颗粒悬浮湍槽流的双重直接数值模拟研究

Particle-laden turbulent flows are ubiquitous in natural and industrial settings. Understanding of their mechanisms and accurate modeling of such flows are of great importance to the improvement in the efficiency of the relevant industrial devices. In this project, a fictitious domain method is employed to perform fully-resolved direct numerical simulations of particle-laden turbulent channel flows (with experimental works as complement). The effects of particles on turbulence (such as the mean velocity, statistics of fluctuating velocity, Reynolds stress budget, fluctuating vorticity and vortex structures), and the motion and distribution properties of particles in turbulent flows are investigated for different control parameters (including Reynolds number, particle volume fraction, particle dimensionless size, densitiy ratio, particle shape and fluid Non-Newtonian property), in an attempt to resolve some important open problems on the interactions between particles and turbulent channel flows and provide guides for better modeling of engineering multi-phase flows. Taking advantage of large-scale parallel computations, the Reynolds number and the particle number in this project will greatly exceed the current records in the fully resolved numerical simulation works in the literature.

颗粒悬浮湍流在自然界和各种工业应用中普遍存在，了解颗粒悬浮湍流的动力学机理以及建立准确的预测模型对于提高相关工业设备的运行效率具有极大的意义。本项目拟采用虚拟区域方法对颗粒悬浮湍槽流进行双重直接数值模拟（辅以一定的实验验证和补充），研究在不同控制参数（包括雷诺数、颗粒浓度、颗粒无量纲尺寸、密度比、沉降系数、颗粒形状以及流体非牛顿特性等）情况下颗粒对湍流平均速度、脉动速度统计量（包括概率密度分布、湍动能和雷诺应力各分量）、雷诺应力方程中的各项、脉动涡量和涡结构等物理量的影响以及颗粒在湍流中的运动和分布规律，试图解决有关颗粒和湍槽流相互作用的一些尚未解决（或研究）的机理性问题，并为建立更准确的工程多相流模型提供依据。利用大规模的并行计算，本项目拟研究的雷诺数和颗粒数将远超已有双重直接数值模拟工作中的记录。

颗粒悬浮湍流在自然界和各种工业应用中普遍存在，了解颗粒悬浮湍流的动力学机理以及建立准确的预测模型对于提高相关工业设备的运行效率具有极大的意义。本项目采用虚拟区域方法对颗粒悬浮湍槽流进行了双重直接数值模拟，研究了在不同控制参数（包括密度比、颗粒形状、流体非牛顿特性、雷诺数、颗粒浓度、颗粒无量纲尺寸、沉降系数等）情况下颗粒对湍流的影响以及颗粒在湍流中的运动和分布规律。重要的发现包括：1）随着颗粒-流体密度比增加，流动阻力先增加然后减小到和单相流相当，在密度比为10的量级时阻力最大；当密度比为10量级时颗粒浓度分布是不均匀的，槽道中心区域大而近壁区小，该现象由湍泳和颗粒碰撞共同作用导致；2）中性悬浮颗粒会加强方管湍流的平均二次流，在平均二次流影响下颗粒聚集于方管角落；重颗粒的沉降会导致平均二次流出现一对大的涡对，该涡对使得主流的最大速度出现在下半槽道，另外平均二次流使得沉降到底部的颗粒集聚在下壁面的中心区域；3）在固定颗粒体积分数和单颗粒体积的情况下，球形颗粒流动阻力最大，随着形状越偏离球形，流动阻力越小，在长宽比为1/3（扁椭球）和8时（长椭球），出现减阻；4）宾汉流体阻力系数比牛顿流体的略小，尽管宾汉流体的屈服应力增加了流体阻力，但同时也削弱了湍流和流体雷诺应力，使得阻力减小；Saffman升力对非中性悬浮颗粒的浓度分布起主导作用。作为计划外的工作，本项目还研究了一非对称物体在振荡流场中的动力学特性以及DLD分离装置中颗粒变形对临界分离尺寸的影响。