شبیه‌سازی‌های دو بعدی برای اولین بار محاسبات جزء به جزء سیال و  جریان ذره‌ای را در یک بهمن زیر‌آبی انجام می‌دهد. بهمن‌های زیر‌آبی می‌تواند سونامی‌های مرگبار ایجاد کنند و به سکوهای نفتی صدمه بزند. درک این رفتار به دلیل پیچیدگی‌های ترکیب ذرات آب مشکل است. یک مدل دو بعدی جدید، فروپاشی برجی از ذرات غوطه‌ور در یک سیال را با استفاده از محاسبه نیروهای وارد بر هر ذره از طرف سیال و سایر ذرات شبیه‌سازی می‌کند. نتایج، که در Physical Review Letters منتشر شده است، نشان می‌دهد که حضور سیال دارای دو اثر متضاد است: سیال فروپاشی را مهار می‌کند اما سپس باعث تسریع حرکت ذرات می‌شود. این مدل ممکن است روزی در پیش‌بینی خطرات محیط های زیر آب کمک کند و هم‌چنین در صنایع غذایی و فولاد به منظور بهینه‌سازی روش‌های فرآوری مرطوب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در سال 1929 یک بهمن زیر‌دریایی به واسطه‌ی زلزله‌ای ایجاد شد و به طرف سواحل نیو‌فان‌لند حرکت کرد. بیش از400 مایل از ساحل پیش روی کرد و 12 کابل تلگراف را در مسیرش از بین برد. پیمودن چنین مسافتی در رانش‌های زمینی زیر‌دریایی شایع است. اما توضیح واضحی برای این مسافت طولانی وجود ندارد. چون محققان بیشتر روی بهمن‌ها و رانش‌های زمینی خشک مطالعه کرده‌اند. مدل‌سازی ذرات مرطوب دشوارتر است چون سیال می‌تواند حرکت ذرات را از طریق جاذبه مولکولی و کشش مهار کند هم‌چنان که به ذرات کمک می‌کند تا از روی یکدیگر بلغزند. مطالعات قبلی اغلب مشکل ذرات مرطوب را با اضافه کردن تعدادی ذره (اثرات ذره‌ای) به جریان سیال و یا برعکس حل کرده‌اند. با این وجود این ترکیبات در محیط های زیر‌آبی و صنایع، سهم تقریباً مساوی از سیال و ذره دارند.

فرهنگ رادجای از دانشگاه مونتپلیر 2 فرانسه و همکارانش مدل محاسباتی برای جریان ذره‌ای در یک محیط مایع توسعه داده‌اند. مشابه کار با ذرات خشک، آن‌ها روی حالت خاصی که طی آن ستون و یا برجی از ذرات تحت تاثیر جاذبه[1]  سقوط می‌کنند، تمرکز کردند. تیم این سقوط را به دو مرحله زمانی مجزا تقسیم کرده است که طی آن نیروهای وارد بر هر ذره و حرکت نهایی مایع را محاسبه می‌کنند. این روش بر مبنای شبیه‌سازی‌های پیش‌تر ذرات خشک [2] است. اما اکنون نیروهای سیالاتی وارد بر ذرات مانند چسبندگی و فشار را نیز در بر می‌گیرد. این شبیه‌سازی، همزمان اثر حرکت مایع را با حل معادلات هیدرودینامیک (ناویر-استوکس) با ذراتی که مخزن متغیر با زمان تولید می‌کنند، حفظ می‌کند.

ترکیب حرکت ذره و مایع با یکدیگر از نظر محاسباتی دشوار است. بنابراین تیم این مشکل را به دو بعد کاهش داده است. راد‌جای می‌گوید: «این موجه است چرا که مدل‌های دو بعدی ذرات خشک با آزمایشات سه بعدی مطابقت نزدیکی دارند.» در ایجا ذرات به صورت قرص‌هایی با ابعاد میلی‌متر مدل سازی شده‌اند که در ابتدا به صورت ستونی مستطیل‌ مانند پشت دیواری انباشته شده‌اند. این چیدمان ناپایدار است بنابراین ذرات بلافاصله ریزش کرده و از دیوار فاصله می‌گیرند (فیلم‌ها را ببینید).

سد شکسته است. این عکس سقوط دوبعدی ستونی از ذرات را با نسبت 8 نشان می‌دهد. سیال محیط (در این مورد آب) در اثر سقوط جاروب می‌شود. رنگ‌ها با سرعت سیال و ذرات مطابقت دارند (قرمز سریعترین و آبی کند‌ترین)

تیم ریزش را با در نظر گرفتن نسبت‌های مختلفی از ارتفاع و عرض برای ستون ذرات و هم‌چنین گزینه‌های مختلفی برای محیط اطراف آن (بدون سیال، آب و یک سیال با چسبندگی زیاد) بررسی کردند. فاصله پیموده شده برای حالتی که هیچ سیالی وجود نداشت و حالتی که آب وجود داشت مشابه بود. این نتیجه غافل‌گیر کننده بود چون زمان ریزش هنگامی‌که هیچ سیالی وجود ندارد کمتر از نصف زمان برای دو حالت دیگر است. محققان این نتیجه را با محاسبه انرژی جنبشی متوسط ذرات توضیح می‌دهند. زمانی که سیال حضور دارد. ذرات بخشی از انرژی پتانسیل گرانشی خود را به دلیل حرکت سیال از دست می‌دهند اگر چه سیال بعداً به حفظ خرکت افقی با کاهش نیروی اصطکاک بین ذرات کمک می‌کند. راد‌جای می‌گوید: «سیال بیشتر انرژی که گرفته بود برمی‌گرداند.»

این تیم قصد دارد شبیه‌سازی‌های خود را به حالت سه بعدی توسعه دهد و به مطالعه‌ی تشکیل موج در جریان سیال بپردازد. این کار می‌تواند به محققان در ارزیابی خطرات ناشی از بهمن‌های زیر‌دریایی و سونامی برای تاسیسات و جوامع ساحلی کمک کند. در آینده مدل‌هایی مانند این ممکن است در صنعت جهت ترکیب مایع و ذره در فرآوری غذاها و ساخت فولاد مفید واقع شود.

منبع: http://physics.aps.org/articles/v5/122

مراجع:

1.    L. Lacaze and R. R. Kerswell, “Axisymmetric Granular Collapse: A Transient 3D Flow Test of Viscoplasticity,” Phys. Rev. Lett. 102, 108305 (2009).

2.    F. Radjaï and V. Richefeu, “Contact Dynamics as a Nonsmooth Discrete Element Method,” Mech. Mater. 41, 715 (2009).