本项目拟采用多场同步测试、LES-DEM数值计算和理论分析相结合的方法，从介观和宏观两个尺度深入研究泵内粗颗粒固液两相流机理。. 探索采用3D打印技术制备不同物性的粗颗粒，同步采用三维PIV测试、高速摄影和动态压力测试等对泵内粗颗粒两相流进行多尺度测量；构建颗粒群模型解决流体计算与颗粒计算间网格尺度匹配的难题；引入离心力和科氏力改进DEM软球模型，建立一种适用于泵内粗颗粒两相流计算的LES-DEM联合模式；探究叶轮与压水室动静干涉作用下液相湍流结构变化对粗颗粒流型和流动稳定性的作用机理；研究颗粒间碰撞、破碎及群集行为对液固相间作用和能量传递过程的影响规律；揭示粗颗粒物性参数和泵主要结构参数与粗颗粒固液两相流动结构间的内在联系和量化关系，建立泵平稳运行时固液两相防堵平衡判定准则。. 项目旨在系统掌握泵内粗颗粒固液两相流机理，为粗颗粒两相流泵的发展提供试验数据和理论基础。

粗颗粒两相流泵送广泛应用于深海采矿、填海造岛、污水处理和泥沙清淤等重要领域。本项目力图掌握泵内粗颗粒固液两相流的流动机理，丰富固液两相流泵的内流理论，从而为深海采矿扬矿泵等关键设备的设计提供理论基础。本项目的主要研究内容和成果如下。 （1）建立了粗颗粒在泵内的受力模型和运动方程。针对泵内固液两相流动，分析了颗粒在泵内受力情况，建立了颗粒受力模型；通过对不同颗粒所受各种力的量级分析分别建立了泵内细颗粒和粗颗粒运动学方程。 （2）搭建了泵内粗颗粒固液两相流多场特性的同步测试试验台。设计了全透明粗颗粒固液两相流模型泵，搭建了粗颗粒固液两相流泵多场性能同步测试试验台，实现了能量性能、压力脉动、颗粒轨迹和碰撞特性等同步测试，并开发了一种粗颗粒固液两相流高速摄影图像的后处理方法，可直接得到颗粒运动轨迹。 （3）采用高速摄影测试了泵内粗颗粒固液两相流动的规律。研究发现在进口条件基本相同的情况下，颗粒绝对和相对运动轨迹的包角均先减小后增大；叶轮进口及泵出口处颗粒浓度均较高，叶片工作面颗粒浓度比叶片吸力面的要高，且颗粒靠近叶片工作面的趋势较为明显。 （4）基于CFD-DEM耦合计算对泵内粗颗粒固液两相流进行了数值模拟和分析。研究发现粗颗粒在叶片工作面的运动速度比在叶轮背面的大，且沿叶轮径向均逐渐增大；蜗壳内粗颗粒在隔舌下游及隔舌附近的运动速度最大。 （5）研究了粗颗粒不同物性参数对泵内粗颗粒固液两相流动的影响规律。研究随着颗粒粒径、颗粒密度和颗粒体积分数的增大，泵扬程和效率均逐渐降低；且随着颗粒粒径的增大，颗粒相对运动偏向叶片工作面的趋势越明显；随着颗粒密度的增大，颗粒相对运动越易与叶片工作面发生碰撞或摩擦。 本项目发表论文15篇，其中SCI检索8篇、EI检索2篇；授权发明专利2件，申请发明专利1件；获江苏省科技进步一等奖1项；培养硕士研究生4名、博士研究生1名。

