粗糙壁面竖直槽道中颗粒-湍流相互作用机理研究

本项目研究对象是具有粗糙壁面的竖直槽道中携带颗粒的稀疏二相湍流。粗糙度对近壁处颗粒与湍流、颗粒与壁面的相互作用都有非常重要的影响。通过直接数值模拟方法求解Navier-Stokes方程得到湍流场，采用浸入边界方法(Immersed Boundary Method)解析壁面粗糙度对湍流的影响。假设颗粒直径远小于湍流场Kolmogorov 长度尺度，并基于点力模型，采用拉格朗日方法跟踪颗粒轨迹。考虑近壁处颗粒与湍流、颗粒与颗粒之间的"四向耦合"及颗粒与壁面的碰撞，其中颗粒碰撞采用硬球模型。重点研究由粗糙度引起近壁面湍流结构的改变及颗粒与湍流、颗粒与粗糙壁面相互作用机理，定量分析存在粗糙度情况下颗粒对湍流平均速度、湍动能等统计量剖面的改变，颗粒的非均匀分布及颗粒对壁面磨蚀的影响。本研究不仅有助于加深粗糙度对颗粒与湍流相互作用影响的理解，而且对分析、诊断工业流动中管道磨蚀有重要意义。

本项目对具有粗糙壁面的竖直槽道中携带惯性颗粒的稀疏二相湍流进行了较系统的研究。携带颗粒的二相湍流在粗糙管中流动时，粗糙度可影响流动结构及颗粒与湍流的相互作用，从而影响沙粒对管道或叶片的磨蚀损坏过程。本项目采用欧拉-拉格朗日方法，并结合浸入边界方法研究了壁面粗糙单元对近壁湍流统计特性、颗粒与湍流相互作用的影响；研究了重力对颗粒在湍流中聚团的影响；发展了一个二相湍流大涡模拟的亚格子模型。结果表明：(1) 颗粒和流体的流向平均速度剖面的最大值从槽道中央向光滑壁面侧偏移；(2)粗糙单元因诱导出大量的小尺度流动结构，增强了粗糙壁面侧颗粒和湍流的脉动强度；(3)重力会减弱Stokes数小于1 惯性颗粒的聚集程度；(4) 基于随机微分方程发展的颗粒亚格子模型可以提高大涡模拟方法预测颗粒在湍流作用下相对扩散的精度。通过本项目研究，一方面可加深颗粒与湍流相互作用的理解，另一方面为进一步发展二相湍流大涡模拟模型打下基础。在本项目研究过程中，在New Journal of Physics, Industrial & Engineering Chemistry Research, ACTA Mechanica Sinica 等重要期刊发表SCI 论文4篇，培养硕士生2名，其中一名已毕业，另一名转为中科院力学所博士生，参加国际、国内学术会议10 人次。