微重力液-液两相流的数值模拟及其并行计算技术研究

微重力液－液两相流是一种以界面张力驱动为主、母相和子相流场温度场对流动的影响同等重要、较易于在地面环境中获得微重力实验结果的独特的两相流动，其物理机制和在工程中应用的研究是当前微重力研究的热点问题。界面张力占主导的流动特性不仅对现有计算方法提出了挑战，更对大规模计算研究所必需的并行工作提出了较高的要求。本项目计划利用和改进现有的界面捕捉算法（界面追踪法和相场方法），进行微重力液－液两相流的数值模拟；利用MPI、OpenMP和GPU相结合的并行策略编制高效的计算程序，在替代一些相当昂贵的上天实验的同时，获得远比任何实验手段丰富得多的流场和温度场等信息。着重探索液滴迁移和两层流体等微重力液－液两相流典型问题的物理现象，研究Ma数、Re数、Ca数、密度比、粘性比、扩散系数比、比热比等关键无量纲参数对流动现象的影响，力争发现其中的某些规律性现象，力争取得关于与此问题数值计算模型和并行算法的新进展。

微重力液－液两相流是一种以界面张力驱动为主、母相和子相流场温度场对流动的影响同等重要、较易于在地面环境中获得微重力实验结果的独特的两相流动。界面张力占主导的流动特性不仅对现有计算方法提出了挑战，更对大规模计算研究所必需的并行工作提出了较高的要求。本项目利用和改进现有的界面捕捉算法（界面追踪法和相场方法），进行微重力液－液两相流的数值模. 其中编制了利用GPU加速Front—tracking的程序，和Phase-field和MPI结合的基本程序（二维全参数，三维主要参数）。 探索新物理现象,用计算机上重现微重力条件下的实验，结合地面实验展开研究，获得比较丰富的流场和温度场等信息，对不同参数下的物理现象形成了规律性的认识. 在顶级力学类期刊上发表文章3篇（Physics of Fluids,Journal of Computational Physics,Journal of Fluid Mechanics）..具体地说，1）结合实验室的实际需求，开展了大Ma数下单滴热毛细迁移的的研究，对不同的Ma数下的不同的迁移过程进行了讨论。一个更大的Ma数会导致液滴经过一个更复杂的过程，更长的时间，和更大的距离才能到达最终稳定状态。2）同时进行了不融合双滴在轴对称情况下的通过热毛细作用相互作用的研究, 发现当液滴初始距离足够远,半径比和 Re比较小而 Ma比较大时：当双滴间距较小时，前滴会被加速，后滴变慢，导致间距变大；而当双滴间距较大时，前滴会减速，后滴被加速，导致间距变小。 因此液滴不会发生融合而是经过两者之间的相互作用最终会保持稳定的中心距离以相同的速度一起向高温端运移。 最终，Ma=100,半径比趋于零的时候间距并非趋于零，而是 0.3左右。而Ma数变小时两滴间距趋于零，容易发生液滴融合. 值得指出的是 Ca数对双滴热毛细迁移过程以及最终可能的稳定状态的影响：大 Ca数时变形大不容易有稳定状态，另外液滴密度较大时变形为鸭蛋形，双滴间的作用机制较弱，液滴密度较小时变形为扁球形，双滴间的作用机制较强。