不同来流条件下旋转圆球绕流特性研究与非定常气动模型构建

The interaction between particle and fluid flow is an important gas-solid two-phase flow problem which exists widely in nature and engineering applications. The translating motion of particle always accompanies with rotation, that may lead to lateral migration and influence the surrounding flow pattern and drag force. Thus, it is extremely essential to study the problem of flow past rotating sphere particle. Although there are some studies concerning the problem of rotating sphere in uniform flows, the parameters and freestream conditions they considered are limited, and there is a lack in quantitative model for unsteady aerodynamics of particle. According to this, this project aims to study the flow past rotating sphere under different freestream conditions using CFD method, and construct unsteady aerodynamic model for the particle. The different freestream conditions include uniform flow, shear flow and unsteady flow, and the unsteady flow is composed of one or several sinusoidal waves. It can be conductive to obtain further understanding of particle-turbulent modulation and unsteady aerodynamic model applicable in complex flow environment from this project.

颗粒与流场的相互作用是广泛存在于自然界和工程中的气固两相流问题。颗粒运动往往伴随自身旋转，一方面旋转导致的升力引起颗粒产生侧向迁移运动，另一方面旋转会影响颗粒的绕流特性以及改变拖曳力大小，因此对旋转颗粒的绕流问题进行深入研究十分必要。尽管近年来已有针对均匀来流中旋转圆球颗粒绕流的研究，但所考虑的参数范围比较有限，未考虑更复杂来流条件的影响，并且缺乏颗粒所受气动力脉动的定量预测模型。为此，本课题拟以CFD模拟为技术手段，研究不同来流条件下旋转圆球颗粒绕流特性和非定常气动力特性，构建旋转圆球颗粒在不同来流条件下的非定常气动力模型。本课题所考虑的来流条件包括均匀来流、剪切来流和非定常来流，其中非定常来流由单个或多个正弦波合成得到。本课题研究将有助于获得颗粒对湍流调制作用的进一步认识，以及适用于复杂流动环境中的颗粒非定常气动力模型。

颗粒与湍流的相互作用广泛存在与航空、航天、能源、化工、环境等实际问题中。通过高精度数值模拟方法解析颗粒绕流流场并构建更为准确的颗粒受力模型是精确预报颗粒行为的关键技术之一。围绕颗粒与湍流相互作用这一科学问题，项目开展了以下研究工作：（1）建立了基于高精度紧致差分格式的不可压缩流动数值模拟方法，并实现了基于直接力法的颗粒绕流浸没边界方法；（2）开展了均匀来流中旋转椭圆颗粒绕流的直接数值模拟，揭示了颗粒尾涡脱落、远场尾流形态、所受流体作用力与转速之间的关系；（3）采用直接数值模拟方法研究了壁湍流外区流向速度脉动能量分布，给出了出现大尺度和超大尺度结构的临界雷诺数；（4）提出了分解壁湍流外区附着涡和分离涡的谱分解模型，并利用槽道湍流DNS、风洞实验和野外观测数据进行证实；（5）采用大涡模拟方法研究了大气表面层中的悬移粉尘浓度分布，发现存在类似于动量的高浓度/低浓度大尺度结构，并揭示其产生机理；（6）研究了大气粉尘边界层的浓度廓线理论，指出流向充分发展假设成立的条件和范围，给出一个新的、更容易应用的廓线理论公式。本项目工作实现了解析颗粒流动的基本技术手段、获得了初步的研究结果，获得了对壁湍流相干结构的新认识，揭示了大气表面层湍流中的颗粒浓度分布结构等，完成了项目的部分计划和目标，取得了较丰富的研究成果。