高聚物弹性效应驱动的弹性湍流的直接数值模拟研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11272306
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    90.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0901.湍流与流动稳定性
  • 结题年份:
    2016
  • 批准年份:
    2012
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2013-01-01 至2016-12-31

项目摘要

In this project, numerical study of Elastic Turbulence (ET) driven by polymer elasticity is proposed by using of Direct Numerical Simulation (DNS), aimed to reveal the basic physics of complicated fluid motion and turbulent mixing in elastic turbulence. This study is mainly focused on the following research topics: development of a high-efficiency parallelized algorithm for high-order accurate, stable and reliable calculation of elastic turbulence, which guarantees the mathematic properties of ET governing equations and conformation tensor; study of turbulence features subjected to the variation of flow parameter, external forcing and boundary conditions, based on the DNS of typical ET problems; study of passive scalar transport dynamics in ET based on the DNS of scalar transport equation, and study of the effect of turbulent fluid motion on scalar fluctuation and turbulent mixing as well; extensive study of the ET dynamics and physics based on the post-processing of massive DNS calculations, such as the dynamic processes of generation of fluid turbulent kinetic energy, energy exchange between fluid motion and polymer extension, energy transfer between large- and small-scale motions, energy dissipation of small-scale motion, dynamic feature of elastic stress boundary layer and its relevance to drag increase, transport processes of elastic stress and passive scalar, generation and evolution processes of coherent vortices and their influence on elastic stress distribution, temporal and space correlation functions of turbulence fluctuations, effects of coherent vortices on turbulent mixing efficiency, and so on.
本项目着重开展高聚物弹性效应驱动的弹性湍流的直接数值模拟(DNS)研究,探讨这类湍流的复杂流动机理和湍流掺混传热机制。研究内容主要包括:综合考虑弹性湍流控制方程和构型张量的数学性质,发展适用于弹性湍流数值模拟的高精度、稳定可靠的高效并行算法;通过弹性湍流典型问题的DNS计算,研究流动控制参数、外加激励力和边界条件对湍流特性的影响;引入标量输运方程,DNS计算研究弹性湍流中标量输运的动力学过程、湍流特性对标量分布规律和脉动特性的影响,探讨其中的湍流掺混脉动传热机制;开展大规模的DNS计算,进行弹性湍流的机理性研究,如脉动能量的生成、流体和高聚物之间的能量交换、不同尺度运动之间的能量传递、能量的小尺度耗散作用、弹性应力边界层与增阻现象、弹性应力及被动标量的输运过程、拟序涡的生成及演化对弹性应力分布的影响、脉动量的时空相关特性、拟序涡的湍流掺混传热作用;等等。

结项摘要

在本项目资助下重点开展了高聚物弹性效应驱动的弹性湍流的直接数值模拟(DNS)研究,以及相关复杂湍流机理和湍流掺混传热的数值模拟研究,主要进行了如下几个方面的研究:弹性效应作用下的复杂湍流的数值模拟方法研究;Taylor-Couette (TC) 流动中高聚物弹性驱动的弹性湍流特性和非线性流态转换(低Re数)研究;高聚物弹性诱导的TC湍流特性和流动机理(高Re数)研究;径向加热TC流动的高阶非线性湍流转捩和湍流传热机制研究;拓展研究了附着于行波摆动翼型尾端的平板长度对推进性能的影响。本项研究取得了以下研究成果:发展了求解高聚物弹性效应作用下的复杂湍流的高精度三维全隐谱方法、以及相关的高效可靠并行算法;首次通过直接数值模拟TC流动再现了弹性效应驱动的弹性湍流基本特征,尤其是在中心区域精确计算预测了实验观测到的径向速度脉动的频谱特性;首次通过直接数值模TC湍流发现了弹性效应诱导的大尺度Taylor涡破碎和阻力剧增现象,并提出了合理的物理解释:惯性-弹性Görtler失稳机制;在径向加热TC流动中发现了浮力驱动的高阶非线性湍流转捩过程,揭示浮力效应和外柱旋转均导致的湍流传热主导机制由大尺度环流传热转变为小尺度湍流脉动传热;通过流固耦合数值模拟揭示了平板长度对推进性能(包括推力、能耗和推进效率)的影响规律,发现了对应于不同平板长度的三种典型鱼游推进模态:体力占优模态、体力和尾鳍力竞争模态和尾鳍力占优模态,以及不同模态下的动力学特性和流动结构。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(5)
专利数量(0)
不同半径比Taylor-Couette湍流的直接数值模拟研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    中国科学技术大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杜珩;阙夏;刘难生
  • 通讯作者:
    刘难生
Polymer-induced drag enhancement in turbulent Taylor-Couette flows: direct numerical simulation and mechanistic insight
泰勒-库埃特湍流中聚合物诱导的阻力增强:直接数值模拟和机理洞察
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    Physcial Review Letters
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Nansheng Liu;Bamin Khomami
  • 通讯作者:
    Bamin Khomami

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其他文献

黏弹性流体中柔性丝线拍动的数值模拟研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    中国科学技术大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    卢杨;阙夏;刘难生
  • 通讯作者:
    刘难生
黏弹性效应作用下Taylor-Couette流动转捩的直接模拟研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    中国科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王敏妙;刘难生;陆夕云;丁航
  • 通讯作者:
    丁航
高背压进气道中内外流耦合作用的大涡模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    航空学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王德鑫;褚佑彪;刘难生;李祝飞;杨基明
  • 通讯作者:
    杨基明
旋转圆柱尾流中柔性丝线的拍动模态研究
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    中国科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    胡浪超;刘难生;丁航;陆夕云
  • 通讯作者:
    陆夕云
一种改进的旋转湍流亚格子尺度模
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    中国科学(G辑),34卷第2期,213-226,2004。
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘难生;陆夕云;庄礼贤。
  • 通讯作者:
    庄礼贤。

其他文献

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刘难生的其他基金

粘弹性旋转壁湍流的转捩过程和流动机理研究
  • 批准号:
    12172353
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    62 万元
  • 项目类别:
    面上项目
粘弹性流体壁湍流结构—直接模拟和机理研究
  • 批准号:
    91752110
  • 批准年份:
    2017
  • 资助金额:
    96.0 万元
  • 项目类别:
    重大研究计划
粘弹性流体Taylor-Couette湍流的直接数值模拟及机理研究
  • 批准号:
    11472268
  • 批准年份:
    2014
  • 资助金额:
    100.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
旋转和热分层耦合效应作用下壁面剪切湍流的大涡模拟和直接数值模拟研究
  • 批准号:
    10972211
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    38.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
带气泡的复杂湍流的直接数值模拟和大涡模拟研究
  • 批准号:
    10772173
  • 批准年份:
    2007
  • 资助金额:
    35.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
旋转剪切湍流的大涡模拟和直接模拟及其并行计算研究
  • 批准号:
    10302028
  • 批准年份:
    2003
  • 资助金额:
    22.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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