第1章绪论
　　1.1颗粒介质问题研究的重要性
　　颗粒介质的运动问题是与我们日常生活息息相关的一大类科学问题，例如在航空航天动力系统中的颗粒的流动给发动机结构造成不同程度的破坏（航空发动机压气机内异物冲蚀过程、燃烧室内雾化液滴在壁面附近的烧蚀过程、涡轮叶片上形成积灰与堵塞气膜孔问题等；舰用燃气轮机内盐雾的沉积与腐蚀；固体火箭发动机内的铝颗粒燃烧产物对喷管的冲蚀等）；在自然界中发生的滑坡、泥石流、火山碎屑灰沉降等给人类的生命和家园造成了严重的破坏；在工业上很多加工过程都涉及颗粒的输运和堆积（锅炉中煤粉的输运、食品加工中原料粉末的输运与黏结、药品加工中药物颗粒生成与包覆等）；另外，外星球表面地貌的形成原因，甚至社会科学中的诸多问题如人流问题、车流问题、复杂系统科学问题等均涉及颗粒介质的运动过程。因此，建立颗粒介质运动的宏观预测理论一直是物理学领域的一个重要目标，2015年，Science将颗粒介质力学行为的通用理论模型（普适本构方程）定为人类未解决的125个科学难题之一。2021年，Science又发布了新版的125个科学难题，其中“集体运动的基本原理是什么？”这一问题与颗粒介质群体运动行为原理具有理论相通性。本书主要针对这一科学难题，提出一种描述颗粒介质全相态的物理模型和数值模拟方法，为预测颗粒介质的运动规律提供一条新的有效的途径。本书中颗粒的类固、类液、类气行为均是针对颗粒群体运动而言。
　　颗粒介质作为一种由介观离散颗粒组成的宏观无定形态物质，根据颗粒体的体积分数不同和载荷作用条件不同表现出一些不同的行为特征［14］，如类固体行为、类液体行为、类气体行为以及几乎不受其他颗粒约束的惯性运动行为等。同时，在实际颗粒介质运动过程中，这些行为特征不是以单独某一种状态存在的，而是多种状态同时存在，并且不同状态之间频繁地发生着相互转化。
　　首先，以航空发动机压气机或涡轮内叶片表面存在的积灰问题为例进行分析，灰尘颗粒在气流的裹挟作用下进入发动机内流场中，这时的颗粒处于稀疏的类气态甚至是超稀疏惯性运动状态，颗粒间相互作用以瞬时的二体碰撞为主；随着颗粒受到壁面附近涡流的影响或壁面的黏附作用，颗粒在壁面附近产生团聚，并逐渐在壁面上堆积，这时颗粒间的作用方式逐渐转变为长时接触，颗粒堆集体在壁面附近发生缓慢的蠕动，表现出类液体行为；随着流场中的颗粒继续向壁面沉积，颗粒堆厚度逐渐增加，颗粒的蠕动逐渐消失，颗粒间处于完全接触状态，力链增长，整体表现出固体结构的行为，运动非常缓慢，在受力屈服的过程中会形成剪切带，应力状态也表现出率无关性。
　　然后，以航空发动机燃烧室内燃油雾化过程为例进行分析阐述，航空燃油在油箱和管路中以连续的流体状态储存，遵循流体力学定律，其经过喷嘴加压后喷向空间中形成液膜、液丝再到液滴，燃油在雾化形成液滴前可等效为颗粒体的类固态，只不过这种类固态与固体颗粒的类固态不同之处在于它在表面上具有一定的能量（表面张力）。连续的燃油液体经过喷嘴形成一定的液膜形状，在液膜的边缘受到自身惯性、黏性、表面张力以及气动力的剪切作用而发生失稳破坏，形成大量的液滴颗粒体，等效为由类固态转变为类液态，颗粒的运动遵循类液体运动规律，液滴与周围的多个液滴之间均存在碰撞和剪切作用；随着液雾在空间中的扩散，液滴的体积分数逐渐减小，同时也由浓密液雾转变为稀疏液雾，液滴之间的碰撞不再遵循长时接触，而是以两两液滴碰撞为主，液滴群也由类液态转变为类气态；当液滴继续在空间中弥散，液滴体积分数继续减小，小到一定数值后，其与其他液滴间的碰撞作用不再明显，这时便表征液滴相转变为惯性态。
