2022年12月中旬，2022-2023年度秋季学期的“流体力学研究生学术报告会”圆满结束。共2名特任副研究员和16名优秀研究生带来了18场精彩的学术报告，内容涵盖了学术进展报告、文献综述和经验分享等。因疫情防控要求，该学术报告会采用了线下线上相结合的方式开展，吸引了来自工程科学学院、核科学技术学院、国家同步辐射实验室、合肥物质科学研究院等单位的老师和同学参加。报告会由司廷教授主持。
在科学研究过程中，阅读、写作和演讲是提高学术水平和科研素养的重要方法。培根说过：“阅读使人充实；会谈使人敏捷；写作与笔记使人精确”、“逻辑与修辞使人善辩”。本报告会旨在促进各实验室之间的沟通、活跃同学们的学术氛围、提高研究生的培养水平，同时建立各实验室相互认识、相互了解、相互学习的学术交流平台。通过本报告会的互动交流，同学们掌握了学科领域基础知识，了解了学科研究方向前沿动态，不仅能够帮助个人凝炼研究方向，培养科研兴趣，思考所研究课题的重要科学意义和应用价值，还能够锻炼个人提出问题、分析问题和解决问题的综合能力，增强总结、学习和交流的科研能力，为开展科学研究提供创新思路和有效帮助。
本报告会受到我校研究生创新计划资助。
附本学期研究生学术报告会学术总结：
张春雨，报告题目《多相界面流动中的接触线模型和液滴、颗粒动力学研究》：复杂壁面上移动接触线建模和相关的液滴与颗粒动力学是多相界面流动中的关键科学问题。数值模型方面，发展了弯曲壁面上带移动接触线的三相流动数值模拟模型，通过对复合液滴构型研究验证了模型的准确性，并结合理论分析方法研究了复合液滴参数相图和构型之间的转化关系；流动分析方面，探究了球形颗粒出水与入水过程中颗粒与流体界面耦合动力学，揭示了颗粒出水过程中惯性、重力和界面张力的竞争机制，预测了颗粒穿透液面和被液面捕获的临界条件。实验方面，针对颗粒入水问题，发现在水面铺上一层很薄的油膜能够显著提高界面对颗粒的捕获能力，通过对颗粒竖直方向的运动分析，揭示了油层粘性对颗粒减速的主导机制，获得了颗粒沉浮模态转变的判别条件。以上研究揭示了在毛细尺度下流体界面对液滴和颗粒的运动具有决定性作用，对喷墨打印技术，海上石油回收，水面微型机器人设计等方面提供了理论支持。
张德华，报告题目《烧蚀瑞利•泰勒不稳定性中的自生磁场》：惯性约束聚变（ICF）是我国的重大战略工程之一。具有烧蚀效应的瑞利•泰勒不稳定性（ARTI）是阻碍ICF点火的关键风险因素之一。加深对ARTI的认识从而寻求降低其危害的方法是目前ICF领域科研的热点和难点，具有重要的应用需求前景。ARTI演化过程中产生的自生磁场既可以帮助诊断ARTI的精细流场结构，又有可能对流体力学行为产生显著影响。因此研究认识ARTI自生磁场的产生和演化规律对于加深研究者对ARTI演化及其相关物理的认识具有重要的作用。我们通过理论分析与数值模拟，研究ARTI自生磁场的产生与演化规律，并着重研究Nernst效应对自生磁场的影响、自生磁场通过磁化热流对ARTI发展的反馈作用、空间维度效应等重要基础物理问题。
胡亚森，报告题目《曲边尾缘锯齿的降噪特性及机理研究》：受猫头鹰寂静飞行能力的启发，锯齿尾缘设计被认为是一种有效的控制湍流边界层-尾缘干涉噪声的方法。本研究采用隐式大涡模拟(LES)方法，详细研究了不同锯齿尾缘的NACA0012翼型近场湍流结构的生成和演化过程。雷诺数为96000，远场马赫数为0.1631，攻角为零度。设计的所有曲边锯齿在流向方向上具有相同的长度，在展向方向上具有相同的波长。计算采用的非结构化网格的自由度在7000万量级，并实现了在CPU/GPU异构并行平台上的大规模高效计算。在实际计算中，在翼型表面增加了一个小的锯齿形粗糙度带，以促进流动的快速转捩。近场动力学分析显示，锯齿主要改变后缘附近的流动，对上游流动影响不大。与其他形状的锯齿相比，羽状锯齿能达到更好的降噪效果。相关性分析的结果表明相消干涉是降噪的主要机制。此外，借助于近年来发展的多过程声学理论，我们发现羽状锯齿在加强相消干涉的同时，还可以抑制齿侧流动声源的强度，并最终表现出了优异的降噪性能。
