可压缩湍流与颗粒双向耦合特性的数值研究

Particle-laden turbulence is widely encountered in nature and engineering applications. On the one hand, the stochastic, nonlinear and multiscale nature of turbulence can affect the dispersion and distribution of particles. On the other hand, particles should have considerable effect on both the dynamic field and thermodynamic field of turbulence. Based on the Eulerian-Lagrangian frame, the two-way coupling interactions between particles and isotropic decaying/stationary turbulence are studied via numerical simulations of particle-laden compressible turbulence. Focus is placed on the detailed discussion of effects of particle parameters on the turbulence statistics and flow structure, as well as the effect of turbulence on the preferential concentration and dispersion of particles. The aim of the present work is to clarify the mechanism of turbulence modulation and heat transfer, so as to provide guidance for relevant engineering application.

可压缩两相湍流在自然界及实际工程流动中广泛存在。湍流的不规则、非线性和多尺度特性会影响颗粒相的扩散和分布，反过来颗粒也会改变湍流的流动和传热特性。本项目基于欧拉-拉格朗日框架，通过大规模数值模拟建立可压缩两相流数据库，系统研究颗粒和各向同性衰减/稳态湍流之间的双向耦合特性。重点考察不同颗粒参数对湍流统计量和流场结构的影响，以及不同流场参数对颗粒聚集和扩散的影响，阐明颗粒对可压缩湍流强度和传热的调制机理，为相关工程应用提供指导。

可压缩两相湍流在自然界及实际工程流动中广泛存在。湍流的不规则、非线性和多尺度特性会影响颗粒的扩散和分布，反过来颗粒也会改变湍流的流动和传热特性。鉴于目前国内外关于颗粒与可压缩湍流双向耦合特性的研究较少，本项目基于欧拉-拉格朗日框架，通过大规模数值模拟建立可压缩两相流数据库，系统研究了颗粒和各向同性衰减/稳态湍流之间的双向耦合特性。本项目的主要研究内容和重要结果如下：. （1）开发了一套可压缩各向同性湍流与颗粒双向耦合的并行计算程序。在颗粒与湍流单向耦合程序的基础上，添加颗粒对流场的反作用力项，即采用PSIC耦合算法，分别在流场动量方程、能量方程中添加颗粒对流场施加的动量源项和能量源项。. （2）开展了衰减各向同性可压缩湍流与颗粒双向耦合研究。通过开展高马赫数各向同性衰减湍流与颗粒双向耦合数值模拟，结果发现：颗粒对流场湍动能、耗散率和涡量的影响与颗粒实际St数密切相关，除极小St数颗粒会增加流场湍动能、耗散率和涡量外，中等颗粒和大颗粒均使得流场湍动能和涡量减小，且随着惯性增大而减小；颗粒会使得流场压缩性减弱，且颗粒惯性越大，流场压缩性越弱；流场平均温度和脉动温度均随着颗粒数量、St数和比热比的增加而单调减小。. （3）开展了稳态各向同性可压缩湍流与颗粒双向耦合研究。采取控制参数法，开展了多组不同参数下的稳态两相湍流数值模拟，结果发现：除极小颗粒外，流场湍动能、耗散率、涡量、湍流马赫数和速度散度等统计量随着颗粒质量载荷和惯性（直径和密度）的增加而单调递减；双向耦合时的颗粒湍动能小于单向耦合，但颗粒速度自相关性高于单向耦合，颗粒扩散取决于颗粒湍动能和速度自相关之间的博弈；不同湍流马赫数和驱动方式下，双向耦合时的颗粒速度自相关均大于单向耦合。.