湍流与粗颗粒群相互作用的格子Boltzmann模拟

颗粒群对湍流流场性质的影响是当前国内外一个具有挑战性的研究领域，但当前的研究大多局限于尺度较小的颗粒或者均匀流场中少数几个大颗粒，得到的关系式和规律不能全面反映多相湍流的本质特征。本研究拟基于格子Boltzmann方法，发展具有良好守恒性的颗粒边界和反向作用力处理算法和高并行效率的两相流直接数值模拟程序，对均匀流动，均匀剪切流动和均匀各向同性湍流内单个和数百个粗粒子群的尾迹对流体湍流脉动的影响开展模拟研究，考察粒子群的运动规律，团簇行为，流体湍流变动行为等，得到修正的颗粒速度驰豫特性参数，流体-颗粒相间能量传递参数，流体的积分特征尺度等随流体，颗粒特征参数的变化规律，以期阐明引起流体和颗粒群介观变化的物理机制和本质特征，为发展工程两相湍流变动模型提供必需的基础数据。

粗颗粒群对湍流流场性质的影响是当前国内外一个具有挑战性的研究领域，但当前的研究大多局限在尺度较小的颗粒或者均匀流场中的少数几个颗粒，得到的规律不能全面反映多想湍流的本质。本研究基于格子Boltzmann方法，发展了具有线性加速比的粗粒子悬浮流动LB直接数值模拟程序，解决了流-固移动曲边界处理、颗粒-颗粒碰撞处理等问题。同时模拟验证了三维单颗粒及双颗粒沉降程序的有效性，并进一步模拟讨论了三维双颗粒的沉降规律。在此基础上，我们加大颗粒规模，研究了三个至上百个颗粒的沉降过程，讨论了颗粒群的运动规律、团簇行为等，发现颗粒的尾涡在这些现象中发挥着重要的作用。在细观模拟的基础，成功建立了均匀各向同性湍流实验台架，并在其基础上研究了颗粒重力沉降所致湍流变动规律，为检验粗颗粒群模拟平台提供了充足的实验数据。