《重力沉降顆粒的湍流相對擴散、焦散及聚集效應》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：重力沉降顆粒的湍流相對擴散、焦散及聚集效應
- 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
重顆粒在湍流渦離心力和重力作用下，可表現出聚團和焦散效應（流場中同一點對應多個不同的顆粒速度）等顯著特徵，從而影響顆粒碰撞率及物理或化學反應速率。它們是顆粒對在湍流作用下相對擴散的結果。我們採用直接數值模擬的方法求解各向同性湍流場，採用拉格朗日方法跟蹤顆粒，其中顆粒採用點力模型，同時考慮顆粒與湍流、顆粒與顆粒間4向耦合作用。重力的引入使得顆粒與各向同性湍流的作用時間變得各向異性。主要研究內容包括：不同湍流雷諾數、顆粒Stokes數及重力Froude 數下(1)顆粒聚團、顆粒相對速度和焦散效應;(2)顆粒的時間正向、反向相對擴散時間的非對稱性；（3）相對速度機率密度函式動理學方程中各向異性擴散係數的構建；（4）反卷積與隨機微分方程耦合的顆粒亞格子模型等。課題預期結果對加深理解沉降速度、顆粒慣性對湍流相對擴散、顆粒聚集和焦散效應及提高大渦模擬預測相對擴散的精度等方面有重要的科學意義。
結題摘要
攜帶顆粒的湍流在人們日常生活、環境和工業流動中廣泛存在，例如河流中泥沙的輸運，大氣中污染物的擴散，大氣中雨滴的形成，發動機噴霧燃燒等。研究湍流中的重顆粒在湍流渦結構離心力和重力雙重作用下的聚團、相對運動以及焦散效應（流場中同一點具有多個不同的顆粒速度）機理具有重要的科學意義和套用價值。我們採用直接數值模擬的方法求解各向同性湍流場，採用拉格朗日方法跟蹤顆粒，其中顆粒採用點力模型。主要研究內容包括不同湍流雷諾數、顆粒Stokes數及重力Froude 數下顆粒聚團、顆粒相對速度和焦散效應的物理機制；顆粒的正向、反向相對擴散時間的非對稱性；反卷積與運動學合成湍流的顆粒亞格子模型等。通過該項目，我們提出了沉降顆粒對在湍流中沉降特徵時間尺度模型，並利用該時間尺度提出了一個依賴於沉降速度的等效Kubo 數的概念。在大Stokes 數，小Kubo數下，湍流中在重力作用下增強顆粒聚團程度的機理是顆粒在無關聯的隨機場中運動過程中，在顆粒慣性和乘積放大機理作用下，顆粒的聚集增強。我們基於時間向後擴散，研究了顆粒相對速度機率密度分布函式的變化趨勢。在大Stokes 下顆粒相對速度間歇性增強歸因於顆粒無法有效分離，顆粒對傾向於遍歷間歇性更強的小尺度湍流結構，最終導致顆粒的相對速度的間歇性增強。在小Stokes 數下，顆粒的聚集程度變弱，顆粒分布更加均勻，顆粒對遍歷流場速度梯度也更加均勻，使得顆粒相對速度的間歇性變弱。
