湍流-泥沙颗粒微观耦合动力机制研究

泥沙输运研究对于准确预估人类活动对河流和海岸的影响具有十分重要的指导作用。课题从微观角度出发，应用浸入边界法、直接数值模拟和离散元方法，研究了离散泥沙颗粒与湍流拟序结构之间的相互作用，对湍流拟序结构的扫掠和喷发过程对泥沙颗粒起动的影响进行了数值模拟，再现了泥沙颗粒起动—悬浮—沉积的全过程。

研究成果完善了离散泥沙颗粒起动的微观机理解释。传统观点认为泥沙颗粒跟随流体质点一起运动，泥沙颗粒对流动的影响可忽略，泥沙颗粒的起动由湍流的“喷发”过程引起。对于细颗粒的泥沙，这样的起动机理是合理的。但是对于较大颗粒的泥沙，泥沙颗粒运动对流动的影响不可忽略，两者之间存在复杂的相互作用。本研究发现：泥沙颗粒的起动与湍流的“扫掠”过程有非常高的相关性，向下俯冲的高速流体遇到孔隙沙床的阻碍，在泥沙颗粒之间的孔隙中产生较大的孔隙水压；同时由于泥沙背流侧的流动分离，造成泥沙颗粒顶部存在负压；在底部孔隙水压力和顶部负压的共同作用下，泥沙颗粒被推离床面，泥沙颗粒起动。此外，研究还对离散泥沙颗粒的跳跃高度、长度、平均速度、起跳角度、触地角度、起动间歇时间等参数进行了统计分析；对泥沙颗粒的受力进行了统计，提出“湍流拟序结构所引发的脉动升力是泥沙颗粒起动的重要原因”。

此研究是在欧盟第七框架计划的资助和英国湍流学会的支持下开展，在英国国家超算中心（HECToR）上耗时6个月完成。研究成果在2014英国湍流学会年会上（帝国理工大学，伦敦）被评为“推动了科学的疆界（pushing the boundary of science）”，在第35届国际水利学大会上获评优秀论文。

参考文献：

[1] C. Ji, A. Munjiza, E. Avital, J. Ma & J.J.R. Williams (2013). Direct numerical simulation of sediment entrainment in turbulent channel flow. Physics of Fluids, 25, 056601.

[2] C. Ji, A. Munjiza, E. Avital, D. Xu & J.J.R. Williams (2014). Saltation of particles in turbulent channel flow. Physical Review E, 89(5), 052202.

[3] C. Ji, A. Munjiza, E. Avital, D. Xu & J.J.R. Williams (2014). Numerical investigation of particle saltation in the bed-load regime. Science China Technological Sciences, 57(8), 1500-1511.

[4] 及春宁, 陈威霖, 宋晓阳, 许栋 (2014). 明渠紊流中泥沙颗粒输移的大涡模拟研究, 泥沙研究, 8, 1-9.

[5] 宋晓阳, 及春宁, 许栋 (2015). 明渠湍流边界层中颗粒的运动与分布, 力学学报, 47(2), 231-241.

[6] 及春宁, 刘丹青, 许栋 (2015). 基于颗粒离散元的沙纹演变大涡模拟研究. 力学学报, 47(4), 613-623.

[7] X. Liu, C. Ji, X. Xu, D. Xu & J.J.R. Williams (2017). Distribution characteristics of inertial sediment particles in the turbulent boundary layer of an open channel flow determined using Voronoï analysis, International Journal of Sediment Research, 32, 401-409.

       [8] Zhang, B., Xu, D., Zhang, B., Ji, C., Munjiza, A., & Williams, J. (2020). Numerical investigation on the incipient motion of non-spherical sediment particles in bedload regime of open channel flows. Computational Particle Mechanics, 7(5), 987-1003.

图1. 泥沙颗粒所受时均升力（散点）和脉动升力（误差线）与泥沙颗粒浮容重的关系。在床面层范围内（y/d = 0.27～0.31），时均升力和脉动升力之和大于浮容重，泥沙颗粒发生起动；而在床面层上部（y/d > 0.4）, 时均升力和脉动升力之和小于浮容重，泥沙颗粒发生落淤。

图2. 湍流“扫掠”过程导致泥沙颗粒起动

复杂条件下海洋管道流致振动机理研究

海洋管道（管束）是海洋油气和海底矿产开采的关键部分，成本约占总项目投资的30%。对其优化设计需要准确预测其所受环境载荷及动力响应。然而，海洋管道（管束）受到外部极端波流、段塞脉动内流、海床近壁效应、多体尾流干涉等多方面因素影响，其流致振动响应和机理极为复杂。为此，课题针对复杂条件下海洋管道（管束）流致振动响应和机理问题开展了一系列的大规模数值模拟和模型实验研究。

所取得的研究成果包括：1）系统地研究了并列双管涡激振动现象。通过小参数间隔、多算例模拟给出了雷诺数-间距比和折合流速-间距比参数空间下的尾流和振动分区图，解释了并列双管的不对称振动现象，以及随质量比增加出现的单边和双边迟滞现象，从旋涡动力学、尾流三维性以及Kelvin-Helmholtz不稳定性等方面解释了间隙流间歇反转（flip-flopping）时间间隔随雷诺数变化的机理。2）研究了不同参数条件下等边三角形排列管束的流致振动响应和尾流干涉机制，随雷诺数和间距比的变化发现了九种不同的振动模式，并给出了在U_r-L/D参数空间内的尾流分区图。3）研究了串列三管的尾流干涉和振动响应，解释了小间距比条件下下游管道尾流驰振的激发机制。4）研究了近壁面工况下的管道的涡激振动响应，提出了壁面边界层作用下管道流向振幅放大机制和壁面边界层与振动管道之间的双稳态诱发迟滞机制。5）研究了大长细比海洋管道在复杂外流和振荡内流作用下的振动响应，提出了振荡内流与涡激振动之间的双频锁定机制，以及复杂外流引起的旋涡错位诱发机制和振动能量传递机制。

