MPS simulation of dense granular flows using a gradient-expansion nonlocal μ(I) rheology
Akinkunmi Mumeen, Olalekan Rufai, Yee-Chung Jin*
Keywords: Gradient expansion model (GEM); μ(I) rheology; MPS method; Granular flow; Strength parameter
DOI: 10.1016/j.partic.2026.04.013
稠密颗粒流普遍存在于滑坡、泥石流等自然现象以及粉体输送等工业生产过程中。但在连续介质理论框架下，很难精准捕捉颗粒流从惯性运动到准静态停滞的动态转变过程。
本文基于无网格的移动粒子半隐式方法（MPS）框架，嵌入含强度参数的非局部μ(I)流变模型，构建了一种拉格朗日数值计算模型。该模型具有三大核心特点：（1）采用梯度展开法，通过修正拉普拉斯算子稳定流体扩散项，可有效解析剪切带并捕捉传统局部连续介质中无法描述的颗粒蠕变运动特性；（2）模型的静态摩擦系数与动态摩擦系数均由与内摩擦角相关的岩土力学函数直接推导得出，无需依懒经验参数标定；（3）可清晰阐明拉格朗日数值模型中静态摩擦系数和动态摩擦系数的作用机制。
为验证模型的准确性，本文开展了水平与倾斜面的颗粒柱坍塌基准实验及其数值模拟研究。结果表明，所构建的方法可在不同长宽比与坡度条件下，精准预测颗粒流前缘推进过程、内部速度场分布以及最终堆积体形态。相较于传统的局部μ(I)模型，非局部模型弥补了局部模型无法表征颗粒间协同作用的缺陷，尤其对捕捉颗粒流准静态与惯性状态过渡演化过程，其优势尤为突出。能量分析结果进一步表明，动态摩擦系数主导颗粒材料屈服后的流动行为与滑移距离，而静态摩擦系数则主要决定颗粒流的启动条件。
该模型兼顾物理机制以及良好的数值稳定性，不仅省去了传统模型繁琐的参数标定步骤，还有效提升了模型预测结果的一致性，可为稠密颗粒流数值模拟提供一种稳健的计算方法。
相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 114），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
编辑、排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Mumeen, A., Rufai, O., & Jin, Y.-C. (2026). MPS simulation of dense granular flows using a gradient-expansion nonlocal μ(I) rheology. Particuology, 114, 186-206. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.04.013