《兩相界面與運動物體相互作用的數值研究及動力學分析》是依託中國科學技術大學，由丁航擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：兩相界面與運動物體相互作用的數值研究及動力學分析
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：丁航
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
針對自然界和工程套用中的氣液兩相界面與運動物體相互作用的複雜流動問題，採用理論分析和數值模擬相結合的手段，建立粗糙表面上的介觀尺度下移動接觸線模型，發展多相耦合及運動邊界的可靠高效的數值方法，實現此類複雜多相流問題的大規模數值模擬，揭示其物理機制和流動規律。研究內容包括：以圓柱撞擊及浮出水面的動力學過程等為典型問題，開展移動接觸線、多相耦合及動邊界等問題共存的高效多相流數值算法和並行算法研究，結合理論分析和數值結果，發展基於擴散界面模型的粗糙表面上的移動接觸線模型，大規模進行典型二相界面與運動物體相互作用問題的數值模擬，探討相關複雜流動現象及其中蘊含的物理機制和流動機理。此項研究是關於多相流和動態濕潤問題研究的前沿性和創新性課題，研究結果可以幫助理解自然界現象中的複雜力學問題，也為實際工程問題和設計提供理論依據和技術支撐。
結題摘要
針對自然界和工程套用中的氣液兩相界面與運動物體相互作用的複雜流動問題，採用理論分析、數值模擬和實驗測試相結合的手段，順利開展了建立粗糙表面上介觀尺度下移動接觸線模型，發展了具有多相耦合及複雜邊界的可靠高效數值方法，實現了大規模數值模擬，揭示了液滴撞擊粗糙孔隙壁面、液滴鋪展動力學和物體入水等多相流動問題中複雜流動現象所蘊含的的物理機制和流動機理。主要研究內容包括：1、對典型粗糙孔隙壁面進行了幾何建模並進行了實驗驗證，揭示了孔隙入口處流動突然加速現象是由於 “水錘”效應，而不是前人所認為的激波效應，發現了慣性作用下的流動模態並量化其特徵。此外，還研究了液滴在接近完全浸潤壁面上鋪展的動力學過程，不僅發現了新的流動現象，例如第二階段液滴斷裂以及連串合併，還發現了斷裂過程由無粘斷裂機制主導。2、結合三相擴散界面法、浸沒邊界法及特徵線移動接觸線模型，發展了具有複雜物體及多相流動的數值模型，不僅實現了流動系統內各相的質量守恆，與實驗及理論結果對比也顯示接觸線運動符合預期規律，此後進一步將該模型成功拓展至多物體及多孔介質流等研究領域。基於所發展的數值模型，研究了不同形狀物體入水後的空穴生成過程，發現了接觸線釘扎、空穴生長和表面波發展等界面區域，探討了接觸線局部流動與界面全局演化之間的關聯，揭示了兩相界面與運動物體之間的相互作用。3、針對多相界面流動數值模擬中格線解析度高、計算量大的特點，提出了一種新型界面處理和流動計算耦合的數值方法，通過區分界面模擬與流動計算所用的格線，實現了雙解析度計算。在滿足質量守恆性和計算準確性的前提下，計算效率比傳統單解析度方法快3到5倍。此外，由於目前發展的移動接觸模型大都僅僅考慮固-液-氣三相之間的接觸線，對於固-水-油-氣四相接觸線問題的建模還很少見。基於耗散界面模型，採用跨越界面的大梯度近似，解決了四相接觸點處接觸角的階躍問題，而且計算結果與理論分析吻合很好。研究成果形成了6篇標註了基金號的SCI論文，均發表在流體力學領域主流期刊Journal of Fluid Mechanics和計算物理領域主流學術期刊Journal of Computational Physics上，課題負責人為第一作者或通訊作者。
