两相界面与运动物体相互作用的数值研究及动力学分析

针对自然界和工程应用中的气液两相界面与运动物体相互作用的复杂流动问题，采用理论分析和数值模拟相结合的手段，建立粗糙表面上的介观尺度下移动接触线模型，发展多相耦合及运动边界的可靠高效的数值方法，实现此类复杂多相流问题的大规模数值模拟，揭示其物理机制和流动规律。研究内容包括：以圆柱撞击及浮出水面的动力学过程等为典型问题，开展移动接触线、多相耦合及动边界等问题共存的高效多相流数值算法和并行算法研究，结合理论分析和数值结果，发展基于扩散界面模型的粗糙表面上的移动接触线模型，大规模进行典型二相界面与运动物体相互作用问题的数值模拟，探讨相关复杂流动现象及其中蕴含的物理机制和流动机理。此项研究是关于多相流和动态湿润问题研究的前沿性和创新性课题，研究结果可以帮助理解自然界现象中的复杂力学问题，也为实际工程问题和设计提供理论依据和技术支撑。

针对自然界和工程应用中的气液两相界面与运动物体相互作用的复杂流动问题，采用理论分析、数值模拟和实验测试相结合的手段，顺利开展了建立粗糙表面上介观尺度下移动接触线模型，发展了具有多相耦合及复杂边界的可靠高效数值方法，实现了大规模数值模拟，揭示了液滴撞击粗糙孔隙壁面、液滴铺展动力学和物体入水等多相流动问题中复杂流动现象所蕴含的的物理机制和流动机理。主要研究内容包括：1、对典型粗糙孔隙壁面进行了几何建模并进行了实验验证，揭示了孔隙入口处流动突然加速现象是由于 “水锤”效应，而不是前人所认为的激波效应，发现了惯性作用下的流动模态并量化其特征。此外，还研究了液滴在接近完全浸润壁面上铺展的动力学过程，不仅发现了新的流动现象，例如第二阶段液滴断裂以及连串合并，还发现了断裂过程由无粘断裂机制主导。2、结合三相扩散界面法、浸没边界法及特征线移动接触线模型，发展了具有复杂物体及多相流动的数值模型，不仅实现了流动系统内各相的质量守恒，与实验及理论结果对比也显示接触线运动符合预期规律，此后进一步将该模型成功拓展至多物体及多孔介质流等研究领域。基于所发展的数值模型，研究了不同形状物体入水后的空穴生成过程，发现了接触线钉扎、空穴生长和表面波发展等界面区域，探讨了接触线局部流动与界面全局演化之间的关联，揭示了两相界面与运动物体之间的相互作用。3、针对多相界面流动数值模拟中网格分辨率高、计算量大的特点，提出了一种新型界面处理和流动计算耦合的数值方法，通过区分界面模拟与流动计算所用的网格，实现了双分辨率计算。在满足质量守恒性和计算准确性的前提下，计算效率比传统单分辨率方法快3到5倍。此外，由于目前发展的移动接触模型大都仅仅考虑固-液-气三相之间的接触线，对于固-水-油-气四相接触线问题的建模还很少见。基于耗散界面模型，采用跨越界面的大梯度近似，解决了四相接触点处接触角的阶跃问题，而且计算结果与理论分析吻合很好。研究成果形成了6篇标注了基金号的SCI论文，均发表在流体力学领域主流期刊Journal of Fluid Mechanics和计算物理领域主流学术期刊Journal of Computational Physics上，课题负责人为第一作者或通讯作者。