流-固两相湍流中微细颗粒影响下流动和传热特性的研究

Adding small immiscible particles of low volume fractions to turbulent flow will modify turbulence and turbulent heat transfer. Drag reduction and heat transfer enhancement are fascinating subjects with extremely interesting possibilities for applications. In this research projecct, we present a systematic numerical investigation of turbulence modification and turbulent heat transfer modulation mechanisms in a particle-laden turbulent channel flows using dispersed micro-particles. Since the modeling of these fluids represents a largely unexplored filed of research, this study involves substantial challenges due to the rich complexity of the involved physics. We apply a DNS-based Eulerian-Lagrangian method to investigate mass, momentum and heat transfer mechanisms in particle laden turbulent shear flows. To elaborate, studying heat transfer modifications requires modeling particles as active heat transfer agents which interact both with the temperature field and the velocity field. Necessary energy and momentum coupling terms must be incorporated effectively in the governing equations of both phases. Our strategic object is to examine the modifications produced by solid inertial particles on the velocity fields and temperature fields of fluid，in particular, to examine the effects on the modifications of the ratios of the physical properties of particles to the physical properties of the carrier fluid, the particle Reynolds number, the Stokes number and the particle volume concentration. The other focus of the study is to discuss the applicability and importance of the local, instantaneous values of these non-dimensional numbers on turbulent heat flux and the turbulent Nusselt number. We also hope to investigate the effectiveness of the recent developments of Lagrangian particle tracking and flow-resolved direct numerical simulation, in increasing the understanding of the physical transfer mechanisms. The results of the study may provide a scientific basis for the engineering fields such as manufacturing, MEMS, scientific measurements and biomedical engineerings.

在负载微细颗粒的湍流中，颗粒既可以影响流动特性，也可以改变流体的传热特性，其间存在多场多相耦合、多尺度、随机性和非线性的动力学机制，具有重要的科学研究意义。本项目基于Eular-Lagrange研究方法，采用直接数值模拟，研究颗粒对近壁剪切湍流的调制和对流动传热特性的影响，揭示颗粒调制湍流强度和强化(或削弱)流体传热性能的机理，探讨两相流体流动和传热随颗粒物性和热物性参数的变化规律。通过本项研究，能够深化热环境中颗粒-湍流相互作用机制的认识，并对其中动量、质量和热量输运规律做出理性分析，进而对湍流的流动阻力和对流换热进行控制和调节。所得的研究成果可为装备制造、微机电研制、科学测量、生物制药等领域的研发和优化提供科学依据。

在负载微细颗粒的湍流中，颗粒既可以影响流动特性，也可以改变流体的传热特性，其间存在多场多相耦合、多尺度、随机性和非线性的动力学机制，具有重要的科学研究意义。本项目基于Eular-Lagrange 研究方法，采用直接数值模拟，研究颗粒对近壁剪切湍流的调制和对流动传热特性的影响，揭示颗粒调制湍流强度和强化(或削弱)流体传热性能的机理，探讨两相流体流动和传热随颗粒物性和热物性参数的变化规律。.首先，研究了惯性细微颗粒对不同Prandtl数湍流温度场的调制机理，研究发现颗粒抑制了湍流的各项温度统计量（如归一化平均温度，温度脉动，热通量等）。随着Pr数增大，湍流速度场与温度场之间的关联性减小，同时颗粒对湍流的热反馈减小，这导致颗粒对大Pr数湍流的温度场调制作用越小。另外，研究发现颗粒比热容越大，两相流总传热能力越强，主要是由于颗粒介质携带传热能力提高导致。其次，研究了不同Stokes数惯性颗粒对湍流传热的调制机理，研究发现随着颗粒Stokes数的增大，颗粒对湍流拟序结构的抑制越明显，导致近壁区以内的流体与以外的流体之间的对流换热强度越弱。然而，随着颗粒Stokes数增大，分子导热能力和颗粒携带传热能力提高，导致了两相流总传热能力提高。研究发现在湍流温度脉动调制中两相之间热量耦合是主要的调制因素。研究也发现颗粒热反馈热通量主要与两相之间热耦合相关，两相之间动量耦合对其影响很小。最后，研究了惯性颗粒-湍流两相流的动力学特性和热力学特性。发现随着颗粒动量Stokes数的增大，颗粒湍流两相流的流动阻力和传热效率减小。在相同热Stokes数情况下，颗粒对流体的力反馈随着颗粒动量Stokes数的增大而增大，而其热量反馈对传热能力的作用则刚好相反，随着颗粒动量Stokes数的增大而减小。结果表明，当颗粒具有相同热Stokes数和不同动量Stokes数的情况下，颗粒对流动阻力和传热能力的反馈贡献呈现出相异性。此外，本文探索了通过添加颗粒的方式同时实现减阻增热的可能性，研究发现当颗粒减小总体流动阻力时，可以通过增大颗粒比热容实现增加总体传热效率。.通过本项研究，能够深化热环境中颗粒-湍流相互作用机制的认识，并对其中动量、质量和热量输运规律做出理性分析，进而对湍流的流动阻力和对流换热进行控制和调节。所得的研究成果可为装备制造、微机电研制、科学测量、生物制药等领域的研发和优化提供科学依据。