[论文解读] Granular physics in low-gravity environments using DEM

G. Tancredi, Andrea Maciel+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2011

Planetary Science and Exploration参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文使用离散元法（DEM）模拟小行星和彗星等典型低重力环境中颗粒动力学，表明重复震动可引发粒径与密度分异（巴西坚果效应），且表面爆炸或撞击可使颗粒以低速度抛射。关键结果表明，即使弱冲击也能在像伊有托瓦和P/哈特利2号这类千米尺度天体上触发颗粒抛射与分异，在低重力条件下抛射速度可超过逃逸速度。

ABSTRACT

Granular materials of different sizes are present on the surface of several atmosphere-less Solar System bodies. The phenomena related to granular materials have been studied in the framework of the discipline called Granular Physics; that has been studied experimentally in the laboratory and, in the last decades, by performing numerical simulations. The Discrete Element Method simulates the mechanical behavior of a media formed by a set of particles which interact through their contact points. The difficulty in reproducing vacuum and low-gravity environments makes numerical simulations the most promising technique in the study of granular media under these conditions. In this work, relevant processes in minor bodies of the Solar System are studied using the Discrete Element Method. Results of simulations of size segregation in low-gravity environments in the cases of the asteroids Eros and Itokawa are presented. The segregation of particles with different densities was analysed, in particular, the case of comet P/Hartley 2. The surface shaking in these different gravity environments could produce the ejection of particles from the surface at very low relative velocities. The shaking causing the above processes is due to: impacts, explosions like the release of energy by the liberation of internal stresses or the re accommodation of material. Simulations of the passage of impact-induced seismic waves through a granular medium were also performed. We present several applications of the Discrete Element Methods for the study of the physical evolution of agglomerates of rocks under low-gravity environments.

研究动机与目标

• 研究典型小太阳系天体的低重力环境下颗粒材料的行为。
• 模拟由重复表面震动或撞击引发的粒径与密度分异过程。
• 评估在低重力环境中，地震波或爆炸引发的颗粒从表面抛射的可行性。
• 评估撞击引发的冲击波在触发小天体上分异与抛射等物理过程中的作用。
• 为利用DEM研究太空中聚集岩石表面的物理演化提供数值框架。

提出的方法

• 采用离散元法（DEM）模拟由离散颗粒通过接触力相互作用的颗粒介质的力学行为。
• 模拟中使用不同尺寸与密度的球形颗粒，依据接触力学与重力的物理定律进行建模。
• 通过将表面重力设为10−2至10−4 m/s²，模拟低重力环境，代表小行星与彗星的条件。
• 通过在颗粒层底部施加重复的局部脉冲来诱导震动，模拟撞击或内部应力释放引发的地震波。
• 爆炸事件通过在表面突然释放局部能量来建模，生成向颗粒介质传播的冲击波。
• 模拟追踪颗粒轨迹、速度与抛射事件，结果分析聚焦于逃逸速度阈值与分异模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在像艾罗斯与伊有托瓦这类小行星典型的低重力环境中，粒径分异（巴西坚果效应）是否可能发生？
• RQ2 在低重力条件下，重复震动下颗粒密度分异如何表现，特别是在像P/哈特利2号这类彗星体上？
• RQ3 撞击引发的地震波或表面爆炸在多大程度上可导致颗粒以低相对速度抛射？
• RQ4 爆炸能量、天体尺寸与达到逃逸速度的颗粒比例之间存在何种关系？
• RQ5 重力水平与天体尺寸如何影响冲击波传播及由此引发的表面动力学？

主要发现

• 在伊有托瓦与艾罗斯等千米尺度天体的低重力环境中，即使震动微弱，仍可发生粒径分异（巴西坚果效应）。
• 模拟中观察到密度分异，尽管不完全，表明高密度与低密度颗粒在震动下存在差异迁移。
• 表面爆炸可使颗粒以超过逃逸速度的速度抛射，尤其在小天体（如半径250 m）上，近地表颗粒中相当大比例可达到抛射速度。
• 对于最小天体（半径250 m），即使低速爆炸（100 m/s）也能使远离爆炸点的大量颗粒获得超过逃逸速度的抛射速度。
• 撞击或内部能量释放引发的冲击波可贯穿整个天体，引发全局震动，从而触发表面颗粒的抬升与抛射。
• 结果表明，重复撞击或内部能量释放足以在伊有托瓦与P/哈特利2号等小而低重力天体上驱动分异与颗粒损失。