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Editor\'s Pick | 奥地利林茨大学Schneiderbauer教授团队研究成果：多相流中界面力对湍流
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编辑寄语：
湍流多相流常见于自然和工业流动问题中，是多相流领域里人们关注的重要方向之一。来自奥地利林茨大学的Simon Schneiderbauer教授团队对多相流中的界面力如何调制不同尺度的湍流开展了系统研究。他们在AMS发表的最新工作里，研究了不混溶湍流两相流和颗粒湍流两相流，分析了相间作用力对湍流产生的不同调制作用，发现由于相间力的影响在大尺度上会引起湍流能量耗散，而在小尺度上会增强了湍流，此外还基于相间力做功分析揭示了湍流调制的机理。他们的研究发现有助于改进现有的多相流大涡模拟模型，更准确的描述两相间的相互作用。
——赵立豪 清华大学
Citation
Schneiderbauer, S., Saeedipour, M. The impact of interphase forces on the modulation of turbulence in multiphase flows. Acta Mech. Sin. 38, 721446 (2022). https://doi.org/10.1007/s10409-022-09035-z
研究背景
湍流多相流常见于环境和工业流动中，其中尤其值得关注的是不混溶两相流和液固两相流。在这两种多相流中，由于相间力的贡献，引起了湍流调制。与单相流相比，两种不混溶流体之间的表面张力、以及颗粒与周围流体之间的阻力会显著影响湍流。通常情况下，这些相间力在大尺度上耗散湍流能量，而在小尺度上增强湍流，如图1所示。
对不同种类多相流中出现的这一现象的深入理解，有望为工业尺度多相流的数值模拟提供更好的、研究人员和工程师迫切需要的大涡模拟模型。本文工作的结果将有助于推广湍流多相流的理论框架。
研究进展
在本文中，我们分析了多相流中由于界面力的存在而导致的湍流的产生和耗散。一方面，分析和数值结果表明，与单相流相比，界面力（如表面张力和阻力）会增强小尺度湍流的能量。而大尺度湍流的能量耗散会增加。对于由表面张力决定的不混溶两相流界面，以及通过阻力相互作用的流体-颗粒流，可以用流体-流体和流体-颗粒能量相互作用项来进行解释。
在小尺度下。
–表面张力和速度脉动一致，进而增强了流体-流体能量作用。
–颗粒因其较高的惯性而比周围流体保持其动能的时间更长，因此由于对界面处流体做功而增加了周围流体的能量。
在大尺度下。
–表面张力做功抑制了受湍流涡旋作用形成较小液滴的趋势。
–粒子并不完全跟随周围流体的流线，粒子轨迹会发生偏转。这种影响会随着粒子斯托克斯数的增加而增加。
两种不混溶流体的能谱 (蓝色). 红线表示消失表面张力的相应能谱;
含颗粒情况下流体能谱，其中蓝线表示单相系统（不含颗粒）。
未来展望
本文的主要目的是找到湍流多相流广义理论的描述。从长远来看，这项研究将为湍流多相流的大规模模拟带来改进的大涡模拟模型，例如流化床反应器或钢渣流动问题。
作者简介
Simon Schneiderbauer
Mahdi Saeedipour
Simon Schneiderbauer是多相过程多尺度建模的Christian Doppler实验室负责人。该实验室与钢铁、化学工业的工业公司密切合作，其研究兴趣是湍流多相流的数值和数学建模，包括工业和环境问题，将基础研究与工业需求相结合。尤其是新模型的开发、基础研究、实验验证以及详细的理论和数值研究。
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