颗粒物质是由大量的离散的宏观尺度的颗粒聚集而成的物质形态,它广泛存在于我们的自然界之中,同时由于其兼具流体和固体的特殊属性也被广泛应用于工业领域,如未来聚变堆中作为固态氚增殖剂和中子倍增剂的球床部件。在这样的背景下,本文对颗粒物质展开了有效物性及动力学行为的理论和数值计算研究,前者侧重于工程应用,后者则偏向于基础研究。在颗粒物质有效物性方面,本文主要基于连续性介质假设理论推导了有效密度、有效比热、有效热膨胀系数以及有效热导率,而有效弹性模量则采用基于非连续性力学的数值方法(离散元方法,DEM)进行模拟研究。一般地,颗粒系统的有效密度为系统填充率与固体颗粒本身密度的乘积、而有效比热以及热膨胀系数则可认为是固体颗粒材料本身的比热和热膨胀系数。在颗粒物质的基本力学行为以及弹性模量方面,本文证实了颗粒物质所具有的非线性应力-应变关系、远低于固体颗粒材料本身模量的系统弹性模量以及比有效介质理论(EMT)预测的p1/3规律增长更快的弹性模量(p为施加的压力载荷)。特别地,研究还发现不同颗粒材料的归一化弹性模量服从统一的分布规律,说明了颗粒系统的填充结构具有某种力学性质上的不变性。另外,循环的加载-卸载以及颗粒间微小的尺寸差异对颗粒系统弹性模量的影响也进行了研究。对于单分散的颗粒物质的有效热导率,本文建立了一个新的理论预测模型。该模型综合考虑了导热、对流以及热辐射三种换热方式,包含了许多影响因素。通过与现有的一些理论模型、数值模拟以及可获得的各种球床的实验数据进行对比,该模型被充分验证是有效的,且相比其他模型更加精确。依据该验证的模型,本文又进一步理论研究了各种影响因素对颗粒物质有效热导率的影响情况,并给出了这些影响因素何时应该考虑或忽略的判定标准。在颗粒物质的动力学行为方面,本文基于DEM模拟真实的颗粒系统研究了颗粒材料在循环压力下的行为、二元颗粒混合物中的热膨胀和热波动效应以及颗粒物质在机械振动和热循环条件下所出现的能量重新分配的物理现象。类似于热循环情况,在循环的压力载荷下,观察到颗粒系统也会表现出较快的密实过程,且该过程同样服从伸展指数变化规律,说明力和热循环在所引起的系统密度松弛方面具有相似性。此外,压力循环还被观察到造成了颗粒系统填充结构的硬化,且减弱了系统弹性模量对外界压力载荷的依赖性。与此同时,系统内由颗粒间接触力结盟形成的力链中也出现了“压力”缓解现象,尽管施加在系统上的载荷并未降低。热刺激(温度变化)条件下,发现混合颗粒系统中会出现密度分离现象,且力网络也将逐渐退化。此外,颗粒间的摩擦被观察到抑制了系统内的热膨胀和热波动效应,并且摩擦效应表现出阈值特征。在机械振动以及热循环条件下,本文发现颗粒物质中会出现系统总能量重新分配给颗粒的重要物理现象。在该过程中,能量较高的颗粒会试图将自身的部分能量转移到周围能量较低的颗粒上,最终重新排列形成一个颗粒间能量较为平衡的新的更稳定的结构。此外,还观察到对于宏观尺度的颗粒系统,其内部颗粒能量的概率分布服从更一般的麦克斯韦-玻尔兹曼(M-B)分布,且其分布一般比气体分子动能所遵循的经典的M-B分布更加均匀(颗粒能量范围更窄),这似乎表明相比非直接接触碰撞,直接接触碰撞可能是颗粒间能量互换的一种更有效的途径。以上研究在解决实际的工程问题的同时,也将有助于人们更好地了解颗粒物质。