方管湍流多效应协同作用下颗粒运动机理研究

Compared to other flows, turbulence in square duct flows is the most complex one because it includes secondary flow, turbulence transition and coherent structure near the wall. As such, particles in the square duct turbulent flows look very comprehensive. In recent years, with the discovery of turbulence transition in the duct flows, the investigation of particle behaviour under the combined effects of the turbulence in duct flows has been expansively developed. So far, the investigation of the joined effect of turbulence transition, secondary flow in combination of coherent structure on particle behaviour has never been found. The applicant has done series of research in the area of multiphase duct flows for years and proposed to study the joined effect of turbulence transition, secondary flow and coherent structure on particle behaviour (such as dispersion, deposition, resuspension and so on) in the turbulent duct flows. This work will be carried out by numerical simulation and experimental measurement. Understanding of secondary flow, turbulence transition and coherent structure contributes to discover the linkage between particle behaviour and turbulent flows as well as its feedback to turbulence. In the end, the working mechanism of multiple effect of turbulence on particle behaviour in duct flows will be obtained.

方管湍流具有比其它管道流动更加复杂的湍流特征，其独特的截面二次流动、湍流转捩与壁面拟序结构协同作用致使其中颗粒运动更加复杂。近年来，随着方管湍流转捩现象的发现，为全面研究方管湍流中颗粒在多种效应下复杂运动提供了重要的理论支持。目前，方管中湍流转捩、二次流动、与壁面拟序结构协同作用下颗粒运动特征及机理的研究还鲜见报道。项目申请人基于多年来在方管多相湍流领域工作积累，提出该项目研究计划，包括方管湍流转捩、二次流动、以及近壁面拟序结构, 多效应协同作用下的颗粒物扩散、沉淀、卷起等行为。应用数值计算与实验测量相结合的方法, 全面研究方管湍流多效应协同作用下颗粒物运动机理。分析方管湍流二次流动、湍流转捩以及壁面拟序结构，寻求颗粒行为特征与湍流多效应间的关联性，探究颗粒存在对湍流各效应的反作用，最终获得方管湍流多种效应协同作用下颗粒运动机理。

工业生产中存在大量非圆形管道，如方形管道等。方管湍流具有比其它管道流动更加复杂的湍流特征，其独特的截面二次流动、湍流相干结构与壁面拟序结构协同作用致使其中颗粒运动更加复杂。该领域研究还很匮乏，特别是多相流动鲜有发现。研究颗粒在非圆形管道（方管）两相流系统中的运动机理，对于保障相关设备的安全有效运行、优化工业生产、环境保护，乃至维护我们的生命健康都具有重要的实际意义。本项目基于大涡模拟（LES）与直接数值模拟（DNS）方法对方管两相湍流内颗粒运动机理进行数值模拟研究（单向、双向到四向）。研究内容包括高雷诺数范围(10-250k)方管湍流近壁面区域二次流对颗粒聚集行为的影响与颗粒欧拉统计学特性，二次流以及不同区域内湍流相干结构与颗粒运动、颗粒间碰撞的相互作用。此外，对沉积管道以及其中流动导致颗粒-壁面效应（静电与冲刷腐蚀）开展了数值模拟与实验研究。研究结果全面深入地揭示了方管颗粒两相湍流中二次流、湍流相干结构以及颗粒行为间的相互作用机制；获得了沉积管湍流特征及其形成机制，完善了高雷诺数范围下方管湍流中大尺度二次流结构对颗粒沉积及再悬浮行为理论；首次揭示了带有顶部自由面的方管颗粒两相湍流中惯性颗粒的分散机理；定性和定量结合揭示了方管湍流中大尺度二次流结构、湍流相干结构对颗粒分离和聚集行为，以及颗粒间碰撞相互作用机理。此外，研究发现了气固两相流中静电效应增强颗粒湍流调制作用，改变高低速条纹的区域和强度大小；再次，建立了多相冲刷腐蚀在线多源电化学测量技术。本项目成果发表学术专著2本，学术论文62篇，其中SCI收录论文20篇，授权发明专利1项，软件著作权1项, 公示国家发明专利6 项。当前基础研究大多集中在各向同性湍流或带有一个各向异性方向的平板槽道或圆管湍流上。因此本项目开展带有两个各向异性方向的方管两相湍流研究对于理解复杂几何结构中颗粒与湍流间的相互作用机制具有重要的理论意义。