纤维悬浮湍流场中纤维减阻机理的理论研究和数值模拟

Fiber-induced drag reduction is a special turbulent phenomenon involving the mechanism between fluid phase and solid phase. It has been shown that turbulence drag of fiber suspensions is linked with the fiber orientation distribution, but there is few researches on the interplay between fiber orientation, turbulence structure and drag reduction. Fiber orientation depends on the coupling action of the fibers and vector fluid. Concentration, scale of fibers and turbulence quantities are directly related to the dynamic mechanism of fiber suspension, and ultimately determine the occurrence and level of drag reduction. Taking the channel flow for an example, based on intensive studies of dynamic behavior of fiber suspension, turbulent coherent structure, fiber orientation and drag reduction mechanism, numerical simulation methods, the main aspects include: (1) suspension flow coupling dynamics model and constitutive equation and the turbulent model with the fiber orientation effect; (2) the correlation study of the fiber orientation distribution, coherent structure evolution in turbulent boundary layer and drag reduction; (3) numerical simulation methods and computation forms for dynamics equations of fiber suspension. There are two main lines, one for fiber suspension dynamics behavior using two-way coupling continuous medium model and the other for coherent structure simulation in boundary layer using coupling Euler-Lagrangian model, to reveal the mechanism of drag reduction occurrence from the macro and micro views.

纤维减阻是涉及流-固两相作用机制的特殊湍流现象。已有研究表明纤维诱导的湍流减阻与其取向分布有关，但缺乏针对取向、湍流结构和减阻相互影响的研究。而且纤维的取向是纤维和载体流场耦合作用的结果，纤维的浓度、尺度以及湍流物理量直接关系悬浮流的动力学机制，并最终决定减阻的发生和程度。本项目将选取槽道流为例，在深入研究纤维悬浮流的动力学行为、湍流特性和拟序结构、纤维取向和减阻机理以及相关的数值仿真方法等基础上，研究内容主要涉及：（1）悬浮流耦合动力学模型以及考虑纤维取向的本构方程和湍流模式的研究；（2）纤维取向分布、湍流边界层拟序结构演变与减阻的相关性研究；（3）纤维悬浮流动力学方程的仿真方法和数值计算的研究。研究过程以基于连续介质理论模型和Euler-Lagrangian双向耦合模型为两条主线，拟分别对纤维悬浮的湍流场及其拟序结构的动力学行为进行建模，从宏观层面和微观层面来揭示减阻发生的机制。

随着现代工业中纤维技术和流动控制技术的研究深入和不断融合，纤维悬浮流的应用前景和研究价值正日渐凸现。纤维减阻就是利用纤维和基体流场间的流-固两相作用以实现湍流减阻的一种技术。与其它湍流减阻技术相比，如柔性聚合物减阻、沟槽面减阻、壁面振动减阻、微气泡减阻等，纤维减阻的机理较为复杂。本项目通过构建考虑纤维取向本构方程的悬浮流耦合湍动力方程和封闭模式，分析了相同流场中纤维浓度对纤维取向的影响以及不同取向情况下不同浓度纤维对湍流减阻的影响。主要研究成果包括以下三点：1）基于连续介质理论和雷诺平均模型，构建了稀相湍流中纤维取向分布的雷诺平均模型，参考Parsheh实验数据，采用耦合流场的雷诺应力模式理论（RSM）对纤维取向平均概率分布进行了数值计算，结果显示符合较好。2）在牛顿流体的RSM模型基础上，进一步推导了耦合纤维附加应力的悬浮流雷诺应力模型。通过引入了适当的假设加以模化，使得该模型可以封闭求解。并用此耦合模型研究了纤维浓度、纤维取向和湍流场流动特性间相互作用和影响，最后给出了不同浓度下获得较大湍流减阻率的纤维取向分布参数。3）系统地研究了各种可变边界的网格生成方法，采用动网格和移动网格方法优化壁面曲线，数值模拟了流场壁面形貌对纤维取向分布的演变，从而为纤维取向分布的可控性提供了理论依据和途径。4）在纤维悬浮的湍流大涡模拟中，采用纤维取向统计量来计算由纤维添加产生的附加应力项，并将该项作为大涡方程的源项，由此解决了因纤维附加应力产生的大涡模拟方程中未知项的求解封闭问题。最后用此模型微观地展现纤维取向和湍流减阻的演变过程。. 本项目从纤维诱导的湍流减阻现象出发，通过理论分析和数值仿真揭示了一些纤维减阻的机理，为完善悬浮流流变学理论和进一步拓展流固耦合的动力学机制及模式模型提供科学依据和模型参考。