工程师们开发了一种突破性的计算模型，以研究颗粒材料（如土壤、沙子和粉末）的运动。通过整合粒子、空气和水相之间的动态互动，这种最先进的系统能够准确预测滑坡、改善灌溉和石油开采系统，以及增强食品和药品生产过程。
香港科技大学（HKUST）今天宣布，其工程学院的研究团队开发了一种突破性的计算模型，以研究颗粒材料（如土壤、沙子和粉末）的运动。通过整合粒子、空气和水相之间的动态互动，这种最先进的系统能够准确预测滑坡、改善灌溉和石油开采系统，以及增强食品和药品生产过程。
预测颗粒材料的挑战
颗粒材料的流动——例如用在制药和食品生产中的土壤、沙子和粉末——是支配许多自然环境和工业操作的基本机制。理解这些粒子与水和空气等周围流体的互动对于预测土壤崩塌或流体泄漏等行为至关重要。然而，现有模型在准确捕捉这些互动方面面临挑战，特别是在毛细作用和粘度等力的作用下的部分饱和条件下。
PUA-DEM：颗粒建模的范式转变
为了解决这些挑战，香港科技大学土木与环境工程系的赵济东教授领导的团队开发了孔隙单元组装-离散元模型（PUA-DEM）。与传统模型往往依赖过于简化的单向耦合（例如，静态粒子）不同，PUA-DEM结合了严格的物理原则来支配粒子、空气和水相之间的动态互动。这允许强健的多向耦合，准确捕捉流体流动、粒子运动以及在完全饱和到完全干燥状态的整个饱和条件下的应力和压力变化。
基于基础物理，该高保真模型是同类中的首个，在预测复杂多相行为方面取得了卓越的精度。它在地质工程、环境科学和许多工业过程中的应用具有重要潜力。
跨行业的广泛应用
团队现在正在探索与政府和行业的合作机会，将他们的模型应用于实际挑战，包括开发早期滑坡预警系统，通过水分保持和根系-土壤互动的模拟优化灌溉策略，以及利用该模型的准确多相流预测来增强碳封存和石油开采效率。其对粉末处理的精确控制也为制药制造提供了变革性的潜力，使得药物生产更加安全、高效，并提高剂型的一致性，这对于改善疗效和患者结果至关重要。该模型的能力还可能扩展到食品行业，潜在地通过优化颗粒产品（如咖啡、糖和婴儿配方奶粉）的质地、溶解速率和保质期，同时减少废物和能源消耗，从而彻底改变其设计和加工。
赵教授解释道：“PUA-DEM代表了在建模非饱和颗粒系统方面的范式转变。通过解决孔隙尺度的流体-固体互动，我们现在可以预测微观过程，如毛细桥形成和粒子膨胀，如何支配宏观行为，例如土壤崩塌或能量储层中的流体泄漏。这为设计更安全的基础设施、优化农业实践、改善制药制造及解决与能源相关的工程挑战开辟了新的途径。”
未来方向：扩展PUA-DEM的能力
展望未来，第一作者、最近毕业于香港科技大学的博士生阿米亚·普拉卡什·达斯表示，团队计划扩展PUA-DEM的能力。“在我们研究的下一阶段，我们旨在纳入不规则粒子形状和润湿性效应，进一步缩小实验室发现与现场应用之间的差距。未来的工作还将探索混合计算策略，以建模反应性运输和干燥引起的开裂，”他说。
该研究与荷兰乌特勒支大学的托马斯·斯韦杰博士合作进行。
