基于CFD-DEM耦合模型的高含水率稻田土壤力学响应机制研究及实验验证

本文创新性地采用计算流体动力学-离散元（CFD-DEM）耦合方法构建饱和稻田土壤模型，通过双实验（倾斜角测量与土壤紧实度评估）精准反演JKR表面能（2.2 J·m?2），并借助旋转除草轮切削实验与直剪试验验证模型。结果显示：土壤扰动特征模拟误差≤14.32%，剪切应力-位移响应误差普遍<10%（300 kPa压力下为11.07%），为农业机械-土壤互作研究提供高精度数值工具。

　　

Highlight亮点

本研究通过CFD-DEM耦合框架破解高含水稻田土壤的黏塑性与流固耦合难题，首次将可测量土壤响应参数与JKR表面能标定关联，为农业工程提供误差<15%的高保真数值模拟方案。

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Description of CFD-DEM coupling model耦合模型描述

稻田环境中土壤-水流场的相互作用具有高度非线性特征。单一方法（如DEM或CFD）难以全面解析颗粒运动与流体行为的复杂动力学。CFD-DEM耦合能精准捕捉颗粒边界与湍流的互作，通过双向耦合求解器实现：DEM计算颗粒接触力，CFD模拟孔隙流体流动，两者通过达西定律与曳力模型动态交互，确保科学性与工程适用性。

Sensitivity analysis of soil tilt angle土壤倾斜角敏感性分析

在50°旋转角条件下，系统探究JKR表面能（1-5 J·m^?2）对土壤坍塌形态的影响。数值模拟显示：表面能每增加0.5 J·m^?2，土壤抗剪强度呈非线性提升，2.2 J·m^?2时实验与模拟的倾斜角误差最小（仅3.8°），该参数成为控制土壤黏聚特性的关键"分子胶水"。

Discussion讨论

传统旱地土壤模型难以应对稻田土壤的高黏结-饱和特性。本模型通过JKR接触理论量化颗粒间液桥力，结合剪切带可视化技术，首次再现了农机作业时土壤的"流动-断裂"双态转变过程。但当前模型未考虑水分梯度变化，未来需引入非均质孔隙网络模型。

Conclusion结论

CFD-DEM耦合模型成功预测饱和土壤在除草扰动下的力学响应，JKR表面能（2.2 J·m^?2）被证实是控制剪切应力-位移曲线的核心参数。直剪试验中，除300 kPa高压工况（误差11.07%）外，其余压力下模拟误差均<10%，为农机触土部件优化设计提供数字孪生基础。