香港科技大学土木及环境工程学系教授、香港科技大学深港协同创新研究院特聘教授赵吉东教授及其团队成功研发了一种革命性的计算框架，深化了科学界对土壤、沙粒和药物粉末等颗粒材料动力学的理解。此突破性模型能透过综合分析水、空气及粒子间的相互物理作用，准确预测山泥倾泻，改善农业灌溉及石油抽取系统，并有助提升食物和药物的制造流程。研究成果目前发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

以下内容转载自：香港科技大学快讯

港科大的赵吉东教授（中）及Amiya Prakash Das博士（右）与荷兰乌特勒支大学的Thomas Sweijen博士（左）携手合作，研发了一种革命性的计算框架，深化了科学界对土壤、沙粒和药物粉末等颗粒材料动力学的理解。

| 预测颗粒材料动力的挑战

固体颗粒材料（如：土壤、沙子，以及制药和食品生产中使用的粉末）的流动，是支配许多自然环境与工业过程的基本机制。理解这些颗粒与周边流体（如水、空气）的互动关系，对预测土壤崩塌或流体渗漏等状况至关重要。然而，现存模型在捕捉这些相互作用，尤其是当这些物质处于「不完全饱和状态」，因而牵涉到毛细吸力、黏滞力等复杂的计算因素在内时，要精准预测这些状况极为困难。

| PUA-DEM革新颗粒模型范式

为应对这些挑战，港科大土木及环境工程学系的赵吉东教授及其团队研发了「孔隙单元体 – 离散元模型」（简称PUA-DEM模型）。有别于传统模型多采用过度简化的单向流固耦合分析（如仅考虑流体对固体的单向影响等），PUA-DEM模型能综合计算颗粒、空气和水之间的物理交互动态，透过多向耦合分析，精准捕捉固体及流体的移动，并能准确模拟颗粒在不同饱和状态（从完全湿透至完全干燥的情况）下，压力释放程度的变化。

基于基础物理原理，这首创模型能精准预测流体和固体在交互作用下各种复杂状况，在岩土工程、环境科学与工业制造等领域，均有巨大的应用潜力。

| 颗粒模型应用广泛

研究团队正寻求与政府及业界合作，期望应用此技术以助解决现实生活的不同挑战。当中包括开发山泥倾泻早期预警系统；透过模拟根土保水能力的交互作用以完善洒水灌溉策略；以及透过多方流体预测系统以协助改进现时石油采集以及碳封存工序的效率等。除此以外，新技术亦有望革新药物制造，透过更精准控制粉末的加工程序，使药物生产更安全和更高效，并有助确保药物剂量的一致性，从而提升疗效及改善病人预后。在食品制造方面，新技术可望革新咖啡、糖，以及婴儿配方奶粉等颗粒生产工序，改善其质地、溶解度以及保存稳定性等，亦有效减少耗能与浪费。

赵教授解释：「PUA-DEM为非饱和颗粒体系数值建模带来了范式转变。通过解析孔隙尺度的流固相互作用，我们现在能预测微观过程如何控制宏观颗粒材料行为，例如毛细管形成和颗粒膨胀怎样影响土壤崩塌或储层流体渗漏，这项研究为多方应用开辟了新道路，将有助于设计安全性高的基建、提升农耕技术、改进精密制药流程，以及助力应对各种与能源相关工程的挑战。」

| 深化研究继往开来

展望未来，论文的第一作者、港科大博士毕业生Amiya Prakash DAS博士表示，团队将继续研究并扩展PUA-DEM的功能。他表示：「我们下一阶段的目标，是纳入不规则颗粒形状和浸润效应，将实验室研究的成果落地。日后，我们还将探索混合计算策略，以模拟颗粒材料中的反应性流体运输和干燥开裂现象。」

本研究由上述两位港科大学者与荷兰乌特勒支大学的Thomas SWEIJEN博士合作完成，成果以「三相颗粒介质的微观力学模拟」为题发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

（A）PUA-DEM三相系统流体—固体域划分示意图。空气—水介面分布与毛细管力在DEM颗粒上的对应关系。（B）毛细吸力主导状态。（C）悬液机制主导状态。（D）流体介面失稳：毛细指进（左）与黏性指进（右）。（E）含膨胀材料的颗粒介质中力链演化：低围压（左）与高围压（右）。