湍流颗粒迁移碰撞的亚格子效应及其模型研究

The influence of subgrid scale(SGS) turbulence on particle motions is negelected in most Large-eddy simulation of particle-laden turbulence. However, recent studies show that the subgrid scales play an important role in particle statistics(especially two-point statistics), and related microscopic mechanism remains a challenging area of gas-particle turbulence. This research is devoted to investigate how the SGS turbulenct flow affects the dispersion of particle, the pereferential concentration and collision of particle, based on high resolution direct numerical simulation and spatial filters. The mechanism and key statistics of SGS flow-particle interaction, such as the lagrangian statistics of particle seen fluid's velociteis, will be obtianed, which are essential for the development of new SGS particle models. Based on these work, new models of better prediction ability for the dispersion and collision of particle will be derived and proposed, finally they will be checked by other numerical simulations.

在气固两相湍流的大涡模拟中，通常忽略亚格子湍流对颗粒运动的影响。近年来的研究表明，亚格子湍流对颗粒的统计特性（特别是两点统计特性）具有重要影响，但其微观机理和模型仍然是国内外多相流领域一个具有挑战性的热点问题。本研究拟在高分辨率气粒两相湍流直接数值模拟的基础上，结合空间过滤算子，深入研究流体亚格子脉动对颗粒扩散、局部富集以及颗粒碰撞的作用规律，探析其内在的微观机理和统计特性。基于获得相间亚格子作用的关键内容，从较新颖的"颗粒所见流体速度"的拉氏统计特性角度，提供亚格子尺度郎之万理论模型所需要的关键统计参数，进而发展合理的颗粒亚格子扩散与亚格子碰撞模型，改善现有两相湍流大涡模拟的预报能力。

两相流大涡模拟中缺失的亚网格尺度结构信息会对颗粒运动统计造成巨大的误差，而这也是当前国内外LES研究中十分具有挑战性的领域，而目前的亚网格颗粒模型很难刻画对于颗粒碰撞的模拟。本研究基于伪谱法DNS平台，引入过滤器来获取FDNS流场，从而探讨了均匀各向同性湍流下亚格子尺度流体的统计特性以及其对颗粒迁移与碰撞特性的作用机理。研究发现了LES中过滤掉的亚网格流体对局部富集效应以及颗粒对间相对速度的定量影响，且与颗粒惯性大小有直接联系。在此基础上，借助于两点PDF输运理论，验证了亚网格尺度颗粒所见流场速度Lagevin模型的适用范围，重点关注针对颗粒碰撞行为的预估效果。另一方面，通过小波分析对湍流场进行多尺度分析，并提取流场拟序涡结构。研究发现，不论流场尺度大小，都包含有相干拟序结构。结果显示，适当降低大尺度结构分辨率，并保留亚网格尺度中的拟序结构信息，可极大提高LES中颗粒迁移、碰撞统计结果的准确性，与此同时也可有效降低计算量。