湍流相干结构对粒子输运和扩散特性的影响研究

粒子的湍流扩散和输运问题在水动力学、环境工程以及化工和工业过程中具有重要的应用价值，同时也是湍流问题中重点关注的研究课题之一，对颗粒流动的研究有助于控制流动中颗粒的扩散效率、混合过程以及反应效率等，对两相流理论和流动控制理论都具有重要意义。本项目拟主要采用直接数值模拟方法结合Lagrange随机模型对槽道湍流中重粒子或较大浓度粒子的输运和扩散的双向耦合问题进行研究，重点关注于颗粒与湍流大尺度结构和小尺度精细结构之间的相互影响，Stokes数和Reynolds数对粒子扩散的影响，以及粒子扩散的统计特性等。同时计划基于已有的随机模型，充分考虑近壁区和中心区湍流结构和粒子扩散之间的关系，发展新型的能考虑各向异性特征的粒子跟踪模型，从而揭示粒子的湍流扩散问题的物理机理，并为工程应用提供参考。

直接数值模拟了基于摩擦速度和槽道半宽度无量纲化的雷诺数为80的槽道湍流，完善了低雷诺数槽道湍流的DNS数据库，利用这个数据库研究了不同雷诺数槽道湍流中壁面附近的湍流统计特性,通过标度指数的特征，说明了离壁面不同位置处湍流结构的不同。. 在原有DNS程序的基础上完善了惯性颗粒的DNS程序，研究了湍流结构对粒子扩散的影响。分开考虑了喷发和扫掠事件对示踪粒子的移动和离散（或分散）行为的影响，详细分析了喷发和扫掠事件对颗粒群离散行为的统计特征。. 利用子波分析方法，研究了放置翼型的非对称槽道流动中湍流逆梯度输运区域的尺度特征。根据放置翼型的非对称槽道流动的实验数据，利用正交子波研究了各个尺度的概率密度函数、平坦因子、偏斜因子、各尺度之间的关联，之后分析了逆输运区域内的最大相干结构的时间尺度。. 使用泰勒微尺度雷诺数400的高分辨率三维均匀各向同性拉格朗日湍流直接数值模拟数据库，考虑沿着拉格朗日轨迹的能量耗散率，以及伪能量耗散和能量耗散替代的统计特征，结果发现全能量耗散的间歇性特征和多分形理论符合的很好。然而，全能量耗散的各个贡献分量不满足讲点理论预测。全能量耗散替代与伪耗散率是互相关的，并且完整能量耗散大约是，表明是平均相关。因此由提供的间歇性参数是有偏差的，表现出更强的间歇性。