基于光滑粒子流体动力学的鼓泡流与破碎波大涡模拟

对于湍流鼓泡流，在多相模拟中同时解析液相与气泡在不同自然现象背景下成本高得令人望而却步。一个例子是破碎波，其中气泡强烈影响波浪冲击载荷、声发射以及大气-海洋交换，但除最简设置外，详细模拟均不可行。一种替代方法是仅解析大尺度，并采用亚分辨闭合模型对小尺度气泡建模。本文提出一种用于鼓泡流模拟的大涡模拟（LES）光滑粒子流体动力学（SPH）格式。连续液相采用半隐式等温可压缩 SPH 框架解析，并与离散拉格朗日气泡模型耦合。气泡与液体通过体积和动量交换、湍流闭合、气泡破碎与夹带以及自由面相互作用模型进行交互。通过将气泡表示为单个粒子，可在其生命周期内追踪，从而以积分形式给出亚分辨涨落、气泡变形、破碎及自由面相互作用的闭合模型，并考虑这些事件发生的有限时间尺度。我们研究了两种流动：气泡羽流与破碎波，发现与已发表的实验和数值数据在定量上高度吻合。特别是，对于卷跃破碎波，我们的框架准确预测了 Hinze 尺度、气泡尺寸分布以及夹带气泡群的增长率。这是首次将 SPH 框架与离散气泡模型耦合，有望实现经济高效的波-结构相互作用模拟及更精确的波浪冲击载荷预测。