微颗粒-近壁湍流相互作用及减阻机理研究

采用数值计算、理论分析及实验相结合的方法研究具有或小于湍流耗散尺度的微颗粒与湍流相互作用及减阻问题。运用准谱方法直接数值模拟管道流及其中的微颗粒运动，通过四向耦合全面描述两相流中微颗粒-湍流、微颗粒-微颗粒间相互作用，得到高可靠性的颗粒运动和分布情况,流场信息及减阻数据，研究颗粒大小、浓度和密度等在不同流动雷诺数及管道工况下对阻力系数、平均速度分布和湍流结构的改变规律,寻找最佳减阻效果的优化级配；分析湍流统计量、涡旋和拟序结构、猝发周期、雷诺剪切应力、湍动能及涡量动能能量等随减阻率的变化规律,阐释颗粒湍流减阻机理。改造一管道流实验台,综合运用PIV(粒子图像测速)和PDPA(相位多普勒粒子分析)技术测量流场和颗粒相速度及分布，验证计算结果和减阻机理。通过与高分子稀溶液湍流减阻相类比分析，进一步建立微颗粒湍流减阻模型及微颗粒间相互关联模型，增加对湍流本质的认识，也为颗粒减阻应用提供理论指导。

本项目采用数值计算、理论分析及实验相结合的方法研究了微颗粒与湍流相互作用及减阻问题。.对水平固液两相湍流进行了数值计算，主要考察了以Kolmogorov尺度（约为2ν/uτ）为临界值的细小沙粒颗粒在5%的固相体积分数下对湍流场的调制及其减阻效应。研究发现，无量纲颗粒直径dp+ ≤ 2的小颗粒减小了固液两相湍流的雷诺应力，并且三个方向上的速度脉动也被不同程度地削弱；而dp+ = 4的大颗粒使缓冲层区域的雷诺应力稍增大，在增强法向速度脉动的同时对流向脉动有抑制作用，特别是发现较大颗粒的存在导致缓冲层中的部分区域出现了流变现象。在减阻方面，较小的颗粒（dp+ ≤ 2）有大致相同的减阻表现，而大颗粒（dp+ = 4）已经失去了减阻性能。.研究了细颗粒泥沙对离心泵工作特性影响的具体情形。给出了在微米量级尺度上不同粒径及10%颗粒体积浓度以内条件下离心泵固液两相流动规律，得到了相应的离心泵的外特性的变化规律并与清水单相流情形进行了对比。研究结果表明：在叶轮流道内，固相体积浓度分布极不均匀，细颗粒主要集中于流道出口处及叶轮吸力面。在所研究的工况条件下，与清水情况相比，加入某些浓度、粒径的细颗粒离心泵内的湍流粘度，湍动能都有所下降，并且分布规律与颗粒的分布相似，离心泵的扬程与效率有所提高。.设计建造了一流动减阻实验台，并申请获批了专利。该装置可开展添加物（微颗粒、高分子聚合物溶液等）全流态减阻特性实验，已经调试校核正常运行。.理论分析上给出湍流减阻的多级（multistage）模型，指出在有壁面流动中湍流减阻在低减阻率区与高减阻率区主要减阻作用范围的不同。相应的从湍流减阻起始至最大减阻极限（MDR）的多级（multistage）形态也进行了分析和模拟。对最大减阻极限（MDR）时流动的间歇性进行了分析，给出了最大流速前后流动的平均速度，雷诺应力等分布和变化。结合稳定性分析，提出了粘性附面层Reynolds数不变性的概念。增加了对湍流本质的认识，也为颗粒减阻应用提供了参考。.已有一些新颖的成果在学术期刊和国际学术会议上报告，10余篇SCI、EI、ISTP 在内的论文已经发表或被录用，还有一些结果在整理中。项目还支持出版了1部图书，申请授权2项专利。在该项目执行过程中前后有10余名研究生参与其中，项目负责人也获得了中青年学术带头人的培养和锻炼。