液固两相湍流边界层中粗糙元调控大尺度相干结构的Tomo-TRPIV实验研究

Liquid-solid two-phase turbulent flow is a common flow state in the industry and engineering. In the liquid-solid two-phase turbulent boundary layer near solid wall boundary in the equipment, large-scale coherent structures and particles are the important factors for the generation, maintenance and evolution of turbulence, and as well as and momentum, energy and mass transport, which have important influence for the production efficiency and product quality. To control the development and evolution of large-scale coherent structures and particles motion near wall plays an important role in the effective regulation of chemical process such as heat and mass transfer. In this project, with different shapes and different scales of roughness elements added on the solid wall of liquid-solid two-phase turbulent boundary layer, experimental study of the roughness perturbation manipulating mechanism on the large-scale coherent structure and particles motion in liquid-solid two-phase turbulent boundary layer with Tomographic-TRPIV are carried out. According to the disturbances of different shapes and different scales of roughness elements, the effect rules of the secondary flow structure induced by the roughness elements on turbulence statistics, large-scale coherent structure and particles motion are studied. By comparing different roughness elements perturbation, the interaction mechanisms of roughness elements on large-scale coherent structure and particle movement in liquid-solid two-phase turbulent boundary layer are explored. The research is trying to provide experimental basis for liquid-solid two-phase turbulent boundary layer manipulating, play an important significance for the basic research of turbulent flow, and realize important application values for industrial production to promote turbulent mixing, accelerate the reaction speed, improve the production efficiency, save energy and reduce consumption.

液固两相湍流是工业和工程中常见的流动状态，设备固壁边界附近的液固两相湍流边界层大尺度相干结构和颗粒是湍流生成、维持、演化及动量、能量、质量输运的重要因素，对生产效率和产品质量有重要影响。控制大尺度相干结构的发展演化和近壁颗粒运动，对有效调控化工过程传热传质有重要作用。课题拟在液固两相湍流边界层固壁上加入不同形状不同尺度粗糙元，利用Tomographic-TRPIV开展粗糙元调控液固两相湍流边界层大尺度相干结构及颗粒运动机理的实验研究。针对不同形状不同尺度粗糙元扰动，研究粗糙元诱导产生的二次流动结构对湍流统计量、大尺度相干结构及颗粒运动的影响规律，通过对比有无不同尺度粗糙元，探索粗糙元对液固两相湍流边界层大尺度结构、颗粒运动行为及相互作用机理，为液固两相湍流边界层调控提供实验依据，对推动湍流基础研究具有重要意义，对工业生产中促进湍流混合、加快反应速度、提高生产效率、节能降耗具有重要应用价值。

液固两相湍流是广泛存在于工业和工程中的流动状态，探讨湍流边界层大尺度相干结构、颗粒运动及其相互作用机理，对于深入理解液固两相湍流边界层精细结构，并对湍流结构的发展演化及颗粒运动加以有效调控具有重要理论意义和工程应用价值。本项目主要针对液固两相边界层大尺度相干结构及颗粒运动进行研究。利用粒子图像测速系统（PIV），在中型低速循环水槽中，对液固两相湍流边界层中颗粒对相干结构的影响及颗粒在湍流边界层中的行为进行实验研究，基于空间局部平均结构函数结合新象限分裂法和空间相位平均法对湍流边界层相干结构的空间特征进行检测和提取，利用空间多尺度局部平均涡量提取发卡涡展向涡头及逆向涡，分析液固两相湍流中颗粒及流体相的相互作用机理。利用Tomographic-PIV技术对平板湍流边界层三维流场进行研究，对湍流边界层中的平均速度剖面、湍流度、雷诺应力等湍流统计特征、湍流边界层相干结构发展演化规律、不同尺度及不同壁面距离的猝发事件的结构特征进行考察研究。探讨了半球形粗糙元与液固两相边界层大尺度结构的作用机理，分别利用一维自相关、沿流向不同位置的流向脉动速度的二维空间互相关及法向脉动速度的功率谱密度函数等，获得固体颗粒对尾迹结构演化过程及尾迹结构脱落频率的影响，探究粗糙元作用下液固两相边界层的猝发事件及发卡涡展向涡头空间拓扑特性。通过平板近壁可变形颗粒（气泡）运动及动力学实验，获得了可变形颗粒、流体及竖直平板壁面之间的相互作用机理及气泡与壁面碰撞前后能量变化规律，提出了平均阻力系数的预测模型。通过荧光示踪粒子研制实验，得到荧光染料负载量大、荧光亮度高、跟随性好的荧光示踪粒子。. 在本项目资助下，目前已发表学术期刊论文13篇，其中SCI检索论文2篇、EI检索论文5篇；发表国际学术会议论文5篇、国内学术会议论文12篇；申请国家发明专利4项。本项目深入探究了液固两相湍流边界层大尺度结构、颗粒运动及粗糙元对流固两相流的作用机理，为调控液固两相湍流边界层，使多相流场朝着期望的状态发展，具有重要的理论价值和实际意义。