微重力液-液兩相流的數值模擬及其並行計算技術研究

《微重力液-液兩相流的數值模擬及其並行計算技術研究》是依託中國科學院力學研究所，由尹兆華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微重力液-液兩相流的數值模擬及其並行計算技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：尹兆華
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

微重力液－液兩相流是一種以界面張力驅動為主、母相和子相流場溫度場對流動的影響同等重要、較易於在地面環境中獲得微重力實驗結果的獨特的兩相流動，其物理機制和在工程中套用的研究是當前微重力研究的熱點問題。界面張力占主導的流動特性不僅對現有計算方法提出了挑戰，更對大規模計算研究所必需的並行工作提出了較高的要求。本項目計畫利用和改進現有的界面捕捉算法（界面追蹤法和相場方法），進行微重力液－液兩相流的數值模擬；利用MPI、OpenMP和GPU相結合的並行策略編制高效的計算程式，在替代一些相當昂貴的上天實驗的同時，獲得遠比任何實驗手段豐富得多的流場和溫度場等信息。著重探索液滴遷移和兩層流體等微重力液－液兩相流典型問題的物理現象，研究Ma數、Re數、Ca數、密度比、粘性比、擴散係數比、比熱比等關鍵無量綱參數對流動現象的影響，力爭發現其中的某些規律性現象，力爭取得關於與此問題數值計算模型和並行算法的新進展。

結題摘要

微重力液－液兩相流是一種以界面張力驅動為主、母相和子相流場溫度場對流動的影響同等重要、較易於在地面環境中獲得微重力實驗結果的獨特的兩相流動。界面張力占主導的流動特性不僅對現有計算方法提出了挑戰，更對大規模計算研究所必需的並行工作提出了較高的要求。本項目利用和改進現有的界面捕捉算法（界面追蹤法和相場方法），進行微重力液－液兩相流的數值模. 其中編制了利用GPU加速Front—tracking的程式，和Phase-field和MPI結合的基本程式（二維全參數，三維主要參數）。 探索新物理現象,用計算機上重現微重力條件下的實驗，結合地面實驗展開研究，獲得比較豐富的流場和溫度場等信息，對不同參數下的物理現象形成了規律性的認識. 在頂級力學類期刊上發表文章3篇（Physics of Fluids,Journal of Computational Physics,Journal of Fluid Mechanics）. 具體地說，1）結合實驗室的實際需求，開展了大Ma數下單滴熱毛細遷移的的研究，對不同的Ma數下的不同的遷移過程進行了討論。一個更大的Ma數會導致液滴經過一個更複雜的過程，更長的時間，和更大的距離才能到達最終穩定狀態。2）同時進行了不融合雙滴在軸對稱情況下的通過熱毛細作用相互作用的研究, 發現當液滴初始距離足夠遠,半徑比和 Re比較小而 Ma比較大時：當雙滴間距較小時，前滴會被加速，後滴變慢，導致間距變大；而當雙滴間距較大時，前滴會減速，後滴被加速，導致間距變小。 因此液滴不會發生融合而是經過兩者之間的相互作用最終會保持穩定的中心距離以相同的速度一起向高溫端運移。 最終，Ma=100,半徑比趨於零的時候間距並非趨於零，而是 0.3左右。而Ma數變小時兩滴間距趨於零，容易發生液滴融合. 值得指出的是 Ca數對雙滴熱毛細遷移過程以及最終可能的穩定狀態的影響：大 Ca數時變形大不容易有穩定狀態，另外液滴密度較大時變形為鴨蛋形，雙滴間的作用機制較弱，液滴密度較小時變形為扁球形，雙滴間的作用機制較強。