王贵全

(荷兰特文特大学 流体物理课题组，恩斯赫德 7500AE，荷兰)

0 引 言

惯性粒子在壁面湍流中的流动可用于研究沙粒在河流中的沉积、雨雪的沉积速度与分布、沙尘在地球以及火星近地面层中的传输以及空气污染物在城市上空的分布等很多与地球物理、工程领域以及环境科学相关的重要问题[1-4]。实验研究主要侧重于流体/粒子的平均速度和雷诺应力，以及粒子的分布，然而由于颗粒聚集与群聚效应以及壁面的影响，导致实验研究的难度增加，限制了实验研究的发展[5]。随着计算能力的不断提高，直接数值模拟壁面湍流耦合惯性点粒子可以达到中等湍流雷诺数Reτ～O(103)（根据壁面黏性尺度），耦合颗粒数目可以达到O(108)以上，可以看到直接数值模拟已经成为一个有效的技术手段被应用于探究湍流粒子两相流动这个非常复杂的物理问题，其不仅可以捕捉到最小的流动尺度，分析颗粒在湍流中的分布状态，也可以用于研究粒子对湍流的调制。

对于惯性粒子，本文假设颗粒密度远大于流体相密度，颗粒尺度远小于湍流最小耗散尺度，在上述假设条件下，惯性粒子可被近似为点粒子，这样可以极大地简化颗粒相的数值模型。而随着颗粒相浓度的下降，粒子与粒子间的相互作用力以及粒子对流体间的反作用力也可以逐渐的被忽略，这样同样也会提高计算效率。Elghobashi[6]根据颗粒相浓度的不同，将粒子与流动的耦合分为：四向耦合（同时考虑粒子对流体的反馈力以及粒子之间的相互作用力）、双向耦合（不考虑粒子之间的相互作用力）以及单向耦合（不考虑粒子对流体的反馈力以及粒子之间的相互作用力）。……