基于格子Boltzmann方法的粗颗粒(群)对多相反应湍流传热传质影响的研究

对于悬浮颗粒与携带流体的速度、温度和组分场之间的湍流相互作用内在机理的探讨和模型预报是湍流多相反应流体力学的核心问题。国内外关于湍流气粒多相流动的研究一直非常活跃，但是对非等温多相反应流的研究十分有限。特别需要指出的是大多数已有工作将颗粒简化为点源处理。然而，最近的研究表明点源颗粒近似所得到的规律并不能全面反映多相湍流的本质特征，对有传热传质的多相湍流的研究更为肤浅。本研究拟以申请人在德国作洪堡学者期间的工作成果为基础，基于格子Boltzmann方法这一新型的介观模拟手段发展新型的多相反应湍流高效直接数值模拟工具来考察粗粒子群的运动规律、团簇现象、流体湍流变动及其对相间传热传质和化学反应的影响，以期阐明引起流体和粗颗粒群介观结构变化的物理机制和本质特征，为进一步完善工程多相反应湍流模型提供必要的基础数据。

对于悬浮颗粒与携带流体的速度、温度和组分场之间的湍流相互作用内在机理的探讨和模型预报是湍流多相反应流体力学的核心问题。本项目目的在于利用格子Boltzmann方法的介观特点和计算优势，发展新型的模拟粗颗粒流动和粗颗粒群-多相反应湍流相互作用的True DNS计算方法，并在此基础上开展粗颗粒(群)对多相反应湍流传热传质影响的细观数值模拟，深入研究湍流与颗粒、热传递、组分扩散、化学反应等要素的微观相互作用基理。通过本项目的实施，共发表论文15篇，其中SCI收录11篇；培养研究生5名；参加国内外学术会议3人次。完成了任务书所规定的所有目标。主要的成果如下：.（1）增强湍流模拟的稳定性，目前成熟的LB模型有2类：基于熵概念的LB湍流模型和基于层次结构的LB湍流模型。在第一类湍流模型中，是基于热力学中的熵增概念来修正LB演化模型中的碰撞算子及碰撞后的分布函数，通过热力学来增强LB模型对高雷诺数流动模拟的稳定性；而在第二类模型中，是将演化的坐标系随着流体的运动而运动，以此来克服LB模型碰撞算子中不满足伽利略不变性所带来的负面影响，从而提高模型对高雷诺数流动模拟的稳定性。由于第一类模型具有更清晰的物理意义，所以我们选择了第一类模型为基础来构建我们的模型，已经实现了基于熵概念的LB湍流模型，发表在国际传热传质类TOP杂志Int. J. Heat Mass Trasf.上；.（2）进一步开发了用于多组分燃烧模拟的格子Boltzmann模型。模拟了在不同反应区的反应撞击流，提出了新的反应区间划分标准，并首次指出对于某些特定的反应区间，已有的燃烧模型从理论上已经不在适用因为该反应区间的燃烧时间空间尺度已经和流动时间空间尺度重叠，超出了大部分燃烧模型的理论假设。同时发现了在某些反应区间，燃烧的细致结构已经开始与传统的理论出现偏差，如扩散火焰中开始出现预混火焰的特征。所做工作发表在国际燃烧/能源领域TOP杂志Int. J. Hydrog. Energy上；.（3）详细研究了颗粒与流体间的相互作用规律。讨论了颗粒间距，雷诺数，颗粒振荡频率对流型的影响。通过基于LB方法的数值实验发现，颗粒振荡频率对流型的影响非常显著并首次揭示了其定量规律。所作工作发表在流体力学领域顶尖杂志Phys. Fluids上。 并讨论了热浮力对颗粒相互作用的影响，发表在国际传热传质类TOP杂志。