液固两相湍流边界层的多尺度耦合特性与机理

The liquid-solid two-phase flows in turbulent boundary layers are frequently encountered in a wide range of natural physical processes and some key engineering fields such as energy, chemical industry and water conservancy, etc. Because of the complexity of turbulence and the multi-field, multi-scale and complex strongly nonlinear coupling effects between the particles and fluid turbulence, the systematic researches on liquid-solid two-phase boundary layer flows remain largely undocumented. Based on a new high-resolution direct numerical simulation method, a systematic study of the turbulent boundary layers laden with solid particles will be performed. We will investigate the flow characteristics and transition mechanisms of the liquid-solid flows, the formation and evolution of the turbulent coherent structures, and the motion of the dispersed particles in boundary layers. The physical mechanisms of the interactions between particles and fluid will also be investigated in detail. The present numerical results will be expected to provide theoretic guidance for the practical engineering problems, such as drag reduction. The simulation results can also provide theoretical support and database for the establishment, development and improvement of the complex wall turbulence models in liquid-solid two-phase flows and promote further development of the theories of multiphase flows and boundary layers.

液固两相湍流边界层流动广泛存在于自然界以及能源、化工、水利等关键工程领域。由于湍流问题本身的复杂性以及液固两相边界层中颗粒与湍流之间的多场多尺度复杂强非线性耦合作用，人们对液固两相湍流边界层的系统性研究至今仍是一片空白。本项目拟发展高精度的直接数值模拟方法对液固两相湍流边界层的流动问题开展系统深入的研究，分析其流动特性、转捩机理、拟序结构的形成和演化规律，探究离散颗粒在边界层中的运动规律，并揭示颗粒与湍流相互作用的内在物理机理。本项目的研究将为减阻等工程实际问题提供理论指导，为复杂液固两相壁湍流模型的构建、发展和改进提供理论支撑和基础数据库，并推动多相流和边界层理论的进一步发展。

液固两相湍流边界层流动广泛存在于自然界以及能源、化工、水利等关键工程领域。由于湍流问题本身的复杂性以及液固两相边界层中颗粒与湍流之间的多场多尺度复杂强非线性耦合作用，人们对液固两相湍流边界层的系统性研究还很少见。本项目发展了湍流边界层高精度直接数值模拟方法，提出了新的流固耦合算法，对液固两相湍流边界层开展了直接数值模拟研究，揭示了其流动特性、转捩机理、拟序结构的生成和演化规律，以及颗粒与壁湍流之间的复杂耦合作用机制。. 研究表明，颗粒增强了近壁流体与边界层外层流体的混合和对流，促使边界层外层更多的高速流体向壁面方向移动，从而降低了边界层厚度。在两相边界层中，壁面摩擦阻力系数可以分解为层流项、湍流项、对流项和颗粒源项，其中湍流项和颗粒源项是湍流边界层壁面摩擦阻力的主要来源。颗粒的存在抑制了近壁流体的喷射和清扫运动，从而导致雷诺剪切应力减小，进而削弱了湍流项对壁面摩擦阻力的贡献。另一方面，颗粒与流体的相互作用诱导产生了正的动量源项，从而使得壁面摩擦阻力增加。湍流项和颗粒源项的共同作用最终导致壁面摩擦阻力提高。此外，颗粒的存在降低了流体的湍流强度。通过分析湍动能的输运规律，发现颗粒对边界层的湍流调制包含直接作用和间接作用。一方面，颗粒对湍流的直接作用削弱了了湍动能的生成和耗散。另一方面，颗粒与湍流的相互作用在边界层内层产生了额外的能量源，但在边界层外层却发生了能量耗散。二者的共同作用导致流场湍动能明显衰减。颗粒趋于在低流向涡量的区域富集，因此颗粒的流向旋转强度小于流体的旋转强度。在法向和展向上，颗粒倾向于在高涡量脉动的区域聚集，因而颗粒的旋转强度高于流体的旋转强度。基于本项目直接数值模拟数据库，提出了新的壁函数模型。本项目的研究可为减阻等工程实际问题提供理论指导，为复杂液固两相壁湍流模型的改进提供理论支撑和基础数据库，并推动多相流和边界层理论的进一步发展。