基于移动粒子半隐式方法（MPS）的气液两相非牛顿流体湍流模型研究

本研究拟发展移动粒子半隐式方法（MPS），引入粘弹性非牛顿流体附加应力模型和借鉴大涡模拟（LES）中拉格朗日型动力模型的亚粒子尺度（SPS）湍流模型，使之能够有效模拟复杂区域包含大量可变形颗粒的气液两相非牛顿湍流。同时以添加聚合物/表面活性剂并注入气泡形成的气液两相非牛顿湍流混合层流动为研究对象，观察聚合物/表面活性剂浓度、气泡注入量、Re 数、速比等对剪切层大涡相干结构和剪切诱导结构演化规律的影响，通过测量压降和湍流参数如雷诺应力、湍流强度、涡量等的变化查明聚合物/表面活性剂耦合气泡注入减阻的规律，为数理模型和数值算法的验证提供基础数据。在此基础上利用该模型对气液两相非牛顿流体混合层湍流流动进行数值模拟以进一步深入研究湍流减阻机理。本研究有助于丰富多相流理论体系并深入揭示湍流减阻机理，具有重要的实用价值和学术意义。

本项目以牛顿/非牛顿气液两相湍流混合层流动为对象，通过实验研究和数值模拟方法开展流动机理研究。在实验测量方面，本研究首先发展了基于高斯滤波小波分析的气泡图像边缘提取算法，为采用PIV手段获取两相流动信息提供了有力的研究手段；然后改建了气液两相混合层流动实验系统，对瞬态相界面微观结构特性以及两相流场和湍流特性进行PIV测量，获得了牛顿和非牛顿流体两相混合层中大尺度拟序涡结构的演化规律和湍流强度、雷诺应力、涡量等湍流参数的分布规律。发现添加聚合物后的雷诺应力与涡量的峰值区域都比纯水的更宽，作用范围更大。注入气泡使混合层中心区域内的雷诺应力增大，峰值区域范围减小，添加聚合物的混合层中的雷诺应力峰值增大的更多。对涡量而言，注入气泡使峰值产生非常明显的减小，粘弹性流体的涡量所受的影响比纯水的要小。. 在数值模拟方面，本项目主要针对移动粒子半隐式方法（MPS）开展研究，首先提出了MPS方法的精确度和稳定性条件，满足此条件的MPS方法可以达到DNS的精度并绝对稳定；然后改进了表面张力模型，使MPS方法可以更好地模拟气液两相流动。对于粘性湍流运动，通过引入基于静态和动态Smagorinsky模型的亚粒子应力（SPS）模型，成功发展了大涡模拟MPS方法以降低计算量，通过与混合层流动实验数据的对比，证明基于动态SPS模型的大涡模拟MPS方法可以很好地与湍流统计量实验数据吻合。随后发展了变粘度牛顿流体方法和基于SPH核函数模型的MPS方法，与大涡模拟MPS方法一起，成功地模拟了非牛顿流体混合层湍流运动。同时，鉴于MPS方法巨大的计算量，引入了便于并行计算的泊松方程SLA算法，提出了混合OpenMP和MPI的并行算法，大大提高了MPS方法的并行效率，在100核的集群服务器上最高可加速51.25倍，远高于文献水平。. 本项目为研究非牛顿流体气液两相湍流流动提供了切实可行的高效新算法，从更深层次上揭示气液两相湍流机理和相界面运动的物理本质和基本规律，有助于加深人们对气液两相流动物理本质的理解，具有重要的理论意义和学术价值，同时也具有广阔的工程应用背景。. 项目成果：参编专著1部，授权发明专利1项、申报发明专利2项。发表论文28篇，其中国际期刊论文7篇，国内核心期刊论文7篇，SCI收录7篇次，EI收录14篇次，国际会议特邀报告2篇，国际会议论文4篇，国内会议论文8篇。