——记浙江大学航空航天学院工程力学系研究员郭宇
　　
□　倪海波

　　
　　
　　颗粒和粉体（一般指粒度小于100微米的颗粒）物质是工业生产中除了水之外最常见的物质，在化工、制药、冶金和能源工业中，必需的生产原料通常都是以颗粒散体的形态存在。其实颗粒和粉体也广泛地存在于我们的日常生活中，最常见的就是做饭用的食盐和面粉等。而一些自然灾害和环境污染例如沙尘暴、泥石流、雪崩和粉尘造成的空气污染等，其罪魁祸首也是颗粒物质。如果可以深入理解颗粒材料流动并发展出可靠的颗粒流动理论模型，就能为工业中相关设备的设计和优化提供理论依据，从而实现能源的节约、产品质量的改进和生产效率的提高，而且也有助于制定有效的措施，来防控自然灾害和治理空气污染。
　　但相比于水和空气等牛顿流体的流动，人们对颗粒流动的理解还远远不够。其中有一个重要原因就是颗粒系统有着复杂的力学行为，换句话说就是，在同一颗粒系统里，类似于固体、液体和气体的3种不同的力学行为可能同时存在。与水和空气的流动不同的是，颗粒流动的应力本构关系还受到固体体积分数和当前正应力的影响。这些复杂的力学行为，显著增加了发展颗粒流动理论的难度。此外，颗粒材料的自身性质如粒度分布和颗粒形状，以及颗粒间的相互作用如摩擦力和粘性力，也对颗粒的流动行为有着显著的影响。因此，目前尚不存在一个统一的理论可以描述所有颗粒材料的流动行为。而这一难题也曾在2005年被Science列入最前沿的125个科学问题中，即“能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的统一理论”。
　　为了更好地理解颗粒流动的规律，浙江大学航空航天学院工程力学系研究员郭宇及其所在的团队基于离散单元法（Discrete Element Method或DEM）模拟研究了非球形颗粒和柔性纤维颗粒的应力本构模型，并在发展复杂颗粒系统的连续介质力学描述上进行了有价值的尝试。
　　
以兴趣开启力学之门
　　力学作为一门独立的基础学科，在物理学、天文学和许多工程学中都有着广泛的应用。这门学科可以说是来源于人们于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。在建筑、灌溉等劳动中对杠杆、斜面、汲水器等器具的大量使用，逐渐积累起人们对平衡物体受力情况的认识。其中，最广为人知的力学实验莫过于被科学界誉为“比萨斜塔试验”的美谈佳话。1589年的一天，25岁的比萨大学青年数学讲师伽利略在比萨斜塔上将一个重100磅和一个重一磅的铁球同时抛下。在众目睽睽之下，两个铁球出人意料地差不多是平行地一齐落到地上。这个有趣的实验不仅揭示了自由落体定律，提出加速度的概念，也帮助伽利略奠定了动力学的基础。
　　这门能够揭示物质机械运动规律的科学，曾引起无数人的好奇心，郭宇也是被其深深吸引的一位。自高中读书时起，他就对力学产生了浓厚的兴趣，觉得这门科学的应用范围相当广泛，所以当填写高考志愿时，他选择了北京航空航天大学工程力学系。越是深入研究，他越觉得趣味十足。硕士阶段，他又凭借优异的成绩前往清华大学航天航空学院工程力学系继续深造。
　　幸运总是垂青于有准备的人。硕士期间，其导师庄茁收到了一封信，信中希望他能够推荐一名学生去英国读博士。一直以来刻苦钻研的郭宇就成了这名幸运儿。接下来的几年中，他一直在英国伯明翰大学化学工程系学习并取得了博士学位。此后他又前往美国成为相关领域的研发工程师和研究学者，也正是这段海外求学和工作的经历，开阔了郭宇的视野，使他有机会了解国外的学术环境和氛围。
　　
实践助力理论完善
　　海外学子们面临的第一个难关通常是语言关，他们不能清楚地表达自己的意愿，也听不大懂同行说的专业术语。初到海外的郭宇也不例外，但他总是努力地寻找机会来快速提高自己的英语水平。这种面对困难乐观拼搏的精神也使他在国外的求学和工作中做出了不俗的成绩。
　　博士期间，他的课题是关于制药方面的研究，即研究在制作药片或者胶囊的时候，药物颗粒的流动和填充过程。看似平常的颗粒流动，在制药过程中却发挥着非常重要的作用，它直接决定药物的填充效率乃至影响药片或胶囊的药效。这是因为颗粒在流动过程中，会因颗粒大小的不同而产生偏析，从而导致每个药片或胶囊的成分不均，最终影响药效。如果填充不均匀的话，也会使最终压制成的药片更易碎。如何避免这些问题，正是颗粒物质力学研究的目的。除了颗粒自身性质的影响，在其流动的过程中，还不可避免地要受到空气的影响，这同样也会影响填充效率，并且会影响颗粒的分离程度。因此研究空气会产生怎样的影响，如何避免这种影响，也是颗粒物质力学需要解决的问题。
　　正是在这一课题的研究中，郭宇发展了耦合离散单元（DEM）和计算流体动力学（CFD）方法，研究了制药和粉末冶金工业中颗粒材料的磨具填充过程，并通过数值模拟，首次系统分析了空气存在和颗粒性质对材料填充过程的耦合影响，包括颗粒材料的堆积、流动、混合和离析。该项研究加深了对这一过程物理机制的认识，为工业中优化设计磨具填充系统提供了理论依据。该项目也曾获得英国工程和物理科学研究基金委员会的资助。
