可压缩湍流粒子输运的拉格朗日（Lagrangian）研究

Compressible turbulence and its interaction with particles are fundamental scientific problems, which are important to the research of Inertial Constrained Fusion and hypersonic air vehicle. This project involves the theoretical analysis and numerical simulation, which explore the mechanism of the compressible turbulence and its interaction with particles, and provide further support for the research of engineering problems. This projects include the following key problems: 1.To establish the available numerical simulation programs for compressible turbulent flow and the transportation of particles, especially the numerical methods for the simulation of the particles’ motion with the shockwave area and the inertial particles’ motion with the fluid with inhomogeneous density. 2.To research the statistical properties of the metal particles in compressible turbulence, especially the interaction with shockwaves and the effect of particle's inertial, to research the statistical perperties for the interchange of energy btween particles and fluid 3. To develop turbulence model for the simulation of particles’ motion and research the influnce of the turbulence intermittency on the transport of metalpartilces.

可压缩湍流及粒子与可压缩湍流的相互作用是十分关键的基础问题。对其的理解在惯性约束核聚变、高超音速飞行器等工程应用中具有重要的意义。本研究计划围绕理论分析和数值模拟手段，探索可压缩湍流问题，促进对粒子与可压缩湍流相互作用的理解，为相关工程问题研究提供理论支撑。核心问题包括：1．建立可靠的可压缩湍流及粒子运动的数值模拟程序，主要解决模拟粒子在激波区运动的数值方法；2．研究粒子在可压缩湍流中的统计行为，重点考察金属粒子与流场中激波结构的相互作用，探讨粒子与流体的能量交换和粒子碰撞的统计规律；3．发展可压缩湍流中粒子运动的湍流计算模型，研究湍流间歇性对金属粒子输运的影响。

气粒两相流动是激光核聚变以及武器物理中的基本物理过程，主要体现为可压缩湍流中对粒子输运以及粒子对湍流的相互作用，目前这方面的研究工作室非常少的。本项目主要通过跟踪粒子的Lagrange方法，对这种输运和相互作用机理开展研究。本项研究的内容和主要成果包括四个方面：1）采用Lagrange方法研究了可压缩性对间歇性的影响；相对传统的Euler方法研究间歇性，Lagrange观点下的间歇性直接刻画了粒子的加速机制；采用Lagrange方法揭示了漩涡和激波对粒子加速机制的差异，因此揭示了可压缩性对间歇性的影响；2）研究了惯性粒子在可压缩湍流中的输运；与示踪粒子相比，惯性粒子具有Stokes力和附加质量力；根据粒子的密度分为轻、重、和中性粒子；数值研究发现，三种粒子在激波前后的聚集性和响应是不一样的；3）考虑粒子对湍流的反向作用；数值研究发现，这种反作用是集中在高波数上，表明粒子对流体的反作用是产生小尺度的激波；4）在大涡模拟中，间歇性的模拟是一个难点，间歇性代表强的涡结构出现的概率，而强涡对粒子的聚集性有影响；本项工作中采用新的大涡模拟模型，提高了模拟流动的间歇性；但数值模拟发现，间歇性对粒子聚集的影响有限。.本项目的研究采用新的观点揭示可压缩湍流对粒子输运和粒子-湍流相互作用的基本机理，研究成果对于相关对物理过程和构建相应的气粒相互作用的模型，具有参考价值。.在本项目研究过程中，还进行了可压缩磁流体湍流的高精度数值模拟方法，磁流体湍流中磁能和动能的级串的研究。