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重力沉降颗粒的湍流相对扩散、焦散及聚集效应
结题报告
批准号:
11472277
项目类别:
面上项目
资助金额:
85.0 万元
负责人:
晋国栋
学科分类:
A0901.湍流与流动稳定性
结题年份:
2018
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
王士召、董垒、董宇峰、耿晨晖、陈进财、时北极
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中文摘要
重颗粒在湍流涡离心力和重力作用下,可表现出聚团和焦散效应(流场中同一点对应多个不同的颗粒速度)等显著特征,从而影响颗粒碰撞率及物理或化学反应速率。它们是颗粒对在湍流作用下相对扩散的结果。我们采用直接数值模拟的方法求解各向同性湍流场,采用拉格朗日方法跟踪颗粒,其中颗粒采用点力模型,同时考虑颗粒与湍流、颗粒与颗粒间4向耦合作用。重力的引入使得颗粒与各向同性湍流的作用时间变得各向异性。主要研究内容包括:不同湍流雷诺数、颗粒Stokes数及重力Froude 数下(1)颗粒聚团、颗粒相对速度和焦散效应;(2)颗粒的时间正向、反向相对扩散时间的非对称性;(3)相对速度概率密度函数动理学方程中各向异性扩散系数的构建;(4)反卷积与随机微分方程耦合的颗粒亚格子模型等。课题预期结果对加深理解沉降速度、颗粒惯性对湍流相对扩散、颗粒聚集和焦散效应及提高大涡模拟预测相对扩散的精度等方面有重要的科学意义。
英文摘要
Preferential concentration and caustics are the two most important characheristics of heavy particles driven by turbulence, where the preferential concentration means particles do not uniformly distribute in the turbulent flow field,but preferentially accumulate in regions of low vorticity and high strain rate due to the centrifugal force of the turbulent eddies, and the caustics means multiple values of particle velocity at the same point in the turbulent flow field due to the sling effect of eddies with high local dissipation rate, known as intermittence of turbulence. Preferential concentration and caustics significantly affect the collision rate between heavy particles and thus the physical and chemical reaction rates. The relative dispersion of heavy particles by turbulence results in these two important characteristics. The isotropic turbulence field is solved using the pseudo spectral method, and Lagrangian tracking is used to solve the motion of particles based on the point-particle assumption. The four-way coupling method between particle and turbulence, particle and particle collision is considered. Gravity makes the interaction time between particles and the isotropic turbulence anisotropic. The main contents of the projection include(1)the effects of Stokes number, Reynolds number and Froude number on preferential concentration, relative velocity and caustics;(2) the effects of Stokes number, Reynolds number and Froude number on the time asymmetry of forward-in-time and backward-in-time relative dispersions;(3) the construction of the anisotropic diffusivity tensors in the kinetic equation for two-particle PDF of the particle pair relative velocity distribution;(3) the coupling between the approximate deconvolution method and stochastic differential equation to recover the subgrid scale turbulent velocity seen by heavy particles. The results of this project are of significance to give physical insight to the mechanism of relative dispersion, preferential concentration and caustics under gravity, and will help to improve the accuracy of large-eddy simulation of relative dispersion of heavy particles.
携带颗粒的湍流在人们日常生活、环境和工业流动中广泛存在,例如河流中泥沙的输运,大气中污染物的扩散,大气中雨滴的形成,发动机喷雾燃烧等。研究湍流中的重颗粒在湍流涡结构离心力和重力双重作用下的聚团、相对运动以及焦散效应(流场中同一点具有多个不同的颗粒速度)机理具有重要的科学意义和应用价值。我们采用直接数值模拟的方法求解各向同性湍流场,采用拉格朗日方法跟踪颗粒,其中颗粒采用点力模型。主要研究内容包括不同湍流雷诺数、颗粒Stokes数及重力Froude 数下颗粒聚团、颗粒相对速度和焦散效应的物理机制;颗粒的正向、反向相对扩散时间的非对称性;反卷积与运动学合成湍流的颗粒亚格子模型等。通过该项目,我们提出了沉降颗粒对在湍流中沉降特征时间尺度模型,并利用该时间尺度提出了一个依赖于沉降速度的等效Kubo 数的概念。在大Stokes 数,小Kubo数下,湍流中在重力作用下增强颗粒聚团程度的机理是颗粒在无关联的随机场中运动过程中,在颗粒惯性和乘积放大机理作用下,颗粒的聚集增强。我们基于时间向后扩散,研究了颗粒相对速度概率密度分布函数的变化趋势。在大Stokes 下颗粒相对速度间歇性增强归因于颗粒无法有效分离,颗粒对倾向于遍历间歇性更强的小尺度湍流结构,最终导致颗粒的相对速度的间歇性增强。在小Stokes 数下,颗粒的聚集程度变弱,颗粒分布更加均匀,颗粒对遍历流场速度梯度也更加均匀,使得颗粒相对速度的间歇性变弱。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:--
发表时间:2015
期刊:中国科学: 物理学 力学 天文学
影响因子:--
作者:晋国栋
通讯作者:晋国栋
A structural subgrid-scale model for relative dispersion in large-eddy simulation of isotropic turbulent flows by coupling kinematic simulation with approximate deconvolution method
通过耦合运动学模拟与近似反卷积方法,构建了各向同性湍流大涡模拟中相对色散的结构亚网格尺度模型
DOI:10.1063/1.5049731
发表时间:2018-10-01
期刊:PHYSICS OF FLUIDS
影响因子:4.6
作者:Zhou, Zhideng;Wang, Shizhao;Jin, Guodong
通讯作者:Jin, Guodong
Effects of the Reynolds number on a scale-similarity model of Lagrangian velocity correlations in isotropic turbulent flows
雷诺数对各向同性湍流中拉格朗日速度相关性尺度相似模型的影响
DOI:10.1007/s10483-018-2387-6
发表时间:2018-10
期刊:Applied Mathematics and Mechanics (English Edition)
影响因子:--
作者:Shi Zhaoyu;Chen jincai;Jin Guodong
通讯作者:Jin Guodong
Lagrangian statistics in isotropic turbulent flows with deterministic and stochastic forcing schemes
具有确定性和随机强迫方案的各向同性湍流的拉格朗日统计
DOI:10.1007/s10409-015-0012-x
发表时间:2015-02-01
期刊:ACTA MECHANICA SINICA
影响因子:3.5
作者:Chen, Jin-Cai;Jin, Guo-Dong;Zhang, Jian
通讯作者:Zhang, Jian
DOI:10.1080/14685248.2015.1093638
发表时间:2016-03
期刊:Journal of Turbulence
影响因子:1.9
作者:Chen Jincai;Jin Guodong;Zhang Jian
通讯作者:Zhang Jian
两相湍流中离散相小尺度过程大涡模拟的亚格子模型构建
携带颗粒的湍流场中双颗粒统计量大涡模拟的亚格子模型研究
  • 批准号:
    11772337
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    72.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    晋国栋
  • 依托单位:
大尺寸颗粒与各向同性湍流双向耦合的直接数值模拟
  • 批准号:
    U1230126
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    50.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    晋国栋
  • 依托单位:
粗糙壁面竖直槽道中颗粒-湍流相互作用机理研究
  • 批准号:
    11072247
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    38.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    晋国栋
  • 依托单位:
颗粒-流体二相湍流大涡模拟的颗粒亚格子模型
  • 批准号:
    10702074
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    22.0万元
  • 批准年份:
    2007
  • 负责人:
    晋国栋
  • 依托单位:
国内基金
海外基金