　　最后，以地质灾害领域内的滑坡问题为例进行相态分析，对于一个高位远程滑坡问题来说，滑体是由很多碎石颗粒组成的，滑体在发生滑动之前以类固态形式存在，其在山坡上保持静止状态；在地震、台风、降雨等恶劣外界条件下，滑体底部截面发生失稳破坏，整个滑体开始向山下运动，在运动的过程中受到周围山体的碰撞作用发生解体破坏，开始以类液态的形式运动；随着运动距离的增加，势能更多地转化为滑体的动能，碎石之间的相互碰撞作用逐渐增强，多颗粒长时长程接触作用逐渐减弱，滑体的体积开始膨胀，碎石之间逐渐以两两碰撞为主，转化为类气态形式运动；随着运动距离的进一步增加，处于滑体运动边缘的碎石由于受到周围山体和主滑体的束缚较小，其运动更加剧烈，运动的范围更广，与其他碎石之间的碰撞很少发生，这时这一部分碎石转化为以惯性态形式运动。
　　由此，我们可以发现一种自然现象或一个工业过程的发生，往往是伴随着颗粒介质的多个运动状态甚至是全部运动状态存在的，很少以单一运动状态存在。针对以上提到的颗粒介质不同相态问题，已经提出了大量的理论来描述不同相态下的力学行为。但当涉及不同相态的物质共存时，现有的理论并未获得较好的结果。对于跨越颗粒类固态、颗粒类液态、颗粒类气态和颗粒惯性态四种相态的颗粒介质统一理论，仍然是尚在讨论之中的问题。因此，建立颗粒介质运动的全相态物理理论与数值模拟方法对于解决实际问题具有重要的意义。
　　1.2认识颗粒介质及其多相态性
　　1.2.1颗粒介质
　　颗粒介质通常是指由尺寸大于1μm的颗粒组成的宏观体系。当颗粒尺度小于1μm时，热运动即布朗运动会有重要影响，若颗粒尺度更小，微观相互作用则起主要作用。因此，这些小尺度颗粒的运动规律与宏观颗粒不同。对于宏观颗粒，经典力学可以给出单个颗粒运动状态的精确解，然而，大量颗粒组成的体系具有特别的性质和运动规律。有研究表明，地球上一半以上的生产活动都会涉及颗粒介质。可以说，颗粒介质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类型之一。
　　颗粒介质根据颗粒自身状态的不同，又可以分为固体颗粒、液体颗粒（液滴）、气体颗粒（气泡），由此组成了不同种类的颗粒介质，如化工领域中的粉末颗粒形成的气固两相流、动力系统中液雾颗粒形成的气液两相流、海洋领域中大量气泡形成的液气两相流、自然灾害领域中由碎石泥土（泥石流）形成的液固两相流等。不论是哪种颗粒体，由于颗粒介质的短程无序、长程有序的结构形态特点，颗粒体在宏观上都表现出一些共同的性质，如涡旋结构、射流锥角结构、堆积体结构等。
　　由于实际中的每个颗粒都具有自身的物质属性和运动属性，每个颗粒都可以看成是一个独立的子系统，而实际工程中颗粒的数量往往是巨大的，由单颗粒组成的颗粒介质则构成了一个复杂的巨系统，系统内部子系统之间存在着复杂的相互作用，不仅整体表现出一些特殊的行为，同时局部区域上表现出来的现象还千差万别，因此，对这一系统进行准确描述将是一项非常具有挑战性的课题。
　　1.2.2颗粒介质的性质
　　颗粒介质具有以下性质：
　　（1）颗粒介质具有跨尺度特征。从宏观来看颗粒介质整体表现出来的是宏观尺度特征，颗粒体表现出一些宏观力学行为；从单个颗粒来看，每个颗粒表现出来的是介观尺度特征，颗粒颗粒之间存在着相互作用力；再进一步从颗粒内部来看，颗粒内部分子的热运动使单颗粒具有一定的力学性质，但是该力学性质不是产生颗粒宏观流动现象的本质，同时颗粒之间虽然通过摩擦生热将一部分能量转换到颗粒内部影响内部分子的微观运动，但作为一个颗粒流整体，这部分的微观运动很难影响到整体颗粒形态。因此，本书中忽略颗粒内部分子的热运动。
