Investigation of Air Fluidization during Intruder Penetration in Sand
本研究结合了CFD-DEM模拟与实验锥尖贯入试验，揭示了气流辅助流态化如何降低沙土中的贯入阻力，识别了其与深度的非线性关系，并表征了四个不同的中观及微观尺度贯入阶段，旨在为自掘机器人和挖掘技术的设计提供进展。
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将一个坚固的物体推入松散的沙子中是一件棘手的事情。沙粒相互锁合，形成了一个坚硬的骨架，随着每一次推进都在进行抵抗。这种阻力是岩土工程领域面临的一个基本挑战，该领域研究土壤在建筑物、桥梁和隧道重量下的行为。当工程师需要测量地面的强度或安装深基础时，他们通常使用一种驱动入土的圆锥形探头。在致密、干燥的沙地中，这项任务需要大型机械和巨大的力量，这限制了这些测试可以进行的地点和方式。几十年来，科学家们一直在寻找让这种侵入变得更容易的方法，并从自然界中汲取灵感。一些动物，如某些蠕虫和甲虫，通过振动或向土壤中注入流体来使周围的沙粒松动，从而进行挖掘。一种极具前景的策略是向沙子中吹气，使坚实的地面暂时转变为类似流体的状态，这一过程被称为“流态化”。如果气压足够高，它可以将沙粒撑开，减少探头必须推开的摩擦力和重量。然而，尽管这个想法很简单，但空气如何在沙子中移动以及沙粒如何实时重新排列的精确机制一直是一个谜。
德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）的一个研究小组现在揭开了这种复杂相互作用的层层迷雾。他们将高速计算机模拟与物理实验相结合，观察当空气从圆锥形探头顶端泵出时，圆锥体穿透沙子的具体过程。在实验室中，他们建造了一个装有特定类型沙子的透明箱，并使用了一个配备有微小孔洞的3D打印探头，以受控速率注入空气。他们以恒定速度推动探头向下移动，同时测量移动它所需的力。为了观察人类肉眼无法触及的内部情况，他们创建了一个实验的详细数字孪生模型。这个计算机模型追踪了近百万个独立颗粒的运动以及空气在它们周围的流动，使得团队能够观察到在物理测试中无法直接测量的力和压力。
结果显示，这一过程并非单一、平滑的事件，而是由四个截然不同的阶段组成。在最开始阶段，即探头刚进入沙子且空气释放时，推动它向下所需的力几乎降至零。空气从探头顶端喷射而出，在金属与周围沙子之间创造了一个垂直的通道或隧道。在这个阶段，空气移动得足够快，可以将沙粒抬起并向外抛射，为探头的滑动清理出一条不接触土壤的路径。研究人员发现，这种“通道”只能维持很短的距离。随着探头深入，上方沙子的重量增加，空气已无法再保持沙粒悬浮。通道随即封闭，沙子开始再次挤压探头。
研究确定了一个决定空气是否能保持地面流态化的关键阈值。模拟显示，为了使渗透阻力完全消失，沙子内部的气压必须上升到大约为上方压下土柱重量的两倍。当达到这一压力时，沙粒的有效重量变得微乎其微，它们会彼此分离。然而，这种状态是暂时的。随着探头向下移动，上层的沙子重量不断增加，最终压倒了气压。一旦气压无法支撑上方土壤的重量，流态化就会停止，沙粒重新聚集，阻力也会恢复到正常水平。研究人员观察到，较高的气流速率可以延长流态化作用发挥作用的深度，但对于固定量的空气而言，能够保持沙子松散的深度是有限度的。
通过将这一过程分解为这些阶段，该团队绘制出了沙粒如何移动、如何相互接触以及气压在每一时刻如何变化的精确图谱。他们发现，阻力的降低直接与空气压力抬起沙粒有关，这打破了维持沙子结构的力网络。这一见解为工程师提供了一条明确的规则：要显著降低穿透致密沙地的难度，注入的空气必须产生足以抵消土壤重量的压力。虽然这项研究侧重于特定类型的沙子，但其发现为设计更好的挖掘工具和自掘机器人提供了定量框架。这表明，通过精确控制气流，机器可以以更少的能量穿透地面，从而为在困难地形中的施工或在钻探是主要挑战的其他星球进行探索开辟新的可能性。这项工作证实，虽然空气可以将沙子变成流体，但这是一个完全取决于深度和泵入空气强度的微妙平衡。
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