复杂流动中颗粒和纤维迁移特性与流变机理研究

In this project, suspensions with bulk volume fractions 10%~40% in complex flow conditions, such as shear flow, pipe flow, pulsating flow, and gravity sedimentation etc., will be studied by the lattice Boltzmann simulations and experiments. The migration and distribution of the micron- or millimeter-sized (non-colloidal) particles and fibers in the flows and rheology mechanism will be investigated. Specifically, the statistical characteristics of the migration and distribution of particles and fibers in different flows will be explored. The factors that contribute to distribution characteristics will be revealed and the macro diffusion models for the particle (fiber) phase will be developed. The correlation between the distribution characteristics and the effective viscosity coefficient, normal stress differences will be discussed so as to explore the inherent mechanism for the non-Newtonian behaviour of the suspension. In the meanwhile, the relevant experimental apparatus would be established and measurement approaches would be developed. The LBM will be improved in terms of the efficiency of parallel computing and numerical stability for such a complex fluid-structure interaction. The related research results can provide important theoretical basis for biomedical, chemical metallurgy, water conservancy and environmental protection departments.

本项研究的目的是开展中低浓度悬浮液在复杂流动状态（如剪切流、管流、脉动来流以及重力沉降等）中，微米毫米级颗粒和纤维迁移分布特性与流变机理的数值模拟与实验研究。具体如下，通过实验测量与大规模三维并行格子玻尔兹曼(LBM)模拟探讨各类复杂流动中颗粒和纤维迁移分布统计规律，考虑各种影响因素发展完善颗粒（纤维）相宏观迁移扩散模型。揭示悬浮颗粒、纤维在剪切流动中的迁移分布规律与有效粘性系数及法向应力差等非牛顿行为特征量的关联，探索悬浮液非牛顿特性的内在机制。同时将发展相关实验方法及测量手段；完善LBM 数值模拟方法，提高并行计算效率及LBM模拟复杂流固耦合问题的计算稳定性。相关的研究成果可为生物医药、化工冶金、水利环保等部门提供重要的理论依据。

基于理论分析，我们进一步完善了柔性颗粒、纤维模型及运动曲面无滑移边界处理方法，开发了三维柔性颗粒、纤维流固耦合格子玻尔兹曼（LBM）数值模拟平台（已发表多篇J. Fluid Mech.及Phys. Rev. E）。通过二维以及三维并行LBM模拟探讨了剪切流、管道流等流动中不同形状悬浮刚性颗粒以及悬浮柔性颗粒迁移、分布统计规律（已发表Phys. Fluids，Comput. Fluids）。球形颗粒悬浮液近壁区域颗粒会分层而中心区域具有准均匀结构。若粒子趋于长条形则粒子分布变得更加均匀。稠密悬浮液中应力波项（stresslet）对相对粘度和第一法向应力差的贡献占主导，雷诺应力项的贡献随着长短轴比显著增加，且流体惯性大时更突出。渠道流中柔性颗粒悬浮液表观粘性并不是随颗粒浓度单调增加，其变化曲线可分为不同区域，每个区域都对应着不同特征的微观排列结构。这些区域分布与粒子刚度及流体惯性紧密相关。三维圆环容器内柔性颗粒悬浮液的有效粘度在低雷诺数(Re)下，随Re及毛细数的变化与直管中的一致。当Re>1时，弯管中悬浮液有效粘度与直管中的变化趋势相反，Dean涡在其中起着重要作用（已投稿J. Fluid Mech.，Phys. Rev. Fluids）。通过实验测量以及LBM模拟，我们探讨了剪切流及Poiseuille流中悬浮柔性纤维的变形、迁移分布规律。在宽通道内（如W=4），随着K的减小，纤维依次呈现刚性运动、弹性运动、蛇形转弯和复杂模态。流体惯性有拉直纤维的倾向。Re显著影响横向平衡位置，进而影响局部剪切速率和翻滚周期T。较小的刚度K会减慢纤维的翻滚。随着W的减小，壁约束效应使纤维更易变形并更接近中心线，翻滚周期将增加，摆动模式更常见（已投稿J. Fluid Mech.）。我们还考察了摆动柔性纤维与流体的耦合运动，发现了与涡融合模式紧密关联的纤维间水动力学相互作用规律（已发表多篇J. Fluid Mech.及Phys. Fluids）。同时我们还讨论了以上迁移分布规律与悬浮液有效粘性系数及法向应力差等非牛顿行为特征量的关联，揭示了纤维悬浮液非牛顿特性的内在机制。相关的研究成果可为生物医药、化工冶金等部门提供重要的理论依据。