带表面活性剂流体问题的表面张力模型与算法研究及其应用

Multi-phase flow with surfactants is found in many science and engineering applications, which has been one of the research hotspots in interdisciplinary fields. The movement of interface casing by surface tension force plays a key role in the present problems, so a acurrate surface tension force model is of great significance to analysis of dynamic phenomena and mechanism. In view of the above-mentioned, the surface tension force model and algorithms in flows with surfactants and its applications are studied in present project and the main contents are three parts: 1) In the framework of Level Set, a free energy-based surface tension force model for two-phase flows will be given, where the influences of concentration of surfactants and thermal field on surface tension coefficient are considered. The present surface tension force model has higher precision and stronger stability. 2) On account of the research work in mutiphase flows given by our project team and our surface tension force model, a high efficient algorithms will be presented for simulating complex flows with surfactants. 3) Taking numerical solutions of two-phase flows with surfactants as the basic target and based on multiple parallel platforms, a software named as Parallel Adaptive Multi-Phase Solver (PAMPS) will be developed by our team. Meanwhile, our surface tenision force model will also be implemented in OpenFOAM to facilitate applications. Furthermore, numerical simulations of complex practical multiphase flows are achieved by our PAMPS and the second developing OpenFOAM.

带表面活性剂的多相流问题，广泛出现在自然现象和工业应用中，是目前学科交叉领域研究的热点问题之一。表面张力引起的流体界面运动在带表面活性剂流体问题中起着至关重要的作用，对表面张力进行精确建模对准确分析流动现象和机理具有重要意义，也是数值模拟的关键。鉴于此，本项目将针对带表面活性剂的两相流问题研究其表面张力模型、算法及其应用，主要研究内容：1）研究Level Set框架下两相流的自由能表面张力模型，考虑表面活性剂浓度、温度等对表面张力系数影响，建立一种精度更高、稳定性更强的表面张力模型；2）结合团队在多相流领域的研究工作，采用我们建立的表面张力模型，为求解带表面活性剂流体问题设计高效数值方法；3）以求解带表面活性剂两相流模型为基本目标，自主研发并行自适应多相流求解器(PAMPS)，完成对OpenFOAM的二次开发，同时用于实际复杂多相流问题的数值模拟。

研究液滴碰撞问题具有重要的科学意义和广阔的应用前景。我们提出了一种高效自适应网格的格子Boltzmann通量求解器，可用于具有大密度比和高雷诺数的液滴碰撞模拟。该方法采用MLBFS来求解流场，水平集方法捕捉界面，基于自由能原理的表面张力模型计算表面张力。进一步，采用自适应网格技术提高算法效率。最后验证该方法的正确性和高效性，并模拟三维液滴碰撞的几种典型情况，如聚结、自反分离、拉伸分离和液膜破碎。..探索液滴的流体动力学行为，对于了解正常感染的过程、防止病毒传播等具有重要的意义。我们提出了一个含有溶质/蛋白质/盐成分的痰类液滴的蒸发流动模型，并设计了一种高效数值方法用于模拟空气中痰类液滴在湿度场中的分散与蒸发流动行为。通过将Langevin方程与重力和拖曳力相结合，探讨了含有颗粒的不可压缩流体的喷射、能量平衡、质量转移和动态运输，并分析了湿度场中服从Rosin-Rammler分布的液滴群的流动行为。..激波不稳定性困扰着诸多低耗散Godunov型格式在高马赫数流动问题中的应用。局部线性稳定性分析表明，HLLC格式可使流向所有扰动衰减，但其不能使横向密度和切向速度的扰动衰减。为此，在横向通量中引入熵波粘性项和剪切波黏性项，有效改善了HLLC格式的激波不稳定性。为保留传统HLLC格式对接触间断和剪切波高精度捕捉的能力，采用耗散控制函数控制引入粘性项的作用区域，使其在激波区被激活，在非激波区被抑制。..在持液气固流化床反应器中，液相的加入增加了结构的不均匀性、流域的多态性及流体动力学的复杂性，也增加了气液固的相间接触，使其具有高效的传质传热特性。采用CFD-DEM模拟方法，研究液体性质对流化特性的影响。通过流化过程、床层膨胀比、颗粒浓度、颗粒速度等参数的对比，得到液体表面张力对流化特性的影响更为显著。对于持液颗粒的聚团，液体含量和表面张力增加，滞留高度增高，滞留区域面积增加，颗粒循环能力降低。