余艾冰：計算是理解顆粒體系的強有力工具

?余艾冰，澳大利亞計算顆粒技術研究中心主任。（圖片由余艾冰提供）

前言：

說到材料，我們可能會想到金屬、水泥等結構材料，也可能會想到具有精細納米結構和獨特物理化學性質的功能材料。但是，我們卻經常不會想到材料內部結構的組織模式：從這一角度出發，玻璃、鋼鐵、煤炭、水泥和許多其它常見的材料，都是由顆粒組成的顆粒材料。澳大利亞蒙納士大學教授余艾冰擁有30年顆粒系統研究經驗，在《國家科學評論》（NSR）專訪中，余艾冰闡釋了如何通過計算機模擬與模擬，來加深對顆粒材料的理解。

撰文 | 趙維傑

翻譯 | 瞿立建

責編 | 蔣海宇

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NSR：什麼是顆粒系統？它為什麼重要？

余艾冰：簡言之，顆粒系統是顆粒的聚集體，這一系統中通常也會涉及氣體、液體等工業過程中的其它物質相。在自然界和工業生產中，存在著多種多樣的顆粒系統（礦石、煤炭、穀物、沙子、大米、豆類、粉末、納米顆粒等），這些材料有濕有干，顆粒大小從納米到厘米，跨越多個數量級。顆粒材料是除水之外，人類使用最多的材料類型。超過70%的工業成品和中間產品都是顆粒材料。

?顆粒物質。圖片來源：維基百科。本圖片為譯者所加。

顆粒系統在工業生產中隨處可見，在理解其性質、操控其行為方面的任何微小改進，都可以帶來巨大的經濟效益。例如，僅限於美國化工產業，據估算其40%的產值提升（每年約610億美元）與顆粒研究相關。

另一例子，研磨工藝是礦物工業中的重要環節，也是以低效（通常小於10%）和耗能（占礦物加工廠直接運營成本的40%）著稱的環節。因此，工業界非常需要研磨相關的研究，希望能夠得到終極解決方案，更好地設計、控制和優化相關工業過程和產品。顆粒科學與技術就是專門為解決顆粒相關問題而產生的交叉學科。

NSR：顆粒系統有什麼獨特性質？

余艾冰：顆粒材料兼具固液氣三種物質聚集狀態的特徵。在特定條件下，它們可以像固體一樣承受形變，像液體一樣流動，或者像氣體一樣被壓縮。微粒/顆粒物質可以被認為是一種新的物質聚集狀態。在多年研究之後，我們對它的理解依舊很不完善。

對顆粒系統理解的不足限制了工業生產的水平。平均而言，對於顆粒系統，我們現在只能達到工業生產設計能力的50%，而在只涉及氣相或液相的工業領域中則可以達到90%。顆粒材料應用廣泛，但在許多相關工業過程中，我們對過程中顆粒行為的了解十分有限，其實際操作不得不依賴經驗，幾乎等同於「黑箱」 操作。

NSR：為什麼要用計算手段研究顆粒系統？

余艾冰：對於許多工業過程的設計、控制和優化，對控制顆粒行為的原理的理解非常重要。我們擁有各種可用於顆粒系統行為測定的技術，但在最基本的物理層面，我們還缺少解決實際問題的通用和可靠的方法。這在顆粒系統動力學研究中特別明顯。顆粒系統動力學涉及至少三個關鍵因素：速度、結構和力。既往研究很大程度上僅限於速度，因為其它二者的信息都難以測定。

計算機模擬與模擬技術可以幫助解決這個問題。這些技術通常會使用多尺度方法來理解不同長度和時間尺度中的現象，包括：(1)在分子或亞顆粒尺度上確定顆粒、流體和容器壁之間的相互作用力，以及顆粒和/或孔隙的輸運行為；(2)在微觀或顆粒尺度上，了解不同流動條件下的顆粒流動和受力結構；(3)在介觀/宏觀尺度上，給出基於連續介質的過程建模所需要的控制方程、本構關係和邊界條件；(4)在工業生產尺度上，對流動和生產過程的性能進行量化，以更好地控制和優化生產。此外，在流體存在的情況下，我們還需要考慮如何將流體的流動和熱量、質量的傳遞相耦合。

