基于Tomographic TR-PIV 技术的液固两相湍流边界层拟序结构的实验研究

Behavior of solid particles in the boundary layer has a very important effect on the understanding of particle deposition, migration, contamination and entrainment etc.It was found that coherent structures of liquid solid two-phase turbulent boundary layer are the critical factors in turbulence generation, maintenance and energy transport, but the knowledge of granular flow in the turbulent boundary layer is not clear.The essence of flow is three-dimensional, especially for the turbulent coherent structure of two-phase flow wall boundary layer.The movement rule of multiphase flow, turbulent boundary layer, and turbulent coherent structures are the Frontier hot issues of turbulence research.This topic will take the advantage of Tomo TR-PIV in the spatial distribution measurement of three-dimensional transient turbulent fluctuation, by means of the research techniques of experimental study combined with theoretical and model calculation, with the smooth wall plate and rough wall plate as experimental model, carry out the study of the statistical characteristics of liquid-solid two-phase turbulent boundary layer, the space-time evolution characteristics of coherent structure, and the correction of the turbulence model theory, in water and water with different particle sizes, particle shapes, particle concentration, and Reynolds numbers, so as to provide the model updating and theoretical support for the related problems in industrial and engineering fields.

固体颗粒在边界层内的行为，对理解工业及环境中颗粒沉积、迁移、污染及夹带等具有十分重要作用，研究发现，液固两相湍流边界层拟序结构是湍流生成、维持及能量输运的关键因素，但人们对颗粒在湍流边界层流动的认识尚不清晰。流动的本质是三维的，尤其是对于两相流动边界层的湍流拟序结构而言，更是如此。多相流的运动规律、湍流边界层、湍流拟序结构等内容都是湍流研究的前沿热点问题。本课题发挥Tomo TR-PIV在三维瞬态湍流脉动空间分布测量中的优势，采用实验、理论、模型计算相结合的研究手段，用光滑壁面平板和粗糙壁面平板作为实验模型，开展清水及清水中加入不同颗粒粒径、不同颗粒形状、不同颗粒浓度、不同雷诺数的液固两相湍流边界层统计特性、拟序结构时空演化特征及其对湍流模式理论修正的研究，为工业及工程领域中相关问题提供模型修正和理论支撑。

固体颗粒在边界层内的行为，对理解工业及环境中颗粒的沉积、迁移、污染及夹带等具有十分重要的作用，颗粒可以包含固粒、气泡及液滴，液固两相湍流边界层拟序结构是湍流生成、维持及能量输运的关键因素，对所做的研究具有重要的意义及价值。本项目主要研究了平板近壁液固两相湍流边界层拟序结构、平板近壁低密度可变性颗粒气液两相竖直上升运动规律、典型粗糙壁面液固两相流动结构、液固两相流实验无阻挡整流结构、基于几何重构的Youngs-VOF耦合Level Set相界面追踪方法及液固两相流实验示踪粒子制备。结果表明：颗粒相湍流边界层的缓冲层变薄、对数律区下移，湍流强度得到增强，雷诺应力在对数律区有所增加；颗粒的流向脉动速度在展向涡周围的分布与清水工况不同，颗粒能够被流体展向涡周围的猝发过程有效传递；颗粒相的顺向涡涡核较大，且随着法向位置的升高逐渐发展完整，涡和条带在流向上拉伸的更长；壁面的存在限制了气泡的运动方向，在S*<1.52气泡从离开壁面到再次接近壁面的过程中，气泡的旋转角度逐渐增大，在无量纲距离S*=1.52时，气泡的角度变化不再遵循这种规律；典型粗糙壁面液固两相流PSD结果表明，颗粒的存在使初级结构的脱落频率增大了约1HZ, 通过对流向(4R,1R)、(6R,1R)的PSD结果发现颗粒的存在同样促进了次级结构的生成与发展，颗粒的存在增大了猝发事件的数目，在法向0.75～1.25R区域为颗粒对尾迹结构影响最大的区域；从无量纲之间的关系可知，湍流度与长径比l/M，及以蜂窝器对边距为特征长度的雷诺数有关；发展了一种新的研究气液两相界面迁移特性的运动界面追踪方法，该方法是将Youngs-VOF方法和Level Set方法结合起来，以帮助克服VOF模型的界面跟踪方法和Level Set方法中存在的一些限制，并且在VOF方法的基础上使用了Youngs运动界面重构的方法，避免了由于数值耗散和数值色散性、非线性效应导致捕捉界面模糊的情况；荧光粒子的选择对于PIV流场测试结果的信噪比、测量准确度有着十分重要的影响。项目研究成果为进一步研究奠定了坚实的基础。