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泥石流流变特性的颗粒粒径分布依赖性：Herschel-Bulkley-Papanastasiou本构模型的修正与数值化应用

泥石流动力学；流变特性；颗粒粒径分布；屈服应力；数值应用

泥石流作为一种典型的非牛顿流体，其流变特性受到颗粒粒径分布的显著影响，传统流变模型（如Bingham、HB以及HBP模型）在复杂颗粒体系下的适用性和预测精度存在一定局限性。为此，本论文提出一种修正HBP模型，通过引入颗粒粒径分布参数，实现对泥石流屈服应力与剪切黏度的动态调节，进而有效提高模型对不同颗粒级配下泥石流流变行为的描述精度。首先，基于修正HBP模型的理论框架，分析了细颗粒和粗颗粒在泥石流运动体系中的不同作用机制，揭示了即细颗粒通过润滑效应降低剪切阻力，而粗颗粒通过嵌套效应增强体系的屈服应力和剪切黏度。为了验证模型的有效性，设计了一系列泥石流流变实验，研究了14种不同颗粒级配条件下的泥石流流变行为。实验结果表明，修正HBP模型能够准确反映颗粒分布对泥石流流变特性的影响，拟合系数范围为0.933-0.990，显著优于传统流变模型的拟合结果，证明了模型在不同颗粒分布条件下的高适应性与精度。进一步，通过将修正HBP模型嵌入OpenFOAM开源数值模拟框架中，对水槽溃坝实验进行了三维数值模拟，模拟过程中考虑了泥石流与壁面的摩擦效应及自由表面动态变化。数值模拟结果与物理实验数据的对比分析表明，修正HBP模型能够准确再现泥石流在不同沟床倾斜条件下的流动行为、自由液面形态变化及底部压力场的动态分布。综上所述，修正HBP模型通过引入颗粒粒径分布参数，突破了传统流变模型无法考虑泥石流颗粒级粒径分布的局限，提供了一种更为精确且具有广泛适用性的泥石流流变模型。研究不仅在理论上为泥石流流变特性的描述提供了创新性的建模框架，也为相关工程应用中的泥石流预测与防治提供了可靠的数值模拟方法。