《大尺寸顆粒與各向同性湍流雙向耦合的直接數值模擬》是依託中國科學院力學研究所，由晉國棟擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：大尺寸顆粒與各向同性湍流雙向耦合的直接數值模擬
- 項目類別：聯合基金項目
- 項目負責人：晉國棟
- 依託單位：中國科學院力學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
顆粒-流體二相湍流在環境和工業流動中廣泛存在。大渦模擬方法在二相湍流的預測與控制中有望發揮重要作用。用歐拉-拉格朗日方法描述二相湍流，當顆粒直徑大於湍流Kolmogorov 長度尺度（本申請項目稱為“大”或“有限”尺寸顆粒）時，解析顆粒的直接數值模擬正成為研究顆粒與湍流相互作用及其模型構建的重要工具。. 我們在本項目中以解析顆粒的直接數值模擬為工具，（1）研究顆粒直徑對顆粒在各向同性衰減湍流中受力、混合和聚團的影響；（2）研究顆粒對湍流能譜標度指數的改變及顆粒引起的額外湍流耗散率，以此為基礎，發展二相湍流大渦模擬亞格子應力模型和顆粒雷諾數大於1時非線性阻力公式的亞格子模型。然後，我們把所發展的亞格子模型套用於顆粒直徑遠小於濾波寬度的大渦模擬中進行驗證。. 本項目的目標是理解大尺寸顆粒與湍流雙向耦合機理和發展二相湍流大渦模擬亞格子模型，提高其預測能力。
結題摘要
攜帶顆粒的湍流二相流在環境和工業流動中存在著廣泛而重要的套用。對慣性顆粒與湍流雙向耦合機理的理解是湍流二相流預測和控制的基礎。解析顆粒的直接數值模擬是理解顆粒與湍流相互作用機理的有力工具。該方法可以解析大量運動顆粒與流體之間的界面及顆粒與流體相互作用的細節，如顆粒與流體之間的相互作用力及力矩，顆粒所誘導的渦等。在本項目中，我們採用格子波爾茲曼方法作為解析顆粒與流體界面和湍流的直接數值模擬方法，(1)研究了大尺寸顆粒在各向同性湍流中的混合與聚集特性。探索通過重力調控顆粒在湍流中聚集的程度以及顆粒對湍流的調製作用；發現在顆粒的周圍會誘導出強烈的湍流旋渦，產生小尺度的流動結構。這種小尺度流動結構會改變湍流的統計特性，如湍流的能譜和能量耗散率等，具體表現為大尺度的能量譜會減弱，而小尺度的能量譜會增強。（2）建立了大尺寸生物質顆粒氣化反應動力學的多尺度耦合方法。該方法的特點是考慮了大尺寸顆粒內化學反應的非均勻性，數值實現了木材顆粒氣化過程的模擬；（3）發展了顆粒-湍流二相流大渦模擬亞格子模型，提高了大渦模擬方法預測雙顆粒擴散的精度。我們以直接數值模擬得到的數據為基礎，考察了顆粒與亞格子渦的作用時間隨顆粒慣性和濾波寬度的變化；建立了重力作用下該時間尺度的解析表達式；把所發展的時間尺度用於封閉亞格子隨機微分方程，提高了預測相對擴散的能力；（4）發展了在有限雷諾數作用下顆粒與壁面潤滑力模型。實際的顆粒在湍流中運動時都具有有限的雷諾數，而通常的理論潤滑力模型是在Stokes 流動假設下得到的。我們利用解析顆粒的直接數值模擬方法，得到了有限雷諾數下顆粒-壁面相互作用的潤滑力模型，大大拓展了通常使用的雷諾數趨於零時Stokes 流動下的潤滑力理論模型。在本項目的實施過程中，我們發表SCI 論文7篇，包括Physics of Fluids, New Journal of Physics, Journal of Turbulence等著名流體力學和物理類期刊，培養已畢業碩士生1名，由碩士轉為博士研究生3名，目前1名碩士研究生在讀。參加國際國內學術會議和研討會交流6人次，其中邀請報告2次，包括第六屆國際非線性力學會議(ICNM-VI, 2013)和第7屆世界顆粒技術大學(WCPT7, 2014)。