岩石断裂一直是岩石工程的一个核心问题。岩石宏观力学属性决定于细观结构。为了探索岩石细观结构与宏观断裂性能之间的关系，并建立多尺度本构模型，进行了理论与试验研究。以大理岩为岩样，通过三点弯曲梁试验测得了宏观断裂能。通过SEM电镜扫描和图像处理技术分析了细观结构图。发现岩石颗粒界面网络结构及颗粒粒度分布都具有很强的分形特征。界面结构分形维数和粒度分布维数分别与宏观断裂能呈很强的二次方关系和线性关系。断裂能随着两种分形维数增加均增大，表明细观颗粒优化级配及界面结构应满足分形维数最大化，以增强宏观断裂韧度。根据细观结构特点，在虚内键(Virtual Internal Bond-VIB)理论基础上对岩石进行了多尺度本构建模。将细观颗粒抽象为几何点，颗粒之间通过VIB相连。为了反映颗粒之间的微裂隙，认为VIB满足两点分布。在裂隙处VIB系数取0，其它取1。通过该方法可以有效地将微裂隙效应引入宏观本构。为了有效地描述细观颗粒之间的压剪破坏机理，引入了微观Mohr-Coulomb准则，基于该准则的宏观本构可以有效地再现岩石三轴抗压强度和破坏特征。为了综合反映颗粒之间的剪切效应，建立了广义Stillinger-Weber势函数，同时考虑了键长和键角作用，使宏观本构方程更能全面地反映细观断裂机理。为了建立适用于大变形断裂分析的宏观本构，以离散键元胞代替岩石代表单元体，建立了离散虚内键(DVIB)本构模型。由颗粒之间相互作用直接导出了键元胞的本构关系(力-位移关系)，从而可以使DVIB直接模拟大位移、大变形岩石断裂破坏问题。为了反映不同细观断裂机理，元胞的本构关系分别基于两体势、广义SW势函数及弹脆性SW势函数，使宏观本构模型能够有效地模拟岩石动态断裂过程。为了解决DVIB的单元尺寸敏感性问题，提出了超弹双线性势函数来描述颗粒之间相互作用，考虑了微观断裂的尺度效应。完善了单元劈裂法(EPM),考虑了劈裂单元的体变形问题和裂尖单元问题。与扩展有限元(XFEM)相比，EPM同样可以在不用重构网格的情况下对裂纹扩展进行模拟，但却没有引入任何额外自由度。其原因在于EPM采用线性外推插值技术而非结点富集(Nodal Enrichment)技术。研究成果揭示岩石细观结构几何特征与宏观断裂能之间的相关性，为岩石断裂破坏分析提供了一套微宏观本构理论与计算方法。 2100433B

岩石细观结构由岩石颗粒组成，颗粒界面形成网络结构。这种细观界面网络结构几何特征、界面胶结及颗粒本身力学特性对岩石宏观力学行为具有决定性作用。本项目以这种细观结构为研究对象，拟采用电镜扫描和数字图像处理技术对岩石细观结构信息进行分析和提取，运用分形几何理论对细观颗粒界面网络结构、颗粒分布及细观裂纹扩展拓补结构进行描述；采用虚内键（VIB）理论对岩石细观颗粒和颗粒界面进行力学建模，通过数值模拟方法对颗粒界面胶结特性、颗粒本身力学属性、细观裂纹扩展和细观能量耗散关系进行研究，以明确岩石细观断裂机理，揭示岩石宏观断裂能的细观物理机制，并在此基础上构建岩石宏观本构模型，以期在本构模型中反映细观结构几何和断裂信息，丰富岩石本构物理内涵，加深对岩石力学行为的理解和把握。此研究为揭示岩石宏观力学行为的细观机理具有重要意义，同时也为裂隙岩体、陶瓷、混凝土等材料的多尺度力学模型研究提供了新思路。

运用量子力学（QM）、经典分子动力学（MD）、半经验量子MD和从头算MD以及耗散粒子动力学（DPD）等理论方法，对多系列含能化合物（如硝基、硝胺和硝酸酯类）分子、典型含能晶体（如TATB、HMX、RDX、CL-20和PETN等晶体）以及多类型含能复合材料（如以TATB、HMX和RDX为基与多功能高聚物组成的多类高聚物粘结炸药），分别地进行系统的微观与介观尺度的计算和模拟，研究它们在不同温度和不同强度冲击波作用下的分解反应和起爆机理；考察组成、结构、相互作用能、力学性能与感度特性之间的联系；探索内部和外界条件对含能分子、晶体和复合材料的致钝效应的影响，揭示致钝机理，建议致钝方法。通过本项目研究，不仅要发现许多新的现象和规律，提高基础理论学术水平；还要为含能材料的安全使用和高能钝感含能材料的设计和制备提供参考或指导。