一种含有流-固耦合问题的多相流高效算法研究

Currently, numerical simulation of multiphase flows with fluid-structure interaction can be considered as one of the most challenging problems in the computational fluid dynamics. This project takes this challenge, and aims to develop a high accurate and efficient numerical approach for simulation of various multiphase flow problems. The approach combines the popular diffuse interface method, lattice Boltzmann method and immersed boundary method. This combination is the first endeavor in the area. It is expected that the developed approach not only can simulate multiphase flows with large density and viscosity ratios but also can effectively deal with interaction between multiphase flow and solid surface as well as moving boundary problems in the multiphase flow. In order to improve the computational efficiency with a sharp interface, the stencil adaptive algorithm will be introduced into the multiphase flow simulation. The developed new numerical approach will be validated by its application to some test examples first. Then, it will be applied to simulate some practical multiphase flows with fluid-structure interaction appeared in our nature and industries. From the numerical simulation, we can do analysis and explore the mechanism of flow characteristics. We hope that the numerical approach developed in this project can provide a reliable CFD tool and technical support for the study of multiphase flows in various industries.

对含流-固耦合问题的多相流进行数值模拟应该是当前计算流体动力学研究中最具挑战的难题之一。本项目迎接此挑战，旨在发展一种高效的多相流数值模拟算法。该算法结合了现在流行的扩散界面法，格子波尔兹曼方法和浸没边界法。这一组合是目前该领域的首次尝试。所发展的算法不仅可以模拟具有大密度比和粘性比的多相流问题，也可以快速有效地处理复杂物面和多相流之间的相互作用，同时还能模拟多相流中的动边界流动问题。为提高计算效率和界面捕捉的精度，拟把网格自适应加密技术引进到多相流数值计算中。多相流高效算法发展之后，首先通过一些标准的数值算例对其进行验证，然后把它应用于自然界和工程领域中含流-固耦合的复杂多相流问题。一方面可以通过流动模拟揭示其中的物理机理和流动特性，另一方面可以为相关行业提供有力的模拟工具和技术支撑。

涉及流固耦合的多相流现象在工业中随处可见。例如，在深海石油和天然气的开采中，我们就会碰到油-气-固体粒子相互作用的多相流问题；在潜艇水下发射导弹时，当导弹离开水面的瞬间就会发生强烈的物面和多相流的相互作用并产生空化问题；在飞机飞行中物面结冰也是一种含流固耦合的多相流问题。本研究针对这类问题进行了积极探索，发展了一系列高效的数值算法。具体地说，本研究提出了两种多相流计算方法。它们是基于自由能的相位场LBM模型（Free-Energy-based Lattice Boltzmann Model）和多相流LBFS算法（Multiphase Lattice Boltzmann Flux Solver）。提出的方法可以准确求解大密度比和大粘性比多相流问题。在提高相界面捕捉精度研究方面，提出了一种模板自适应的相位场LBM算法（Stencil Adaptive Phase-Field Lattice Boltzmann Method）。在处理边界条件研究方面，提出了一种可以同时考虑第一类和第二类边界条件的浸入边界相位场LBM算法（Immersed Boundary-Phase Field-Lattice Boltzmann Method）和一种精确满足梯度条件的浸入边界格子玻尔茨曼通量求解器（Boundary Condition-Enforced Immersed Boundary-Lattice Boltzmann Flux Solver）。除此之外，我们在流场求解器方面也做了一些探索，将早期的GKS（Gas Kinetic Scheme）进行合理简化，提出了简单高效的GKS。同时，还发展了一种适用于可压缩流动问题的IBM。该工作为这一领域的先驱性探索。这些算法的有效性都已通过大量算例进行了验证，为将其推广到实际工程中含流固耦合多相流问题计算奠定了基础。在含流固耦合问题的计算验证与机理研究方面，本项目系统研究了圆柱后面含有铰接平板、波纹状平板、柔性平板等一系列流动控制问题，以及仿生学中拍动翼的功率提取机理和地面效应对功率提取效率的影响等问题。这些研究工作在流动控制、微型飞行器设计和水下仿生机器人设计等领域具有较大的应用价值。本研究的成果已在JCP、PRE、JFS和POF等流体力学知名期刊上发表了SCI论文14篇。项目成员里，有一人获得了2016年度国家优秀青年科学基金资助。