　　理论研究的价值通常需要通过实际具体应用才能得到体现。郭宇在研究中实现了浸入边界法（Immersed Boundary Method）、离散元法和计算流体动力学的耦合，从而实现对动边界和不规则形状边界等复杂边界条件下颗粒和气体两相流动的数值模拟。这种算法简单，效率高的耦合数值算法也容易在实际中得到实现。应用该算法，郭宇他们模拟研究了若干典型工业气固两相流问题，如流化床、气体输送和气流引起的颗粒床离析。作为努力之后的回报，郭宇获得了2009年度国家优秀自费留学博士生奖学金的资助。
　　博士毕业后，在2011年时郭宇又前往美国佛罗里达大学，继续深入对离散单元方法的研究。期间还在美国颗粒技术咨询公司担任研发工程师，这也使得他的理论知识能够更加接近实际应用。
　　力学的研究方法一般都是遵循认识论的基本法则：实践—理论—实践。力学家们常根据对自然现象的观察，特别是定量观测的结果，根据生产过程中积累的经验和数据，或者根据为特定目的而设计的科学实验的结果，提炼出量与量之间定性的或数量的关系。这就需要建立模型。但理论和实践总是存在差异，而这种差异会直接影响结论的准确性和适用性，这就要求研究者们不断地调整模型，利用更科学的实验方法加以验证。在传统的颗粒材料连续介质力学理论和数值模拟方法中，固体颗粒的形状被简化成球形。然而，在实际情况中，绝大部分颗粒的形状都是非球形的。大量实验结果表明，颗粒形状对颗粒系统的微观结构和宏观物理、力学性质具有重大影响。因此，郭宇等人发展了非球形颗粒的离散元数值模拟方法以模拟细长颗粒和片状颗粒系统，研究其剪切流动行为，发展非球形颗粒系统的应力本构关系，创建不规则形状颗粒系统的力学模型。然后，他们将得到的力学本构模型嵌入颗粒系统流动的连续介质理论框架中，采用计算流体动力学（CFD）方法模拟较大尺度的复杂颗粒系统的流动问题。这种数值模拟方法及多尺度研究方案，被应用于研究航天器在外星球（例如火星和月球）表面着陆时的造坑和扬砂过程。其所取得的研究成果有助于设计航天飞行器着陆系统，减少高速飞行的砂石对设备的损害。而这项研究也获得了美国国家航空航天局（NASA）和美国国家自然科学基金（NSF）的资助。
　　
是归途更是新征程
　　在国外学习工作的10年中，郭宇能够从事相对基础的理论研究，并有机会将研究出的相关理论应用于大型制药公司、化工公司等，实现了理论与实际的紧密结合，也切实解决了实际生产中存在的一些颗粒技术方面的难题。部分研究成果已发表在流体力学、化学工程、软物质等领域的著名国际期刊上。基于其近几年在复杂颗粒流方面做出的成果，郭宇还曾受邀在Annual Review of Fluid Mechanics上发表综述文章。这些经历也使他更加明白了颗粒物质力学的重要性和其广阔的应用前景。同时，中国快速发展的科研以及在祖国工作和生活的归属感，也一直强烈地吸引着他。终于在浙江大学工程力学系向他抛出橄榄枝时，郭宇毅然选择回国，决定全心投身于中国颗粒物质力学的研究，开启一段新征程。
　　浙江大学（以下简称“浙大”）拥有综合性的力学研究平台，是国家工科基础课程力学教学基地及国家力学实验教学示范中心的重要建设单位，其固体力学和流体力学分别为国家和浙江省重点学科，而且具有雄厚的师资力量。这都使郭宇能够与系里其他老师通力合作，有机会将科研、教学推向新的高度。目前，郭宇和他的团队正在开展凸多面体颗粒流动的本构模型研究的面上项目。这一研究成果将有助于揭示颗粒表面棱角对颗粒流动微观结构和宏观行为的影响规律，建立有棱角颗粒的流动本构模型，发展颗碰撞能量耗散率模型，进而完成颗粒连续介质方程组的闭合，实现相关复杂颗粒流的连续介质模拟，从而为涉及颗粒流的工程生产实践提供更加准确、高效的分析工具，实现工业过程的优化设计。回国后，郭宇获得了国家自然科学基金面上项目（主持）、重点项目（参与）和浙江省杰出青年项目的资助。
　　来到浙大，郭宇不仅是一名研究员更是一名教师。而目前浙大力学系的课程主要集中在固体力学和流体力学，对于自然界中水之外最常见的颗粒系统的力学行为鲜有介绍。多年研究颗粒物质力学的他衷心希望在未来可以创建复杂颗粒系统的理论和数值模拟的课程，从而使学生对这种自然界最常见的物质系统之一的力学行为有进一步的了解。
　　现如今，数值模拟已经成为世界科学和工程的分析、预测和设计不可或缺的重要手段。而在其研究的过程中需要研究学者们投入大量的精力和保持长期研究的毅力。作为博士研究生导师的郭宇给学生们的首要建议就是要勤奋，“不勤奋很难做出东西”，有着多年从业经历的郭宇这样说。其次，要避免急躁，不能为了出成果而去造假。在谈到如何缓解科研压力时，这位年轻的博士生导师随和地说：“我也正在找一个平衡，找到自己舒服的状态，努力工作，自然出成果。顺其自然，科研也是天分加运气，做出努力就无怨无悔，真的没有满意成果也能够坦然接受。”
　　“既然选择了远方，便只顾风雨兼程”。科研之路，从来不是一帆风顺的。乐观随和的郭宇还将继续探索颗粒物质力学的奥秘，同时他也希望跟同行老师们一起培养一批理论基础扎实、工程经验丰富的优秀人才，一同攀登科研高峰。