是什么决定雨滴的下落速度、河口沉积物的沉降速度，以及超新星爆发时物质的喷射速度？研究人员指出，这些看似相距甚远的现象都与同一关键过程相关：含颗粒流体与无颗粒流体之间的混合速率。类似机制也出现在上升烟雾、沙尘暴、核爆炸，以及碳氢化合物精炼、金属冶炼、废水处理等涉及颗粒与流体共同运动的过程之中。

冲绳科学技术大学院大学（OIST）与都灵大学的研究团队近日通过新的数值模拟与理论建模，为研究人员和工程师提供了更系统的研究手段。团队表示，他们首次推导出描述重颗粒层混合的通用公式，并总结了相关现象的共同特征。相关成果已发表于《Physical Review Letters》。

论文第一作者、OIST复杂流体与流动单元博士生Simone Tandurella表示，模拟与模型可用于研究多类基础物理现象及应用流体工程问题，并为理解大尺度流体—颗粒不稳定性提供关键工具。

研究团队指出，尽管流体行为所遵循的基本物理定律相对简洁，但用于预测其行为的方程求解极为困难。以沉积物下沉为例，直观上过程并不复杂，但要在科学层面描述单个颗粒如何沉降、以及含沉积物水体与清水整体混合的速率，会受到多种力的长期耦合影响而变得难以处理。

这些影响因素包括颗粒的重量与排开体积、颗粒与液体之间的摩擦拖曳方式、重力或其他加速度场的作用，以及颗粒之间的相互影响。Tandurella将其复杂性类比为远超“三体问题”的多体相互作用。

为捕捉实验中难以精确复现的细节，团队开展了此前被认为难以通过计算实现的超大规模模拟：在由数亿个点构成的流体中，追踪10万个三维固体颗粒的运动。研究人员对每个颗粒与周围流体点之间的相互作用力进行计算，并在整个网格上同步求解Navier–Stokes方程；该过程以数百万步迭代推进。团队表示，这一工作依赖其长期开发的专用研究软件，以及OIST超级计算集群的架构支持。

模拟结果显示，沉积物羽流的形成是颗粒—流体耦合效应的重要表现：悬浮的重颗粒在重力作用下下沉时，会通过摩擦带动周围流体一同下沉；下沉流体进一步牵引周围颗粒，促使更多流体参与下沉，从而形成羽流结构。羽流排开等体积的清流，清流以相同速率上升并进一步推动沉积物流体下沉。研究人员称，由于颗粒的终端速度是相对于其周围流体定义的，羽流中心颗粒会加速至更高速度，形成反馈机制并提升整体混合速率。

OIST复杂流体与流动单元负责人Marco Rosti教授表示，过去忽略完整颗粒—流体相互作用的模拟难以观察到上述行为，而此次工作使研究人员首次能够更准确地复制并研究这些现象。

研究团队认为，结合此次模拟与对沉积物混合速度的理论框架，相关方法可用于进一步研究物理学及其他领域的基础问题，并支持废水处理、化学精炼过程优化、水道工程与土壤流失环境保护等流体系统的应用研究。