過去20多年裡，計算機技術飛速發展，衍生出許多先進的計算方法。這些方法被用來解決各種問題。計算方法已經逐漸成為服務於基礎研究和工程應用的強大工具。

NSR：在材料科學中，有限元法（FEM）常用於宏觀連續介質模型，而分子動力學模擬（MD）則多用於微觀離散模型。針對顆粒系統的關鍵建模方法是什麼？這些方法如何實現多尺度模擬？

余艾冰：和材料科學相似，現有的顆粒系統模擬方法也分為兩類：宏觀層面的連續介質法和微觀層面的離散法。連續介質法一般通過計算流體動力學方法（CFD）實現，而離散法通常採用離散單元法（DEM）。

它們分別對應於材料研究中的FEM和MD，但其中涉及的力不同。根據研究需要，我們需要採用不同的數值方法來評估不同時間和長度尺度下的顆粒行為。例如，我們可以利用MD或FEM來確定顆粒之間的作用力，用DEM模擬顆粒尺度上的顆粒流，用CFD或FEM模擬工業生產尺度上的顆粒流。

此外，我們還需要模擬顆粒—流體耦合的兩相流。兩相流模擬問題會根據涉及的尺度而採用不同的模擬方法。流體流動的時間和長度尺度可以比顆粒還小得多（例如，格子玻爾茲曼方法（LBM）或直接數值模擬（DNS）)，也可能比顆粒大得多（例如所謂的雙流體模型（TFM）)。相應地，我們還有將以上方法相結合的方法，如LB-DEM、DNS-DEM和CFD-DEM。

所有這些模擬技術都已經在文獻中得到了詳細的闡述。不過，它們的實際應用效果要取決於具體的研究對象和研究目標。因此，被模擬的過程的尺度可以是亞顆粒、顆粒，甚至是工業生產尺度。

NSR：顆粒系統的模擬與模擬主要面臨哪些挑戰？

余艾冰：顆粒系統建模絕非易事，因為系統中顆粒數目巨大，顆粒間相互作用又複雜多樣。顆粒系統的複雜行為在宏觀尺度上難以理解、預測和控制。另一方面，顆粒體系的整體行為是大量個體顆粒行為的集合。這意味著，宏觀的複雜行為是可以被微觀過程所決定和描述的。

但在實踐中，實現顆粒系統建模需要結合多個學科的知識和方法，包括數學、物理、工程和計算技術等。我認為，我們現在急需在不同時間和長度尺度上，對顆粒系統進行創新性的、高度系統化的研究。這將幫助我們建立起從微觀到宏觀的建模與分析的完備理論。因此，我在以前幾篇綜述文章中總結了顆粒系統模擬與模擬的三大挑戰：

首先，開發更完備的理論和實驗技術，以確定不同條件下顆粒間、顆粒與流體間的相互作用力，從而為顆粒尺度模擬奠定更堅實的基礎。

其次，建立一個通用理論，將離散顆粒法和連續介質法相結合。在此基礎上，我們對顆粒尺度下獲得的顆粒之間、顆粒與容器壁之間、顆粒與流體之間的相互作用進行量化、建立本構關係和邊界條件，用於模擬過程工程的連續方法中。

第三，開發可靠的模型和高效的計算程序，使顆粒尺度的模擬得到擴展。比如，從兩相流擴展到多相流，從簡單流動擴展到複雜流動，從流動擴展到傳熱和傳質。這些擴展很重要。因為一旦實現，過程模擬將替代現象模擬成為真正解決工業問題的有效手段。

