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本研究的主要作者包括Francesca Ceccato（通讯作者）、Alessandro Leonardi、Veronica Girardi、Paolo Simonini和Marina Pirulli。他们分别来自意大利的University of Padua和Politecnico di Torino。该研究发表在《Soils and Foundations》期刊上，发表日期为2020年6月10日。
本研究的主要科学领域是岩土工程，特别是涉及颗粒材料与流体相互作用的自然灾害现象，如泥石流、雪崩和海底滑坡。这些现象通常由固体颗粒与孔隙流体之间的复杂相互作用控制，其模拟一直是数值方法中的挑战。尽管已有多种数值方法被提出，但如何准确模拟这些过程仍然是一个未完全解决的问题。本研究的目标是通过对比两种不同的数值方法——宏观力学连续体方法（双相双点材料点法，2P-DP MPM）和微观力学方法（离散元法与格子玻尔兹曼法耦合，DEM-LBM），来研究饱和颗粒柱在空气中的崩塌行为，并探讨这两种方法的潜力和局限性。
本研究主要包括以下几个步骤：
实验设计
研究首先设计了一个小规模的实验室实验，模拟饱和颗粒柱在空气中的崩塌。实验装置由一个长0.70米、宽0.05米、高0.12米的玻璃槽组成，槽的一端封闭，另一端装有可移动的垂直门。通过调整填充高度，制备了不同高宽比的颗粒柱。颗粒材料为均匀粒径的砂粒，平均直径为2.5毫米，密度为2625 kg/m³，孔隙流体为染色水。实验通过高速摄像机记录崩塌过程，并使用MATLAB代码进行边缘检测以提取颗粒柱的轮廓。
数值模拟
研究使用两种数值方法对实验进行模拟：
参数校准
在模拟饱和条件下的颗粒柱崩塌之前，研究首先在干燥条件下对两种数值方法的材料参数进行了校准。通过对比实验结果和数值模拟结果，确定了DEM中的摩擦系数、滚动阻力系数以及MPM中的摩擦角等参数。
饱和条件下的数值模拟
在参数校准后，研究对饱和条件下的颗粒柱崩塌进行了数值模拟。通过对比DEM-LBM和2P-DP MPM的模拟结果，分析了崩塌动力学、颗粒流动的扩展范围以及尺度效应。
实验与数值模拟对比
实验结果表明，饱和颗粒柱在空气中的崩塌过程与干燥条件下的崩塌过程在低高宽比（a ≤ 1.0）时相似，但在高高宽比（a > 1.0）时，饱和条件下的崩塌速度更快，扩展范围更长。数值模拟结果与实验结果基本一致，但DEM-LBM方法的模拟结果在崩塌速度上略慢于2P-DP MPM方法。
崩塌动力学
DEM-LBM方法能够更精确地描述颗粒间的微观结构变化，如颗粒的协调数（coordination number）在崩塌过程中的变化。而2P-DP MPM方法则通过有效应力的变化来表征颗粒的流体化过程。两种方法在描述颗粒流动的扩展范围上表现出较好的一致性。
扩展范围与尺度效应
研究还通过参数分析探讨了颗粒柱尺度对崩塌行为的影响。结果表明，对于高雷诺数（Re_p > 4×10^4）的情况，流体与颗粒之间的相互作用力中的二次项（quadratic term）对崩塌动力学的影响显著。
本研究通过实验和数值模拟相结合的方式，研究了饱和颗粒柱在空气中的崩塌行为。研究结果表明，DEM-LBM方法在描述颗粒微观结构变化方面具有优势，而2P-DP MPM方法在计算效率和扩展范围预测方面表现更好。研究还强调了在模拟颗粒与流体相互作用时，选择适当的拖曳力模型的重要性。该研究为理解自然灾害中的颗粒-流体相互作用提供了新的视角，并为相关数值模拟方法的改进提供了参考。
研究还讨论了DEM-LBM和2P-DP MPM方法在计算效率和精度上的权衡，为未来相关研究提供了方法论上的参考。此外，研究还提出了一些未来改进的方向，如进一步优化拖曳力模型和开发更复杂的本构模型。
通过本研究的实验和数值模拟，研究者为岩土工程领域提供了一种新的研究思路，特别是在自然灾害模拟和风险评估方面具有重要的应用价值。