复杂流场中不同尺度刚性和柔性粒子运动机理的LBM研究

本项研究的目的是开展复杂流场中不同三维形状、不同尺度(从微米到亚毫米.级)的柔性和刚性粒子微观运动机理的格子玻尔兹曼方法(LBM)数值模拟研究，一方面探讨复.杂流动中粒子的运动机理，另一方面发展相关LBM 方法，其研究成果可为水利化工、生物医.药等工程实际问题提供重要的理论依据。研究内容主要包括：发展和完善典型的流固耦合LBM 方法；提高LBM 模拟复杂流动(包含粒子)的数值稳定性；改进现有的柔性流固耦合方法及发展LBM 应用于多相流的复杂流动问题；通过LBM 大规模并行计算，探讨不同尺度下多个粒子在复杂背景流动中的相互作用规律；研究多种复杂流场中，柔性粒子在不同特征粗糙壁面附近的运动学特性，探讨不同刚度粒子的分离机制；通过模拟剪切流中大量柔性粒子的变形、运动，分析柔性粒子变形运动学特性对悬浮液非牛顿行为的影响。上述研究将对相关工程应用具有指导意义。

刚性、柔性颗粒在流动中运动广泛地存在于自然界、许多工业应用中并起着重要作用。此项研究可为生物医药、水利化工等工程问题提供理论依据。本研究开展了颗粒在流体中运动的LBM数值模拟。流体运动采用LBM求解。柔性颗粒的变形采用有限元方法求解。流固边界上耦合采用动量交换法或者Immersed boundary方法。研究中通过理论和数值分析，提高了LBM 模拟高雷诺数(Re)时的数值稳定性且发展了运动边界条件处理方法。本研究揭示了多种椭球及扁粒子在不同Re及初始条件下剪切流中的运动模态。同时利用相对粘性系数（relative viscosity，可表征能量耗散）对粒子悬浮系统的能量耗散做了研究。证实了著名学者Jeffery关于最终模态由能量耗散最小态决定的假说不正确。我们还研究了悬浮椭球、扁粒子在剪切流中系统本征粘性系数(intrinsic viscosity)、粒子转动周期与粒子形状、雷诺数(Re)的关系。预测了各种粒子出现停止转动模态时的临界Re_c值。成果已发表在JFM 692, 369-394 (2012)及Phys. Rev. E 86, 046305 (2012)上。本研究发现了椭球粒子在圆管或方管中沉降两种新模态：螺旋沉降和几乎竖直的倾斜下降模态。方管中的沉降与圆管中类似，但有两点不同之处。首先是方管中粒子长轴逐渐转到方管的对角平面。其次是出现了一种始终绕同一方向翻转的模态，该方向与通常固体粒子与固体斜面接触时滚落下来的方向相反。管道形状的限定及粒子转动惯性是导致这一非常规翻转模态的两个重要因素。成果发表在Phys. of Fluids上且被选为highlight。关于柔性颗粒运动，本研究设计了一种筛选柔性颗粒的分叉渠道，通过独立调节两个分叉出口的压力，可实现对不同刚度的柔性粒子筛选。最终颗粒被筛选到哪个出口是初始横向放置位置及流量比两个因素竞争的结果。详见Comput.& Fluids, 114 (2015)。本研究详细探讨了两个球形、椭球粒子在管道中的沉降及多个颗粒悬浮液的非牛顿特性。还关注了椭球粒子在Poiseuille流中的迁移规律，发现了一些模态。通过模态比较发现颗粒倾向于使自身动能达到最小的模态。本研究对柔性颗粒的变形模态进行了理论分析和数值模拟，发现了一般流动中的柔性粒子变形模态转变的新方式。还分析了剪切流中柔性粒子变形运动对悬浮液非牛顿行为的影响。