　　（2）颗粒介质具有区别于通常的连续介质的特征。通常的连续介质从宏观到微观主要包括两个层次： 宏观的连续介质力学尺度和微观的分子动力学尺度；而对于颗粒介质更精确来说应该包括三个层次： 宏观的连续介质力学尺度、介观的颗粒动力学尺度以及微观的分子动力学尺度，这三个层次之间是一种逐层过渡的关系而不具有跨越层次之间的关系。例如，宏观的颗粒流介质遵循一定的连续介质力学定律，其主要是受到介观尺度的颗粒动力学影响，包括颗粒与颗粒之间的碰撞、黏结、摩擦等，而与微观尺度的分子动力学不具有直接的影响关系；微观分子动力学直接影响的是单颗粒的力学性质，如刚度、脆性表面形态等，通过这些参量间接影响颗粒介质的宏观特性。然而，颗粒介质在介观存在的一些现象可类比于微观分子动力学中分子间存在的现象，类似于宏观的气体动力学是由微观的气体分子之间的碰撞作用所决定的，微观分子热运动越剧烈，宏观气体温度越高，压力越大；介观颗粒之间的碰撞作用越明显，宏观颗粒流表现出来的压力也越大。
　　虽然颗粒介质如上述阐述的那样可以根据不同层次结构进行研究，但是颗粒介质的宏观运动和介观尺度之间缺乏明显的尺度分离，例如颗粒介质在失稳破坏发生流动的过程中，剪切带的尺度仅为数十个颗粒粒径；颗粒介质破坏后的部分颗粒运动剧烈，脱离主流运动，呈现出颗粒介观的动力学行为，与宏观尺度无法有效区分。
　　（3）颗粒介质的多相态特征。作为一种由介观离散颗粒组成的宏观无定形物质，根据颗粒的体积分数不同和载荷作用条件不同会表现出一些不同的行为特征。例如颗粒体在堆积状态时，整体表现出固体结构的行为，运动非常缓慢，在屈服的过程中会形成剪切带，应力也表现出率无关状态；当颗粒堆积过程中承受的等效剪应力与等效体应力的比值超过材料阈值时，颗粒介质发生塑性流动，类似于液体流动的行为，表现出液体之间的黏性剪切作用；当颗粒之间运动的速度梯度继续加大，颗粒体积分数减小，不再等价于不可压缩状态时，颗粒与颗粒之间的相互作用力也不再遵循多颗粒接触假设，而以频繁的二体碰撞为主，碰撞速度相互独立，应力表现为剪切速率的二次函数，这时的颗粒流表现出类似气体运动的行为；当颗粒的体积分数继续减小，颗粒间的二体碰撞假设也不再满足，颗粒间碰撞的概率已经非常小，颗粒以受到的体力作用和外部流场作用为主，这时从尺度上来说颗粒属于介观尺度范围，不再遵循类液体的连续介质力学定律，因此不适用于以上三种状态描述，我们称这种状态为惯性态，遵循质点动力学运动定律。
　　本书主要从第三个特征角度进行分析研究。
　　1.2.3颗粒介质问题所涉及的领域
　　颗粒介质渗透在人们的日常生活、工业工程、生态环境等各个方面，它与提高人类的生活水平、发展国民经济密切相关。这里专列一节进行详细描述以期对各领域内的颗粒介质问题有一个深入系统的认识。
　　（1）航空发动机领域：航空发动机环境适应性问题中涉及沙尘空气吸入、冰雹侵入、水雾吸入、含盐水分侵蚀、酸性液雾腐蚀、严寒冰块吸入以及其他外来异物侵入等；航空发动机燃烧室内液雾的形成、液雾与壁面的碰撞以及液雾蒸发燃烧过程；航空发动机涡轮内微细小颗粒的沉积及其对换热特性的影响；航空发动机燃烧室内喷雾火焰的碳烟颗粒生成问题；航空发动机润滑系统中油滴与壁面的相互作用等。
　　（2）火箭发动机领域：固体火箭发动机铝粉颗粒的聚集、燃烧、流动、沉积以及对喷管喉部的冲蚀等；固体推进剂中高氯酸铵颗粒的承载、燃烧等问题；固体火箭发动机含颗粒的羽烟状尾流的红外辐射问题；液体火箭发动机内的推进剂雾化与燃烧；液体火箭发动机的气体液滴两相羽流场问题；高能量密度液体火箭发动机内铝粉颗粒与推进剂组成的液体颗粒两相流问题等。
　　（3）智能制造领域：研磨机造粒系统、气粒两相流造粒系统、均质机系统等设备内粉体的制备过程；含能材料中金属铝粉的制备；增材制造中的喷粉、铺粉、熔粉、聚合、凝固等过程。
　　（4）环保领域：大气环境中PM2.5颗粒的预防和治理；工业除尘设备（袋式除尘、静电除尘、喷雾除尘、无动力除尘等）内颗粒的运动与沉降；生物质环保材料中颗粒的制备加工；复合污染大气中二次颗粒物生成和转化等。
　　（5）地学领域：给人类财产和生命安全造成重大影响的山体滑坡、泥石流、雪山崩塌、火山喷发与碎屑灰沉降等；沙漠地带土地的风蚀、沙丘迁移、沙尘暴形成等；滑坡造成的堰塞湖、堵江溃坝、山石冲毁坝体等问题。