional model for bedload transport based on kinetic theory of granular flows: discrete and continuum approaches

动能 消散 动力学理论 机械 物理 推移质 粒状材料 非弹性碰撞 经典力学 统计物理学 热力学 泥沙输移 地质学 量子力学 电子 古生物学 沉积物
作者
Rémi Chassagne,Cyrille Bonamy,Julien Chauchat
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:964 被引量:32
标识
DOI:10.1017/jfm.2023.335
摘要

In this work, the modelling of collisional bedload transport is investigated with a focus on the continuum modelling of the granular flow. For this purpose, a frictional–collisional approach, combining a Coulomb model with the kinetic theory of granular flows, is developed. The methodology is based on a comparison with coupled fluid–discrete simulations that the classical kinetic theory model fails to reproduce. This inaccuracy may be explained by the assumptions of negligible interparticle friction and the absence of a saltation model in the continuum approach. In order to provide guidelines for the modelling, the fluctuating energy balance is computed in the discrete simulations and systematically compared with the kinetic theory laws. Interparticle friction is shown to affect the radial distribution function and to increase the energy dissipation, in agreement with previous observations. In addition, a saltation regime is identified, leading to departure from the viscosity and pseudo-thermal diffusivity laws of the kinetic theory in the dilute regime. Based on these observations, modifications to account for interparticle friction are included in the two-fluid model, and the kinetic theory is coupled with a saltation model. The results show that for inelastic frictional particles, interparticle friction controls energy dissipation, and the macroscopic behaviour of the granular flow does not depend on the microscopic particle properties. The proposed model reproduces the $\mu (I)$ rheology in the dense regime of the granular flow. Finally, the model is evaluated with experiments, showing significant improvements concerning the granular flow modelling.
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