颗粒流介尺度分析与连续化模拟

颗粒材料是由大量离散颗粒构成的无序体系，在工业生产与自然界中广泛存在，在外界作用下，可以类似固体保持稳定，也可类似流体发生流动。本书以碎屑流灾害为工程背景，鉴于预测真实坡体固--液转变十分困难，从物理角度类比工程滑坡的产生机理，构建颗粒离散流动体系，对比不同流态下的动力学参数，探究颗粒材料类固态--类液态转变的结构根源；从工程角度，将颗粒介质进行连续化处理，基于物质点法发展了适合颗粒介质大变形的模拟平台，分别模拟了黏质边坡滑动、无黏颗粒流动、颗粒流动冲击、饱和沙堆滑动等过程，主要的内容与创新点包括：
（1）构建固定压力条件下的平板剪切数值模型，以宏观连续本构为模型验证，对比不同流态下的力链网络、速度分布、能量特征，以自由基剖分为工具，研究了存在宏观剪切带的特定流态下，结构在剪切过程中的时空演化，发现五边对称是结构特征量，低五边对称区与剪切带相关联。
（2）基于物质点法，采用弹塑性本构，模拟颗粒流动过程，对模型参数进行试验反演。构建了颗粒流动对垂直堆积的三木块冲击的物理实验，类比灾害对建筑物冲击过程，考虑物质点法接触算法难以处理静止接触与多体接触问题，采用物质点法与块体离散元法耦合模拟颗粒流动冲击过程，较好地再现了试验中木块翻转现象，块体间的接触检测通过顶点缩进法实现。
（3）摒弃宏观唯象本构，构建了物质点法与颗粒离散元法的多尺度建模框架，宏观采用物质点法计算，每个物质点对应一个颗粒集合构成的代表性体积元，物质点处的宏观应变通过边界条件施加到体积元中，基于离散元计算，反馈接触应力，再进行下一步计算。以沙堆倒塌为基本算例，将宏、细观研究进行关联，分析了宏观行为的微观机理。
（4）采用两套物质点分别模拟固、液两相，依托混合物理论，采用考虑惯性力的达西定律与混合物动量守恒为控制方程，推导空间离散格式，发展了两相物质点法算法，构建了定水头条件下饱和沙堆滑动的物理模型，对比试验结果与数模结果，发现数模中剪切带位置与试验中滑动面位置基本吻合。

关键词：颗粒材料；平板剪切；结构分析；物质点法

颗粒材料是由大量离散颗粒构成的无序体系，在工业生产与自然界中广泛存在，在外界作用下，可以类似固体保持稳定，也可类似流体发生流动。本书从离散角度尝试分析颗粒材料复杂力学行为的物理本征，探究其流态转变的结构起源；从工程角度，将颗粒材料连续化处理，研究适合颗粒材料大变形问题的数值方法与其程序构建。颗粒材料是由大量离散颗粒构成的无序体系，在工业生产与自然界中广泛存在，在外界作用下，可以类似固体保持稳定，也可类似流体发生流动。本书从离散角度尝试分析颗粒材料复杂力学行为的物理本征，探究其流态转变的结构起源；从工程角度，将颗粒材料连续化处理，研究适合颗粒材料大变形问题的数值方法与其程序构建。

刘传奇，男，普林斯顿大学土木与环境系博士后，先后毕业于中国石油大学(华东)工程力学系（学士、硕士）与清华大学水利系（博士），已发表论文十余篇，曾获山东省优秀毕业生、北京市优秀毕业生等称号。主要研究领域包括颗粒材料多相/多尺度分析，岩土工程中的数值方法（无网格法、扩展有限元法等），侧重于理解与揭示颗粒材料复杂力学行为的物理本征，基于完备的数学表达，探讨与拓展岩土数值方法的适用性。