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研究方向

研究方向为计算岩土力学，包括有限元、离散元、物质点、随机场、计算流体动力学及多尺度等计算方法，以及先进数值算法与软件研发，应用于应用过程仿真分析及基础设施防灾减灾研究。

核心研究领域​

1. 离散元方法（DEM）​

开发先进的离散元建模技术：

  • 符号距离场（SDF）框架：统一处理任意形状颗粒的接触检测
  • 傅里叶级数颗粒模型：高效的不规则形状表征
  • 机器学习加速：神经网络驱动的接触检测算法
  • GPU并行计算：利用光线追踪核心加速颗粒模拟

代表论文：

  • Lai, Z., et al. (2026). Hybrid resolved-unresolved CFD-DEM framework. Journal of Computational Physics, 554, 114759.
  • Lai, Z., et al. (2023). Signed distance field enhanced fully resolved CFD-DEM. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 414, 116195.
  • Lai, Z., et al. (2021). Machine-learning-enabled discrete element method. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics.

2. 多尺度模拟与多相流​

开发耦合计算方法，研究流体-颗粒相互作用：

  • CFD-DEM耦合：多相流系统中颗粒行为的精细模拟
  • 多尺度建模：从微观颗粒到宏观材料的跨尺度方法
  • 孔隙介质流动：复杂多孔介质的渗流模拟
  • 海底管道：流固耦合与海底地质灾害分析

代表论文：

  • Lai, Z., et al. (2024). Unifying the contact in SDF-based and conventional DEM. Computers and Geotechnics, 169, 106214.
  • Liu, Y., et al. (2024). Resolved CFD-DEM Modeling of Suffusion. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 150(4), 04024008.

3. 机器学习与智能计算​

将人工智能技术应用于土木工程：

  • 生成式AI：基于扩散模型的虚拟颗粒材料生成
  • 形状表征：神经网络驱动的颗粒形态学习
  • 本构建模：数据驱动的材料参数识别
  • 计算加速：AI加速的数值算法

代表论文：

  • Li, C., Lai, Z., et al. (2026). Neural network-driven shape representation. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 167, 113913.
  • Li, C., Lai, Z., et al. (2026). A diffusion-based generative framework. Powder Technology, 473, 122230.

4. 颗粒材料表征与建模​

基于先进成像技术的真实颗粒材料建模：

  • CT图像重建：从X射线CT图像重建真实颗粒形状
  • 球面沃罗诺伊：颗粒表面离散与重构方法
  • 形态表征：颗粒形状量化与统计分析
  • 生物胶结：微生物诱导的碳酸钙沉积模拟

代表论文：

  • Huang, S., Lai, Z., et al. (2023). Morphology characterization and DEM modeling of coral sand. Engineering Geology, 315, 107023.
  • 吴峰, 黄林冲, 赖正首 (2022). 基于球面沃罗诺伊的颗粒表面离散与重构方法. 工程力学.

5. 随机场与不确定性量化​

处理工程材料空间变异性的随机方法：

  • 随机场生成：高斯平稳随机场的随机实现
  • 优化采样：基于重心沃罗诺伊的场地勘察优化
  • 可靠度分析：边坡稳定与失效概率评估
  • 异质岩石建模：加权沃罗诺伊与随机场结合

代表论文：

  • Lin, Y., Lai, Z., et al. (2024). Weighted Voronoi tessellation and random field approach. Construction and Building Materials, 416, 135228.
  • Huang, L., Huang, S., Lai, Z. (2020). On the optimization of site investigation programs. Computers and Geotechnics, 118, 103331.

在研项目​

项目来源类型项目名称时间角色
广东省科学技术厅面上项目水合物固态流化开采中气-液-固三相流动机理与耦合数值方法研究2026-至今主持
广东省科学技术厅基础研究重大项目极端海洋环境下海上风电平台多场多尺度动力耦合灾变机理与减灾机制2025-至今参与

已完成项目​

项目来源类型项目名称时间角色
全国博士后管委会/香港学者协会香江学者计划颗粒介质多尺度模拟2021-2023主持
国家自然科学基金青年项目基于CT图像和机器学习的钙质砂宏微观力学试验及多尺度离散元建模2020-2022主持
博士后科学基金面上项目基于傅里叶级数的不规则颗粒离散元方法研究2020-2021主持

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