在過去約20年中，我的科研團隊主要從事的就是這三個方面的工作。

NSR：在顆粒系統計算方面，你的科研團隊取得了哪些進展？

余艾冰：我的科研團隊的研究主題是「顆粒系統的模擬與模擬」。我們試圖理解顆粒流動和堆積的基本原理，並著眼於礦物、冶金、材料工業等方面的應用。我們的工作內容非常廣，但取得的進展可以用兩個實例說明。

第一，我們建立了預測孔隙率（孔隙率=1-堆積密度）的數學模型。孔隙率是描述顆粒系統最常見的一個宏觀參數。無論一個顆粒系統是由球形或非球形顆粒構成，是大（無粘結性）還是小（有粘結性），是干還是濕，它的堆積都可以根據顆粒的尺寸和球形度的分布函數來預測。該數學模型能回答不少問題，比如「在不同條件下，如何優化顆粒大小分布來獲得最大堆積密度？」這是一個困擾了科學家一個多世紀的經典問題。

第二，我們對用於描述顆粒-流體的耦合流動的CFD-DEM方法的發展做出了多方面的原創貢獻。我們採用MD、FEM和LBM為CFD-DEM方法建立了描述顆粒間，以及顆粒與流體間的相互作用力的本構關係；並發展了在不同時間和長度尺度上對描述流體的CFD方法和描述顆粒的DEM進行耦合的理論。目前，CFD-DEM被廣泛認為是在對顆粒-流體流動的基礎研究中最有效的研究方法之一。最近, 我們進一步發展了該方法, 以便能在顆粒尺度下處理傳熱和傳質問題，這使高爐煉鐵等複雜工業多相過程的顆粒尺度模擬成為可能。

NSR：模擬與模擬能用來設計和控制實際顆粒系統嗎？有沒有成功的例子？

余艾冰：計算機技術發展飛速，顆粒系統的計算機輔助設計也隨之流行起來。連續法比離散法計算效率高，因此在過程建模和應用研究中更受歡迎。不過，計算要求更高的離散計算方法也很受關注，因為它可以得出更基本和更可靠的計算結果。尤其是現在超級計算機和GPU（圖形處理器）等先進計算技術，已使許多工業過程的模擬成為可能。

利用計算方法進行工業設計的成功案例已經不少。事實上，我的研究團隊一直從事這類工作。我們的數學模型——無論由連續法或/和離散方法建立起來的—— 能描述煉鐵高爐中複雜的流動、傳熱和傳質，以及重介質旋流器中的多相流。模擬與模擬可以幫助複雜工業過程的設計和控制，並且為生產帶來了巨大效益。在過去我們已經開展了60多個相關項目，得到了澳大利亞研究理事會和工業界超過7000萬美元的資助。許多研究項目為工業界每年節省數百萬或千萬計美元。

NSR：你如何看待顆粒科學與技術的前景？

余艾冰：很多人問過我這個問題。我每次的答案都差不多。依我看，顆粒科學與技術是一門相對較新的交叉學科。按1991年諾貝爾物理學獎得主皮埃爾-吉勒·德·熱那教授的說法，「1998年的顆粒系統研究水平相當於1930年的固體物理研究水平」 。直到今天，固體物理仍然是最活躍的研究領域之一。所以說，顆粒或微粒體系的研究還處於起步階段，還有很多東西需要發展，未來不好預測。

?皮埃爾-吉勒·德·熱那，法國物理學家，1991年諾貝爾物理學獎得主。圖片來源：維基百科。本圖片為譯者所加。

好消息是，顆粒研究的重要性已經被充分認可。如何發展一個顆粒動力學理論被《科學》雜誌列為125大科學難題之一，足以說明這點。鑒於此，我確信在顆粒系統的理論體系、物理模型和研究技術等方面，都會不斷產生新的進展，而顆粒尺度的研究將會成為主流。

