《粗糙壁面豎直槽道中顆粒-湍流相互作用機理研究》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面上項目。
基本介紹
- 中文名：粗糙壁面豎直槽道中顆粒-湍流相互作用機理研究
- 項目類別：面上項目
- 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
本項目研究對象是具有粗糙壁面的豎直槽道中攜帶顆粒的稀疏二相湍流。粗糙度對近壁處顆粒與湍流、顆粒與壁面的相互作用都有非常重要的影響。通過直接數值模擬方法求解Navier-Stokes方程得到湍流場，採用浸入邊界方法(Immersed Boundary Method)解析壁面粗糙度對湍流的影響。假設顆粒直徑遠小於湍流場Kolmogorov 長度尺度，並基於點力模型，採用拉格朗日方法跟蹤顆粒軌跡。考慮近壁處顆粒與湍流、顆粒與顆粒之間的四向耦合及顆粒與壁面的碰撞，其中顆粒碰撞採用硬球模型。重點研究由粗糙度引起近壁面湍流結構的改變及顆粒與湍流、顆粒與粗糙壁面相互作用機理，定量分析存在粗糙度情況下顆粒對湍流平均速度、湍動能等統計量剖面的改變，顆粒的非均勻分布及顆粒對壁面磨蝕的影響。本研究不僅有助於加深粗糙度對顆粒與湍流相互作用影響的理解，而且對分析、診斷工業流動中管道磨蝕有重要意義。
結題摘要
本項目對具有粗糙壁面的豎直槽道中攜帶慣性顆粒的稀疏二相湍流進行了較系統的研究。攜帶顆粒的二相湍流在粗糙管中流動時，粗糙度可影響流動結構及顆粒與湍流的相互作用，從而影響沙粒對管道或葉片的磨蝕損壞過程。本項目採用歐拉-拉格朗日方法，並結合浸入邊界方法研究了壁面粗糙單元對近壁湍流統計特性、顆粒與湍流相互作用的影響；研究了重力對顆粒在湍流中聚團的影響；發展了一個二相湍流大渦模擬的亞格子模型。結果表明：(1) 顆粒和流體的流向平均速度剖面的最大值從槽道中央向光滑壁面側偏移；(2)粗糙單元因誘導出大量的小尺度流動結構，增強了粗糙壁面側顆粒和湍流的脈動強度；(3)重力會減弱Stokes數小於1 慣性顆粒的聚集程度；(4) 基於隨機微分方程發展的顆粒亞格子模型可以提高大渦模擬方法預測顆粒在湍流作用下相對擴散的精度。通過本項目研究，一方面可加深顆粒與湍流相互作用的理解，另一方面為進一步發展二相湍流大渦模擬模型打下基礎。在本項目研究過程中，在New Journal of Physics, Industrial & Engineering Chemistry Research, ACTA Mechanica Sinica 等重要期刊發表SCI 論文4篇，培養碩士生2名，其中一名已畢業，另一名轉為中科院力學所博士生，參加國際、國內學術會議10 人次。
