含离散物质两相壁湍流中的湍流结构和流动阻力调控机理研究

Two-phase wall-bounded turbulent flow represents an important and challenging topic in the fields of multiphase flow and turbulence. The wall-bounded turbulent dispersed flow, with the dispersed phase being solid particles, bubbles, or droplets, is characterized by complex space-time structures, strong inhomogeneity and multi-scale dynamics. Because the discrete phase introduces new spatial and temporal scales, the physical parameters that control the flow multiply, as such two-phase turbulence is much more challenging to deal with, than the single-phase turbulence. Therefore, the development of a comprehensive theory of two-phase turbulent dynamics was considered by Science in 2005 to be one of the 125 most important and unsolved cutting-edge scientific issues (43/125). The first overall objective of this project is to develop fully resolved direct numerical simulations of two-phase wall-bounded turbulence based on the Boltzmann equation, with details validated by complementary experimental data, and to systematically study the unique turbulence structure and drag reduction mechanisms in such flow. The second overall goal is to integrate physical constraints and big-data analysis methods to create an accurate coarse-grained theoretical representation of two-phase wall-bounded turbulence, as well as improved large eddy simulation methods, to fill the gaps in accurate sub-scale modeling and a general mean field theory for turbulent dispersed flow. The third overall goal is to explore the feasibility of regulating flow system drag through the dispersed-phase parameters such as particle density, shape, and surface flexibility.

两相壁湍流是多相流和湍流研究中的重点和难点。含离散物质（颗粒、气泡、液滴）的两相壁湍流具有时空结构复杂，强非均匀性和多尺度特性。因为离散相引进新的空间和时间尺度，控制流动的物理参数成倍增加，导致两相湍流比单相湍流更具有挑战性。因此，发展两相湍流动力学综合理论在2005年被《科学》杂志认为是125个最重要的尚未解决的前沿科学问题之一（43/125）。本项目的第一个总体目标是结合离散相-湍流相互作用的实验数据，开发基于波尔兹曼方程的两相壁湍流全时空直接数值模拟，并利用它们系统研究两相壁湍流中特有的湍流结构和减阻机理。第二个总体目标是整合物理约束与大数据分析方法，创建时空精准的两相壁湍流动力学综合理论和大涡模拟方法，填补两相壁湍流目前没有准确亚格子模型和普适的平均场理论等方面的空白。第三个总体目标是探索通过离散相参数（如密度、形状、柔性）来调控流场系统阻力的可行性。

重点支持项目“含离散物质两相壁湍流中的湍流结构和流动阻力调控机理研究”主要有三个方面的研究内容：第一，发展可以处理各种离散颗粒包括非球形颗粒，可变形液滴的精准计算方法；第二，研究湍流和离散物质相互作用的物理机制；第三，研究含离散物质两相壁湍流系统的流动阻力和传热调控机理、及相关应用问题。..该项目取得了如下重要进展：.1.针对壁湍流与颗粒混合多相流LBM方法计算精度问题，分析发现现有LBM存在边界非物理滑移、数值噪声、局部N-S方程不满足、非物理模态等物理失真表现，很大部分是边界条件反弹格式与Chapman-Enskog展开不一致导致的“隐藏误差”，推导出非均匀流场局部滑移速度表达式。通过消除局部滑移，验证计算表明可获得更符合物理的计算结果。.2.自主开发了一系列结合LBM/DUGKS和IBM/DEM/相场的介观CFD直接数值模拟方法和计算程序，并用于模拟壁面湍流多相流。因此，项目组成为世界上在多相流模拟上计算能力极强的研究团队。.3.成功模拟湍流结构与不同形状（球形、椭球形、片状等）颗粒和液滴的相互作用，揭示了离散颗粒如何调制槽道湍流中湍动能输运和演化，包括由于颗粒边界层和扰动流场引起的全新的湍动能输运机制对湍动能空间分布的影响。.4.研究发现球形颗粒由于表面粘性耗散往往增加壁湍流系统的阻力，非球形颗粒和液滴在某些条件下可以减阻，尤其液滴通过动能、表面能、粘性耗散的相互转换，改变近壁面湍流涡结构能显著减阻。同时，研究了柔性纤维颗粒在旋转滚筒中的传热过程，发现纤维的弯曲刚度显著影响热传导率。.5.另外，计算结果为明渠湍流中泥沙颗粒的输移、柔性纤维颗粒的气固流化床流动、磁流体多相流中颗粒自组装行为等重要应用问题提供了理论指导。..共发表SCI期刊论文91篇，其中JFM论文17篇、PF论文12篇、PRF论文3篇。课题组成员参与组织国内、国际会议4次；参加国际学术会议约52人次，其中会议主旨报告4人次。培养博士生17人、硕士生8人、博后7人。超额完成项目预期目标。