有反应湍流/非湍流界面分子扩散效应的D-IP统计模拟研究

Investigation of mixing process near turbulent/non turbulent interface has been paid much attention as its important applications in such as turbulent combustion, chemical reactors, and atmospheric turbulence. At turbulent/non turbulent interface with chemical reaction, effect of micro-mixing caused by molecular diffusion is significant. Firstly, chemical reaction is closely related with micro-mixing; Secondly, compared to the large-scale mixing, small scale “Nibbling” contributes more to the mixing process near turbulent/non turbulent interface. In this project, turbulent/non turbulent interface with chemical reaction will be numerical simulated in Lagrangian viewpoint, and influence of micro-mixing on chemical reaction, interface structure and turbulent mixing, as well as their correlations, will be analyzed. Proper scheme of diffusive information preservation (D-IP) method is going to be used in this project. It is advanced in modeling multi-component molecular diffusion and chemical reaction conveniently, sampling Lagrangian statistics directly, and high efficiency for parallel computing. Furthermore, different from simulation based on continuous NS equation, D-IP method has potentials to apply to non-equilibrium flows with smaller scales.

对湍流/非湍流界面处混合性质的研究，因其在诸如湍流燃烧、化工反应器、大气湍流等实际问题中的重要性而受到关注。考虑化学反应时，分子扩散引起的微观混合过程对湍流/非湍流界面处混合性质的影响是不可忽视的，一方面，由于微观混合与化学反应相互耦合；另一方面，相较于大尺度结构，界面处小尺度结构的“蚕食效应”往往对混合过程的贡献更大。本项目拟从拉格朗日观点对有化学反应的湍流/非湍流界面展开数值模拟研究，分析湍流/非湍流界面处微观混合对化学反应、界面结构和湍流混合的作用规律，以及它们的相互影响。针对这一目标，项目中拟采用基于分子模拟的扩散信息保存（D-IP）方法，该方法具有：方便引入多组分的分子扩散和化学反应模型；可通过模拟分子直接采样拉格朗日统计量；且并行计算效率高的优点。另外，不同于求解连续的NS方程，D-IP方法有潜力拓展至更小尺度的非平衡流动模拟。

湍流的微观混合过程是影响化学反应及激波湍流相互作用等湍流中的小尺度现象的重要因素，针对这一过程的研究对理解湍流的流动结构演化机理及发展精确的湍流数值模拟模型具有重要的科学意义和应用价值。湍流的微观混合过程与分子的扩散密不可分，特别是存在化学反应和激波时，这时流动现象覆盖分子尺度至湍流结构尺度，是典型的多尺度流动问题。因此本项目从微观的分子运动出发，发展了基于动理学模型的多尺度随机粒子方法，实现了对湍流混合过程的分子统计模拟，并通过拉格朗日统计分析，揭示了分子扩散对湍流微观混合的影响机理。首先，通过基于Fokker-Planck模型的扩散信息保存方法（D-IP）的发展，本项目一方面，在数值方法的理论上克服了传统分子统计模拟方法对湍流等大尺度连续流动结构计算的困难；另一方面，抓住粒子方法易于并行的特点，开发了高效的基于粒子方法的湍流直接数值模拟计算平台；其次，利用该模拟计算平台和多组分扩散模型，分析了不同扩散系数下湍流微观混合的拉格朗日统计量，结果显示混合过程中扩散系数差异的影响与初始尺寸密切相关，与雷诺数无关，而且，这一扩散系数差异的影响可以持续较长的时间和空间尺度；最后，针对多尺度流动数值模拟的困难，本项目建立了基于Fokker-Planck和BGK模型的多尺度随机粒子方法，该方法不仅可以高效的模拟连续流动，还能计算分子尺度的非平衡现象，其与DSMC方法的耦合方法，可以方便的引入化学反应模型，是连续-分子尺度混合化学反应模拟的有效解决途径。本项目中发展的多尺度随机粒子模拟算法和拉格朗日统计分析方法，可以进一步应用至高超声速可压缩湍流的研究中，这一复杂流动中的多尺度耦合效应更为重要和明显。