上海大学力学与工程科学学院流体力学博士研究生杨文武，在导师董宇红教授的指导下，在浮力驱动的颗粒两相流相间作用及输运特性的系列研究上取得重要进展，在流体力学顶级学术期刊《Journal of Fluid Mechanics》和《Physics of Fluids》上相继发表三篇相关研究论文。
湍流-颗粒两相流问题广泛存在于自然现象和工程应用中，如在天文和地球物理、环境科学、太阳能利用、核工业和化学工业等，具有重要的科学意义和应用价值。董宇红老师课题组长期开展两相湍流领域的研究，课题组成员杨文武采用理论分析及直接数值模拟结合Lagrange粒子追踪法研究了热浮力湍流-颗粒两相流的颗粒运动行为、相间耦合作用和能量输运机制。研究亮点和创新性成果如下：
首先研究了带有惯性颗粒的湍流Rayleigh-Bénard(RB)热对流中两相之间的动力学耦合。研究发现，颗粒分布与流体涡结构有很强的相关性，在下扫事件和惯性偏差的影响下，中等Stokes数下两相之间产生强耦合，显著增强湍流动量输运和全局Nussult数（图1）。作者首次提出用颗粒引入动能占总动能的比例来量化动量耦合强弱，从能量角度出发推导出两相流系统的动能耗散精确表达式。另外，还研究了颗粒的沉降和局部聚集特性，理论解析得到了颗粒平均沉降率与Rayleigh数的标度律，数值预测结果与此理论标度关系高度吻合。这项研究成果以题为“Dynamic coupling between carrier and dispersed phases in Rayleigh-Bénard convection laden with inertial isothermal particles“发表在2022年流体力学顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》第930卷上。
进一步研究了惯性粒子在RB对流系统中的输运模式，及其对流动结构和传热的影响。研究发现颗粒在RB系统中随Stokes数和Rayleigh数的变化至少存在三类输运模式，即盘旋输运 (CCT)、通道输运 (CNT)和直降输运 (DPT)。不同模式下颗粒的运动行为迥异，对流动结构和传热产生不同程度的影响（图2）。较之单相RB对流，CCT和DPT模式对流动结构和热羽流改变比较微弱，相应地，颗粒对流体的动量和热量输运无明显影响。然而，CNT模式下，颗粒富集低速条带区并与涡结构之间的强耦合作用可显著增强流体动量和热输运（图3）。进一步分析了颗粒输运模式改变相间动量耦合方式，并分别得到Nu(Ra)和Re(Ra)之间重要的标度关系。研究成果以题为“Transport modes of inertial particles and their effects on flow structures and heat transfer in Rayleigh-Bénard convection“发表在流体力学权威学术期刊《Physics of Fluids》2022年第34期上。
在上述研究基础上，聚焦于辐射加热颗粒RB对流系统的能量输运特性和传热效率的研究。推导了相间传热Nusselt数的理论表达式，得到了相间传热效率和相间热能传输与密度比的标度关系、颗粒放热与吸热的临界密度比与辐射强度和Rayleigh数的标度关系。研究发现相间传热效率和相间热能传输均随着辐射强度的增加而线性增强，且线性增长率与Rayleigh数和密度比分别呈现了特定的标度行为。同时观察到流场中存在颗粒放热和颗粒吸热两种不同状态，理论分析得到了区分吸/放热两种状态的临界密度比与辐射强度和Rayleigh数的标度关系（图4）。这部分研究成果以题为“On the energy transport and heat transfer efficiency in radiatively heated particle-laden Rayleigh-Bénard convection”发表在2022年流体力学顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》第953卷上。
在加快清洁能源开发利用和碳中和的时代背景下，上述方向的多相流研究对于环境流动、能源动力工程如可再生能源的光热转换、储能和热输运等应用问题,具有重要理论参考意义。以上工作杨文武是第一作者，通讯作者为董宇红教授，合作作者分别为力工学院周全教授、王伯福副教授以及中科大万振华副教授等。本研究得到了国家科学基金委重大研究计划“湍流结构的生成演化与作用机理”重点项目和培育项目（91852111,12172207）的支持。
论文信息和链接：
(1) Wen-wu Yang; Yi-Zhao Zhang; Bo-Fu Wang; Yuhong Dong; Quan Zhou; Dynamic coupling between carrier and dispersed phases in Rayleigh–Bénard convection laden with inertial isothermal particles, Journal Fluid Mechanics, 2022, 930：A24. DOI:
(2) Wenwu Yang; Bo-Fu Wang; Shuai Tang; Quan Zhou; Yuhong Dong; Transport modes of inertial particles and their effects on flow structures and heat transfer in Rayleigh–Bénard convection, Physics of Fluids, 2022, 34(4)：43309. DOI:
(3) Wen-wu Yang; Zhen-Hua Wan; Quan Zhou; Yuhong Dong, Dynamic coupling between carrier and dispersed phases in Rayleigh–Bénard convection laden with inertial isothermal particles, Journal Fluid Mechanics, 2022, 930：A24. DOI:
