化工过程中介尺度湍流模型研究

Turbulence is a common complex physical phenomena in chemical engineering, which is widely applied for the intensification of heat and mass transfer, and chemical reaction. Turbulence is the so-caled century lasting difficult problem，and turbulence model is the major way to tackle turbulent flows in engineering. This research will extend the thought of meso-science, which comes from the gas-solid EMMS (Energy-Minimization Multi-Scale) model, to single-phase turbulent flows and propose a new turbulence model (i.e., meso-scale turbulence model). Borrowing the idea of split phase from two-phase flow, the model regards single-phase complex flows as a kind of two-phase flow problems constituted by turbulent fluid phase and laminar fluid phase, so the meso-scale structure of turbulence is separated; Subsequently, turbulence stability condition is applied for closure, and the effect of meso-scale eddy structure on turbulent viscosity coefficient is considered; Further, the meso-scale turbulence model is coupled with CFD (Computational Fluid Dynamics) to study some numerical examples such as cavity flow and backward facing step flow et al, and the simulated results are compared with the experimental results to verify the validity of the model; Finally, based on GPU (Graphics Processor Unit) the corresponding software platform is developed to enhance the spatial and temporal scales of simulation for turbulent flows in engineering, realizing the dynamical simulation of the complex flows in chemical equipment. Through the research of this project, it will establish both a physical model and an analysis tool which takes meso-science as the core, bridge the research between turbulence theory and engineering turbulence, and provide a new turbulence model for the simulation of engineering complex flows.

湍流是化工中常见的复杂物理现象，广泛应用于强化传热、传质和化学反应过程。湍流是世纪性难题，湍流模型是解决工程湍流问题的一个主要途径。本研究拟将能量最小多尺度（EMMS）模型的研究思路拓展到单相湍流的研究，提出一个新的湍流模型 — 介尺度湍流模型。该模型借鉴两相流分相的思想，视单相复杂流动由湍流流体成分和层流流体成分组成，分离出湍流的介尺度结构；利用湍流稳定性条件封闭湍流，考虑介尺度涡团结构对湍流粘度系数的影响；并耦合计算流体力学（CFD），用于方腔流、台阶流等流动过程的数值研究，对比可靠的实验数据进行验证；最后，基于图形处理器（GPU）开发此模型的软件平台，提升工程湍流问题模拟的空间和时间尺度，实现化工设备内复杂流动的动态模拟。通过本项目的研究，将建立以介尺度科学为核心的物理模型和分析手段，架起基础湍流和工程湍流研究间的桥梁，为工程复杂流动的模拟提供一种新的湍流模型。

湍流是世纪性难题，湍流模型是解决工程湍流问题的一个主要途径。工程湍流问题中往往存在湍动和非湍动（即层流）区域共存的特点，而传统湍流模型假定计算网格内流体总是处于充分湍流状态，忽视了流动中的层流部分，导致模拟的准确性不足。能量最小多尺度（Energy Minimization Multi-Scale, EMMS）模型是针对气固流态化系统发展的基于结构分解和稳定性条件封闭的多尺度方法，它较早关注了介于系统整体与其组成单元间的介尺度结构对系统行为的影响，并由此逐步发展形成了介尺度科学研究思路。该思路从对复杂系统的尺度和控制机制的分解入手，将不同控制机制分别被表达为一种极值趋势，并通过分析它们之间在竞争中的协调获得系统的稳定性条件，从而在数学上可表达为这些控制机制极值的多目标变分问题。由此可以把不同尺度上的动力学方程关联起来，形成封闭的模型。在本项目的资助下，最近这一研究思路在湍流研究中获得突破，研究发现湍流源于流体惯性和粘性在竞争中的协调，并形成湍流的稳定性条件，利用该稳定性条件建立了基于EMMS原理的介尺度湍流模型，大大改进了雷诺平均方法模拟湍流的精度，譬如，高雷诺数方腔流模拟中，EMMS湍流模型成功地捕捉到了标准 模型不能预测出的三级角涡，EMMS湍流模型的计算结果与DNS数据更吻合等。介尺度科学原理为湍流问题的研究提供了一种新审视角度，有望解决非均匀湍流系统定量模拟的问题，并提升工程湍流模拟的预测性能和解决实际问题的能力。