Micromechanical modeling of triphasic granular media

离散元法 材料科学 毛细管作用 机械 粒状材料 饱和(图论) 多孔介质 多相流 岩土工程 润湿 毛细管压力 地质学 多孔性 复合材料 物理 数学 组合数学
作者
Amiya Prakash Das,Jidong Zhao,Thomas Sweijen
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (18)
标识
DOI:10.1073/pnas.2420314122
摘要

This paper presents pore unit assembly-discrete element model (PUA-DEM), a pore-scale hydromechanical framework that resolves interactions between mobile granular particles and multiphase fluids in unsaturated granular media. The framework uniquely integrates DEM with pore-scale hydrodynamic models to capture unsaturated flow dynamics, while leveraging a two-way coupling mechanism to ensure bidirectional fluid–grain feedback through stabilized domain partitioning. Further innovations include a dynamic pore-merging and retriangulation algorithm that enhances computational efficiency for large-scale systems. Validated against experimental data for glass beads and Ottawa sand, PUA-DEM accurately reproduces critical hydromechanical phenomena-including capillary/viscous fingering, wetting-induced granular swelling/collapse, and quasi-static deformation-under diverse saturation and loading regimes. Numerical case studies reveal how capillary forces and wetting fluid saturation collectively govern granular response, from pore-scale meniscus evolution to macroscale flow instabilities. By bridging pore- and particle-scale physics, PUA-DEM advances predictive modeling of partially saturated granular systems, offering transformative insights for geohazard mitigation, sustainable agriculture, pharmaceutical manufacturing, and energy-related engineering applications.

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