微顆粒-近壁湍流相互作用及減阻機理研究

《微顆粒-近壁湍流相互作用及減阻機理研究》是依託江蘇大學，由李昌烽擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微顆粒-近壁湍流相互作用及減阻機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李昌烽
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

採用數值計算、理論分析及實驗相結合的方法研究具有或小於湍流耗散尺度的微顆粒與湍流相互作用及減阻問題。運用準譜方法直接數值模擬管道流及其中的微顆粒運動，通過四向耦合全面描述兩相流中微顆粒-湍流、微顆粒-微顆粒間相互作用，得到高可靠性的顆粒運動和分布情況,流場信息及減阻數據，研究顆粒大小、濃度和密度等在不同流動雷諾數及管道工況下對阻力係數、平均速度分布和湍流結構的改變規律,尋找最佳減阻效果的最佳化級配；分析湍流統計量、渦旋和擬序結構、猝發周期、雷諾剪下應力、湍動能及渦量動能能量等隨減阻率的變化規律,闡釋顆粒湍流減阻機理。改造一管道流實驗台,綜合運用PIV(粒子圖像測速)和PDPA(相位都卜勒粒子分析)技術測量流場和顆粒相速度及分布，驗證計算結果和減阻機理。通過與高分子稀溶液湍流減阻相類比分析，進一步建立微顆粒湍流減阻模型及微顆粒間相互關聯模型，增加對湍流本質的認識，也為顆粒減阻套用提供理論指導。

結題摘要

本項目採用數值計算、理論分析及實驗相結合的方法研究了微顆粒與湍流相互作用及減阻問題。 對水平固液兩相湍流進行了數值計算，主要考察了以Kolmogorov尺度（約為2ν/uτ）為臨界值的細小沙粒顆粒在5%的固相體積分數下對湍流場的調製及其減阻效應。研究發現，無量綱顆粒直徑dp+ ≤ 2的小顆粒減小了固液兩相湍流的雷諾應力，並且三個方向上的速度脈動也被不同程度地削弱；而dp+ = 4的大顆粒使緩衝層區域的雷諾應力稍增大，在增強法向速度脈動的同時對流向脈動有抑制作用，特別是發現較大顆粒的存在導致緩衝層中的部分區域出現了流變現象。在減阻方面，較小的顆粒（dp+ ≤ 2）有大致相同的減阻表現，而大顆粒（dp+ = 4）已經失去了減阻性能。 研究了細顆粒泥沙對離心泵工作特性影響的具體情形。給出了在微米量級尺度上不同粒徑及10%顆粒體積濃度以內條件下離心泵固液兩相流動規律，得到了相應的離心泵的外特性的變化規律並與清水單相流情形進行了對比。研究結果表明：在葉輪流道內，固相體積濃度分布極不均勻，細顆粒主要集中於流道出口處及葉輪吸力面。在所研究的工況條件下，與清水情況相比，加入某些濃度、粒徑的細顆粒離心泵內的湍流粘度，湍動能都有所下降，並且分布規律與顆粒的分布相似，離心泵的揚程與效率有所提高。 設計建造了一流動減阻實驗台，並申請獲批了專利。該裝置可開展添加物（微顆粒、高分子聚合物溶液等）全流態減阻特性實驗，已經調試校核正常運行。 理論分析上給出湍流減阻的多級（multistage）模型，指出在有壁面流動中湍流減阻在低減阻率區與高減阻率區主要減阻作用範圍的不同。相應的從湍流減阻起始至最大減阻極限（MDR）的多級（multistage）形態也進行了分析和模擬。對最大減阻極限（MDR）時流動的間歇性進行了分析，給出了最大流速前後流動的平均速度，雷諾應力等分布和變化。結合穩定性分析，提出了粘性附面層Reynolds數不變性的概念。增加了對湍流本質的認識，也為顆粒減阻套用提供了參考。 已有一些新穎的成果在學術期刊和國際學術會議上報告，10餘篇SCI、EI、ISTP 在內的論文已經發表或被錄用，還有一些結果在整理中。項目還支持出版了1部圖書，申請授權2項專利。在該項目執行過程中前後有10餘名研究生參與其中，項目負責人也獲得了中青年學術帶頭人的培養和鍛鍊。