粘弹性流体网格湍流减阻机理及多尺度动力学特性研究

This Program is mainly focused on investigating the drag-reducing mechanism and muti-scale dynamics of grid turbulence with viscoelastic fluid, which is the ability of drag reduction. First of all, the grid turbulent experiment is set up, and the advanced measurement of Particle Image Velocimetry and Laser Doppler Velocimetry is used to get the velocity information under different solution concentration and oscillation frequency. It investigates the structure and statistics characteristics of grid turbulence due to the existence of fluid viscoelasticity and finds out the different characteristics for high polymer additives and surfactants. Secondly, the reasonable external force is built to realize the direct numerical simulations for grid turbulence with viscoelastic fluid. The main studies are concentrated on the characteristics of molecular transformation, the correlation between viscoelastic molecular structures and multi-scale turbulent vortex structurs and the internal relationship between viscoelastic stress and subgrid stress in large eddy simulation. Finallly, based on the results of experiments and direct numerical simulations, the drag-reducing mechanism is illustrated. The research results of this program will give the important guidance meaning for the practical application of viscoelastic drag-reduing technique, and estabish the foundation for the build of the subgrid stress model in drag-reducing flow.

本项目旨在研究有湍流减阻效应的粘弹性流体网格湍流减阻机理及多尺度动力学特性。首先，建立双振荡网格湍流实验系统；利用先进流动测试技术（二维粒子成像测速仪和二维激光多普勒测速仪）获得不同参数下(改变溶液浓度和网格振荡频率）牛顿流体和粘弹性流体双振荡网格湍流速度信息，分析流体粘弹性的存在对网格湍流结构特性和统计特性的影响以及不同粘弹性流体（高分子聚合物和表面活性剂溶液）网格湍流特性的异同点；其次，建立合理外力场施加方式，实现粘弹性流体双振荡网格湍流直接数值模拟，分析粘弹性流体分子变形场特性、粘弹性流体分子微观结构与多尺度湍流旋涡结构的相互作用，探索粘弹性流体弹性应力与大涡数值模拟亚格子应力之间的内在关系。最后，基于网格湍流实验与直接数值模拟结果，揭示其流动减阻机理。本项目研究成果将为粘弹性流体湍流减阻技术在实际工程中的应用提供重要指导意义，且为减阻流动大涡数值模拟亚格子应力模型的建立奠定基础。

粘弹性流体流体在管路、槽道和边界层等具有壁面效应的流动中具有很好的减阻效果，已被众多学着所研究。本项目创新性地提出了把粘弹性流体和各向同性湍流相结合的思想，研究无壁面湍流流动中的减阻特性、机理及多尺度动力特性。在本项目执行过程中，提出了双振荡网格湍流的设计思想，并成功搭建了实验系统，采用高聚物和表面活性剂这两种典型的粘弹性流体作为实验对象，基于PIV技术开展了高聚物和表面活性剂在不同网格振荡频率和不同浓度下的速度场测量，建立了丰富的粘弹性流体双振荡网格湍流数据库；采用本征正交分解方法和小波分析方法对流体粘弹性的存在对双振荡网格湍流流动特性影响进行了深入分析，并研究无壁面效应下的减阻机理。.开展粘弹性流体各向同性湍流直接数值模拟，结果表明粘弹性流体将极大地改变了流动中涡结构、拟涡能、变形能以及小尺度间歇性等；发现在小波数和中等波数处粘弹性流体分子微观结构从湍流结构中吸收湍动能，将该部分能量转换为粘弹性流体的弹性能及弹性耗散；但在大波数处能量从粘弹性流体分子微观结构传递给小尺度流动结构，导致在大波数处出现了湍动能增大的现象。此外，本项目创新性地提出耦合空间过滤和时间过滤的新型亚格子模型，结果表明MCT亚格子模型可以预测粘弹性效应对湍流流动特性的影响，以期获得高雷诺数下的粘弹性流体流动特性和减阻机理。本项目的研究成果为粘弹性流体壁流动中的减阻特性和机理提供更深层次的认识，同时为今后高雷诺数下减阻流动亚格子模型建立奠定基础；本项目所提出的新型亚格子模型将为学术研究和工程应用中的大涡数值模拟提供参考和依据。.在本国家自然科学基金项目的资助下，发表学术论文11篇，其中SCI论文4篇、EI论文3篇、ISTP论文2篇；授权国家发明专利2项；参加国际学术会议7人次、国内相关学术会议5人次，聘请国内专家交流讲学1人次；培养博士生2名（其中已毕业并获博士学位1名，另外1 名为在读博士生）、硕士生2名（已获硕士学位），本科生1名（已获学士学位）。