广义壁湍流介尺度流动条件下，气固两相单群颗粒间的传递机理直接数值模拟研究

Aiming at one of the core scientific issues raised by the major research program of the National Science Foundation China (NSFC), i.e. the Multi-coupling Mechanism and Control in Multi-phase Reactor Flows and Transport Phenomena, the current proposal suggests to conduct the research of direct numerical simulation (DNS) of gas-solid transport phenomena in the mesoscopic-scale motions of generic wall-bounded turbulence to resolve the mechanisms in the mass, momentum and heat transport process. The frontier research in the modern fluid mechanics, i.e. DNS, will be applied to obtain the crucial important flow information of the wall-bounded turbulence and the Discrete Element Method (DEM) based on the Lagrangian tracing techniques will be strongly coupled with the DNS solution procedures to analyze the trajectories and forces exerted on the particles, which will provide an accurate prediction of the behaviors of each individual particles and will capture the interactions among the multiple surrounding particles. Based on these numerical predictive capabilities, the particle-scale effects on the cascade of the turbulence power spectra will be investigated to study the statistical performance of the particle-fluid interactions in a multi-phase flow. The investigation will provide an in-depth understandings of the individual particle behaviors at the micro-scale perspective and the statistic performance of the multi-phase flow system at the macro-scale level. The dynamic interactions between the large scales at the characteristic dimension of the flow system and the small scales of the particles or the Kolmogorov turbulence dissipation level, whichever is the minimum, will provide a clear picture of the instantaneous and statistic structures of the transport phenomena, generate an in-depth understanding of its physical mechanisms and permit a detailed capture of the meso-scopic behaviours of a particle-fluid multi-phase flow system.

针对‘多相反应器流动-传递过程的多机制耦合与调控’中的核心科学问题，提出开展广义壁湍流介尺度运动条件下，气-固两相单、群颗粒多相流动的直接数值仿真研究，揭示其中的作用力传递机理。将采用流体力学的前沿技术，直接数值模拟，获得流-固颗粒多相流研究所必需的完整壁湍流信息。应用基于拉格朗日跟踪的离散元方法，对各种尺度颗粒进行运动轨迹和受力解析，实现对单个颗粒行为的精确描述，捕捉颗粒间的接触和相互作用。在此基础上，研究颗粒尺度对湍流能级串中各种尺度能谱的影响，进而研究整体颗粒多相流的宏观规律，获得颗粒多相流统计意义上的介尺度复杂表现，实现从小尺度单个颗粒行为到流动大尺度统计规律的连续描述。研究将对大尺度（流动构型特征尺度）与小尺度（颗粒与Kolmorgorov湍流耗散尺度的最小值）之间所出现的流-固耦合介尺度瞬态运动和统计结构给出清晰的认知，阐明其中物理机制，获得对多相颗粒流动介尺度现象的完整描述。

本项目针对重大计划所提三个核心科学问题中的问题-2，“多相反应器流动-传递过程的多机制耦合与调控”， 开展了流-固两相、单群颗粒在壁湍流多尺度流动环境条件下的传递过程机理及其中的基本湍流物理现象深度研究。发展了可处理单群颗粒任意复杂几何构型的浸边界算法，对单群颗粒复杂几何构型实现了流固强耦合高效直接数值模拟（DNS）求解、大规模并行计算和基于离散元方法的颗粒轨迹计算。形成了具有自主知识产权的计算平台。在此基础上，对各种充分发展壁湍流及其相关流动条件下的多颗粒湍流流动，开展了全面系统研究，获得了包括湍流平均场，雷诺应力场，湍流能量谱及相关颗粒流-固耦合在内的诸多重要计算结果，初步建立起壁湍流及多颗粒流动的直接数值模拟大型数据库。..针对所建立的湍流大型数据库，开展了单群颗粒在充分发展壁湍流条件下的流-固强耦合介尺度特征研究，取得三方面重要突破：（1）根据湍流雷诺应力及其介尺度运动和能量谱特征，对传统湍流涡粘模型提出了有物理依据和数据支撑的客观评价，并提出了采用神经网络深度学习技术和湍流现代DNS统计大数据相结合的方法，发展现代湍流雷诺平均（RANS）封闭模型的创新思路，同时给出了该设想的概念实现；（2）根据DNS流场特征，首次提出了对湍流边界层按照其速度尺度特征进行分类的重要概念和理论，得到了由现代DNS结果所支撑的第二类壁湍流边界层内普适壁面律关系，对上世纪初流体力学先驱普朗特所提出的壁湍流边界层概念和von Karman所提出的平壁律做出了重要拓展；（3）对单群静止颗粒的DNS数据进行了深度分析，揭示了颗粒间流体通过形成漩涡场相互作用的介尺度特征，其中包括了基于傅里叶变换的湍流频谱运动介尺度特征和基于模态分析的能量介尺度特征。通过壁湍流DNS数据的可视化分析，观察到了颗粒间相互作用过程中的锁涡稳定结构，对多相流中颗粒运动的聚团现象形成机理，提供了重要认知方向和数据佐证。相关数据库的建立为深度研究颗粒多相流中的力链相互作用及与之密切相关的传热、传质和化学反应过程奠定了基础，为实现本重大研究计划项目在第二个核心科学问题中提出的研究目标迈出了坚实的第一步，展示了DNS作为湍流介尺度现象的共性基础技术，在颗粒多相流中的广阔的应用前景和重要的现实研究价值。