含颗粒湍流两相流的常见于自然环境和工业生产中，这类两相流动与化工过程、材料生产、大气或海洋中污染物输运、生物碳循环、降雨降雪等过程密切相关。由于湍流流动的非线性和多尺度性，以及颗粒相的多参数性，对湍流颗粒两相流的研究具有较大挑战性，湍流颗粒两相流问题也被选入了Science杂志的125个前沿科学问题。对湍流颗粒两相流动问题的研究除了填补两相流领域的理论空白，还将促进工业技术的发展以及对自然环境的保护，具有显著地科学意义和应用价值。

1.壁湍流颗粒两相流

粗糙壁湍流统计特性受粗糙参数和雷诺数的影响，其标度律对认识流动本质和阻力快速预测有重要意义。

通过中高雷诺数颗粒槽道湍流直接数值模拟，发现了近壁处多尺度颗粒条带，揭示了不同尺度湍流结构对颗粒聚集的作用机制，提出了基于湍流结构时间尺度定义的颗粒斯托克斯数。实际流动中，颗粒往往具有不规则形状。非球形颗粒在壁湍流中的倾向性取向和转动行为随壁面距离、湍流结构、颗粒形状、惯性等因素密切相关。

非球形颗粒在壁湍流中的取向行为及统计模型

不同体积分数条件下有限尺寸颗粒群沉降

    通过直接数值模拟研究了非球形颗粒在近壁湍流的取向行为，并基于随机过程建立了近壁颗粒转动统计模型。此外，基于完全分辨直接数值模拟研究不同体积分数条件下有限尺寸颗粒沉降过程。J. Fluid Mech. (2020), vol. 901, A16; J. Fluid Mech. (2022), vol. 935, A18;J. Fluid Mech. (2023), vol. 977, A20.

 

2. 复杂流场中的智能颗粒

流场中的许多颗粒物具有自推进能力，被称为主动颗粒，很多情况下粒子的主动运动按照一定的策略进行，例如浮游生物或鸟类。

智能颗粒在不同流场中的运动

受自然界中生物游动启发，该研究在复杂流场中,将主动颗粒模型与强化学习算法结合,获得利用局部流动信号进行高效智能运动的策略，并揭示了其物理机制。该研究成果已应用实际复杂大气流场环境中飞行平台导航问题研究。J. Fluid Mech. (2022), 932, A10; Phys. Fluids (2023), 35, 123315.

3. 湍流纤维两相流

    传统纺丝工艺在制备微纳纤维时，效率低、易堵针。本研究将湍射流与纤维纺丝结合，极大地提高了纺丝效率与纤维性能，其具有更强卷曲特征，更细的纤维直径。

纤维与湍流相互作用

针对这一新型的纺丝工艺开展了数值模拟研究，揭示了湍流对柔性纤维牵伸和摆动的影响规律与机理，指导湍流纺丝过程的设计与优化，为气流辅助微纳纤维制备提供了新思路。Science Advances (2022), vol. 8, eabn3690; Nano Letters (2022), vol. 22, 7212-7219.