此方面的研究得到了3项国家自然科学基金的支持，计算工作在国家超算天津分中心天河三号上完成。成果发表在JFM、JFS、PoF、OE、力学学报、振动与冲击和工程力学等刊物上。

参考文献：

[1] Chen, W., Ji, C., Alam, M. M., Williams, J., & Xu, D. (2020). Numerical simulations of flow past three circular cylinders in equilateral-triangular arrangements. Journal of Fluid Mechanics, 891.

[2] Chen, W., Ji, C., Alam, M., Xu, D., An, H., Tong, F., & Zhao, Y. (2022). Flow-induced vibrations of a D-section prism at a low Reynolds number. Journal of Fluid Mechanics, 941, A52.

       [3] Chen, W., Alam, M., Li, Y., & Ji, C. (2023). Two-degree-of-freedom flow-induced vibrations of a D-section prism. Journal of Fluid Mechanics, 971, A5. doi:10.1017/jfm.2023.634 

[4] Chen WL, Ji CN, Williams JJR, Xu D, Yang LH & Cui YT (2018). Vortex-induced vibration of three tandem cylinders in laminar cross-flow: Vibration response and galloping mechanism, Journal of Fluids and Structures, 78: 215~238.

[5] 及春宁, 花阳, 许栋, 邢国源, 陈威霖 (2018). 不同剪切率来流作用下柔性圆柱涡激振动数值模拟. 力学学报, 50(1): 21-31.

[6] W .Chen, C. Ji, D. Xu & N. Srinil (2019). Wake patterns of freely vibrating side-by-side circular cylinders in laminar flows. Journal of Fluids and Structures, 89, 82-95.

[7] Chunning Ji, Yuting Cui, Dong Xu, Xiaoxiao Yang & Narakorn Srinil (2019). Vortex-induced vibrations of dual-step cylinders with different diameter ratios in laminar flows. Physics of Fluids, 31, 073602.

[8]  Chen,W., Zhao, Y., Ji, C., Srinil, N. & Song, L. (2021). Experimental observation of flow-induced vibrations of a transversely oscillating D-section prism. Physics of Fluids, 33, 091701.

图3 三角形排列管束流致振动在U_r-L/D参数空间内的尾流分区图

图4 大长细比海洋管道的尾涡模式、振动响应时空分布和振动能量传递机制

斑海豹胡须模型振动特性和尾迹信号识别能力研究 

斑海豹依靠其具有波状外形的胡须，可感知猎物尾迹流场中的涡流，进而循迹追踪。对斑海豹胡须感知涡流特征的机制进行研究具有重要的科学意义和应用价值。

本研究开展了斑海豹胡须在均匀流场和尾迹流场中流致振动数值模拟和模型实验, 分析了振动响应与涡流特征的关联。结果表明, 在均匀来流中，斑海豹胡须做微幅混沌振动, 为感知外界扰动提供了纯净的信号背景。而在尾迹来流中, 斑海豹胡须做大幅稳定振动，与圆柱和椭圆柱相比, 具有更高的信噪比和敏感度。这揭示了斑海豹利用胡须振动识别和追踪水中游鱼尾迹的机理。在均匀流场中, 零攻角条件下，胡须模型在一定的折合流速范围内具有较低的振动幅值，而当来流攻角较大时 (α⩾30◦)，振幅显著提高。在固定圆柱形成的尾迹流场中, 胡须模型在一定的圆柱间距范围内发生大幅振动，振动频率与尾流的泄涡频率锁定，表现为明显的双峰模式，这与均匀流场中胡须模型的单频振动模式明显不同。尾迹流场中，胡须模型的振动幅值受来流条件影响大，但振动频率较为稳定。在均匀流场和尾迹流场中，除个别折合流速外，阵列布置胡须模型的振动幅值和频率与单个胡须模型相近，相邻胡须模型之间相互干扰不显著。

参考文献：

[1] 宋立群, 及春宁, 张晓娜 (2021). 斑海豹胡须涡激振动及其尾流循迹机理直接数值模拟. 力学学报, 53(2): 395-412.

[2] 宋立群, 及春宁, 袁德奎, 许栋, 张晓娜, 卫昱含, 殷彤 (2022). 弹性支撑斑海豹胡须模型单自由度流致振动实验研究. 力学学报, 54(3): 653-668.

       [3] Shi. X., Bai, H., Alam, M., Ji, C., & Zhu, H. (2023). Wake of wavy elliptic cylinder at a low Reynolds number: wavelength effect. Journal of Fluid Mechanics. 969, A22.

       [4] Wei, Y.; Ji, C.; Yuan, D.; Song, L.; Xu, D. (2023). Experimental Study on the Effect of the Angle of Attack on the Flow-Induced Vibration of a Harbor Seal’s Whisker. Fluids, 8, 206. 

图5. 斑海豹胡须所具有的特殊外形导致了其尾流中存在复杂的三维旋涡结构