黄土是一种细粒土壤，广泛分布于中国西北部和黄土高原[1]、[2]。在道路密封和回填采矿等项目中（图1），许多操作场景允许通过气动方式输送黄土或基于黄土的混合物[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。与水泥和粉煤灰等常见干粉相比，黄土颗粒更细，含有更多的粘土和淤泥，并且对含水量的变化非常敏感[8]、[9]、[10]。在密集的气固系统中，类似的细小且具有粘性的颗粒往往会聚集并表现出不稳定的流动[11]。在具有多个弯道的长距离气动输送过程中，含水黄土容易在管道底部和弯道周围聚集和沉积，可能形成类似沙丘或堵塞的结构，导致压力降急剧增加，甚至发生堵塞。这会降低输送效率并威胁管道的安全运行[12]、[13]、[14]、[15]。同时，地下工程越来越多地依赖于基于水泥的材料，包括喷射混凝土、超高性能混凝土和保温浆料。它们的密实性、热性能和服务可靠性仍然是关键问题[16]、[17]、[18]。岩石体的断裂网络特性，以及复杂条件下的矿井密封结构的开裂和不稳定性也已被广泛研究[19]、[20]。这些发现表明，周围岩石支护系统的整体安全性与上游材料输送密切相关。因此，明确含水黄土气动输送过程中的流动模式的时空演变，并在不同操作条件下定量评估稳定性，对于确定安全操作窗口和优化工艺参数至关重要，具有重要的理论意义和实际工程价值。
大量的实验和数值研究已经探讨了细粉的气动输送，重点关注输送行为、流动模式转变和压力降特性。基于平均固体体积分数、输送能力和单位压力降提出了几种操作条件分类方法。这些研究表明，空气流速、固体进料速率和管道配置控制着干粉的输送性能。Kaur和Alshahed[21]将非线性动力学引入流动模式分析，利用复发图捕捉了从稀相流到沉积流转变过程中的微弱前兆信号。在水平输送中，当空气流速接近最低输送速度时，流动表现出强烈的混沌行为。Wang等人[22]将CFD-DEM模拟与实验相结合，发现将空气流速从18 m/s增加到20.6 m/s可以促使流动模式从沉积流转变为悬浮流，减少积聚并提高效率。Zhou等人[23]报告了在低空气流速下的沙丘流和分层流，随着空气流速增加到475 m³/h时转变为悬浮流。他们还指出，较高的含水量通过增强液体桥作用促进了聚集，并使底层流动更加明显。他们进一步注意到管道直径的影响，较小的管道有利于悬浮流，而较大的管道则增加底层流动。Sun等人[24]、[25]使用CFD-DEM在不同条件下解析了颗粒位置和速度分布。他们指出，传统的弯道压力降计算通常只考虑气体和干颗粒的离心摩擦，而湿颗粒需要额外的压力损失系数。他们还报告了从满管流到环形流再到悬浮流的垂直管道路径。Chen等人[26]通过实验发现，较小的管道需要更高的空气流速，但也表现出更大的局部压力降。总体而言，增加输送距离和固体与气体的比例会增加总压力降。
上述大多数研究集中在具有可忽略或弱粘性的干粉上，如水泥、沙子或粉煤灰。关于粘聚性土壤（尤其是含水黄土）的研究仍然有限[23]、[27]、[28]、[29]。水分在颗粒之间形成液体桥，这可能导致系统从以瞬时碰撞为主的干稀相流转变为具有强粘性的聚集流或密相流。在这种条件下，仅基于平均参数的标准往往无法捕捉复杂的非稳定行为和堵塞风险[30]、[31]。弯道通过二次流动和离心分离进一步加剧了不均匀性。因此，弯道下游区域成为聚集体形成、演变和破裂的敏感区域。然而，系统地研究这一关键区域的流动模式演变和稳定性的研究仍然明显不足[32]、[33]、[34]。
随着CFD和DEM技术的进步，CFD-DEM耦合已成为连接气固流动中微观和宏观行为的重要工具。对于干式气动输送，先前的工作已经再现了在不同固体负载和空气流速下的多种流动模式，包括底部滑动床流、稀相悬浮流和堵塞流。它还可以从颗粒速度场、接触力链和能量耗散的角度解释压力降的形成机制。Sun等人[25]使用CFD-DEM研究了垂直管道中湿喷涂材料的输送稳定性，并量化了空气流速和进料速率对稳定性的影响。在上升段，非球形聚集体颗粒倾向于在管道壁附近积聚，形成环形高浓度区。随着进料速率的增加，截面固体分数的波动加剧，稳定性恶化。较高的空气流速可以改善流动模式分布，但也可能显著增加能量消耗和管道壁磨损。Zhang[35]使用团块方法表示了非球形颗粒（如煤矸石），并模拟了它们在弯道中的运动和破碎。较低的球形度增加了空气动力阻力，使颗粒更容易被拾起，并增加了弯道中的碰撞诱导破碎。Khan、Drescher、Xiao及其同事[33]、[34]、[36]发现，耐磨弯道可以通过几何变化在冲击区形成颗粒缓冲层，从而减少管道壁磨损，但代价是压力降略有增加。对于高压密相输送，颗粒相中的摩擦应力可能主导动量平衡。Ding等人[37]比较了摩擦应力模型，发现改进的Berzi模型与水平管道压力降数据最吻合，相对误差在-4.91%到+7.60%之间。
最近的液体桥力模型将CFD-DEM扩展到了含水颗粒系统，为模拟粘聚性粉末中的聚集体形成和破碎提供了直接方法[30]、[38]、[39]、[40]。然而，大多数现有工作集中在湿颗粒的流化及其在流化床、喷流床或干燥器中的干燥上。关于含水黄土在管道中的长距离气动输送的研究仍然有限。另一个不足之处在于方法论上的空白，目前还不常见于将宏观压力降波动特征与微观颗粒接触网络（如协调数）联系起来，以建立反映弯道下游区域不稳定性和堵塞风险的定量稳定性指标[41]、[42]、[43]。
基于这些考虑，我们研究了来自山东煤炭矿区的沙质黄土，并开发了一个考虑液体桥粘聚性的气动输送CFD-DEM模型。空气流速、固体进料速率和含水量被选为主要控制参数。我们分析了直线段（稳定输送）和弯道下游区域的流动模式的时空演变，并阐明了在不同操作条件下密集底层、沙丘和准堵塞结构以及稀相悬浮区之间的耦合关系。然后我们将弯道下游区域视为关键监测区。通过结合压力降的相对波动系数和平均颗粒协调数定义了一个无量纲稳定性指数。该指数将宏观不稳定性与微观聚集效应结合起来，能够定量区分弯道下游的流动模式和稳定性。结果为确定安全操作窗口、优化关键参数和指导含水黄土的气动输送管道设计提供了依据。