NSR：顆粒系統的研究方法，包括實驗方法和計算方法，可以擴展到其他研究領域嗎？

余艾冰：如前所述，顆粒系統是可以與常規固液氣相相併列的物態。只不過它的基本組成單元是顆粒，而非原子，因此與傳統的三相在時間和長度尺度上有顯著差異。正由於此，顆粒物質與常規物質所涉及的力和實驗方法是不同的。

但在數學上，其控制方程具有一定的可比性，所以數值實驗的方法是相似的。比如說，材料和顆粒物質的模擬方法，MD和DEM，FEM和CFD，分別密切相關。所謂的微觀、介觀和宏觀尺度只是相對概念，其差別在於系統中的基本組成單元是原子還是顆粒。

在本質上，我們可以在承認每種問題獨特性的同時，將多尺度建模的方法從顆粒體系衍生出去。我們也做過這方面的工作，對多種大相徑庭的系統進行過計算研究：如納米粒子的合成和應用，有機粘土/納米複合材料的結構，快速冷卻過程中鋁的結晶，以及對顆粒、結構、性質三者關係的理論研究。這些研究的目的之一是理解不同時間和長度尺度上的力是如何使原子和顆粒產生不同的行為模式的。

NSR：總體而言，中國科學家在這個領域處於什麼水平？

余艾冰：中國科研實力漸強，科研隊伍龐大。雖然這其中從事顆粒物質研究的人員比例較小，但中國仍有許多從事顆粒系統的模擬與模擬的研究者。該領域的工作大致可分為兩類：模型開發和模型應用。前者發展理論，難度較大；後者將開發好的理論或數學模型應用到具體的過程中，相對容易。迄今為止，理論貢獻主要來自海外研究人員，中國研究人員更多致力於模型的應用。

值得關注的是，中國一些研究小組在顆粒科學和技術方面取得了不俗的成績。他們的研究的內容也十分廣泛，從理論發展到工業應用都有涉及。李靜海教授領導的研究團隊是個很好的例子。他們開發的能量最小多尺度（EMMS）模型很有獨創性，已被證明可以用於顆粒—流體流動研究，特別是用在流態化過程中。這一模型或研究方法也許能用於不同類型的複雜介觀現象。

?李靜海，中國科學院院士，國家自然基金委員會主任，中國科學院過程工程研究所研究員。圖片來源：中國科學院過程工程研究所。（本圖片為譯者所加。）

NSR： 你對計算材料領域的青年科學家有何建議？

余艾冰：計算已成為基礎研究和工程應用的重要工具。它不僅為科學和技術的發展提供方法，也為年輕科學家帶來機遇。要想在這個快速發展的領域中有所建樹，可以考慮以下幾點建議：首先，要努力工作；其次，要選定一個重要的領域或問題；第三，要做好在選定領域中專註工作許多年，甚至是一輩子的準備。

天道酬勤，有耕耘才有收穫。只有努力才有可能成功。我們可能經常聽到各種各樣的失敗原因，但我認為失敗的真正原因只有兩個：努力不夠，或者能力不夠。

祝青年科學家們好運！

余艾冰，廣東開平人，顆粒系統和過程工程領域頂尖科學家、」顆粒系統模擬與模擬」領域的開拓者和奠基人之一。余艾冰是澳大利亞工程院院士、澳大利亞科學院院士，中國工程院外籍院士。現為澳大利亞蒙納士大學副校長兼蘇州分校校長，澳大利亞計算顆粒技術研究中心主任，東南大學-蒙納士大學聯合研究院院長，江蘇省產業研究院工業過程模擬與優化研究所所長。（本簡介為譯者所加。 ）

英文原文2018年5月發表於《國家科學評論》（National Science Review,NSR），原標題為「Computationas a powerful tool for understanding particle systems: an interview with Aibing Yu」。NSR是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯合出版。《知識分子》獲NSR和牛津大學出版社授權刊發該文中文翻譯。

製版編輯：黃玉瑩|

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