高安康，报告题目《大攻角下升沉运动机翼的前缘涡三维性研究》：扑翼在昆虫飞行、微型飞行器、水下仿生航行器和海洋能量采集中有着广泛的应用。扑翼运动产生的前缘涡，也称动态失速涡，对机翼的升阻力有着较大的影响，研究前缘涡的演化特性对扑翼的控制和优化至关重要。对于大展弦比机翼，以往的数值研究大多采用二维流动模型，忽略了翼尖和流动失稳产生的三维性。然而最近的研究发现，即使对于无限大展长的机翼，流动也可能是三维的，并且三维流动会产生不同于二维流动的升阻力特性。本研究通过Floquet稳定性分析和直接数值模拟，研究了雷诺数400到10000、振动约化频率0到3范围内，大攻角机翼做升沉运动时产生的前缘涡的三维性。为定量分析前缘涡对升阻力的影响，本研究发展了基于速度梯度二阶不变量的加权积分的流场诊断方法，并通过该方法揭示了前缘涡及其三维性对机翼升阻力的影响。
廖紫默，报告题目《复杂流动模态分析的新方法》：自从1967年Lumley将本征正交分解（POD）引入湍流研究领域以来，流场模态分解已成为复杂流动分析研究的一种基本范式，广泛应用于流场中的拟序结构/动力学过程提取以及低阶模型构建中。基于传统模态分解中变量分离的思想，结合非平稳信号处理中变分模态分解的方法，我们提出了降阶变分模态分解（Reduced-order Variational Mode Decomposition，RVMD）。该方法可以低冗余、自适应地提取出非平稳流动中的特征动力学过程。我么采用瞬态圆柱绕流和矩形啸叫射流两个经典问题的数值模拟结果进行模态分析，充分验证了RVMD的能力与特点。较之于既有模态分解技术，提出的降阶变分模态分解在时-频分析上展现出显著优势，为我们考察复杂流动中的瞬态动力学行为、非平稳特性、跨尺度幅值调制等提供了一条新途径。
李超，报告题目《常规大气边界层下大型风电场的解析模型》：为应对气候变化和实现可持续发展，风能将成为未来世界能源的主要来源之一。风电场流动是典型的时空多尺度湍流问题。一方面，大气边界层风特性主导风电场的流动结构及其发展、演变过程；另一方面，大型风电场产生的巨大扰动会影响和改变大气层的整体结构和特性，甚至可对局地气象、环境产生影响。因此，风电场的解析模型不但对风能应用具有重要意义，而且对大气环流、天气预报、气候模拟等模式中大气边界层参数化方案的改进具有重要参考价值。在充分发展的风电场流动中，最常用的解析模型是等效粗糙度模型，包括双对数层模型、三对数层模型，以及考虑风机排布效应的模型等。但是，大部分等效粗糙度模型都是在中性大气边界层条件下得到的，难以用于包含热稳定度和地球自转等效应的风电场流动。为了理解热稳定度和地球自转对风电场流动影响的机理，继而实现真实大气条件下风电场功率输出的预测，本研究构造了地表热流为零且自由大气包含稳定大气稳定度的常规中性大气边界层中充分发展的风电场解析模型。
张钰萌，报告题目《反射激波诱导的Richtmyer–Meshkov不稳定性实验研究》：激波诱导流体界面产生的Richtmyer–Meshkov（RM）失稳问题广泛存在于惯性约束核聚变、超燃冲压发动机、武器内爆等工程应用中，相关研究具有重要意义。已有的理论、实验和数值研究多关注扰动界面在入射激波单次冲击下的不稳定性发展。实际工程应用往往涉及一个密闭系统，存在于密闭系统中的激波必然会和固壁作用生成反射激波，因此密闭系统中的物质界面除了受到入射激波的冲击外还会受到反射激波的二次甚至多次冲击，发生十分复杂的不稳定性演化。由于反射激波冲击前物质界面已经处于演化状态并发生严重扭曲，且界面附近的流场参数未知，因此相关流动机理分析非常困难。可见，开展反射激波诱导的界面不稳定性研究亦具有十分重要的科学意义。本研究开展了平面反射激波诱导重/轻单模界面的RM不稳定性实验，并用基于非结构自适应网格的VAS2D程序进行数值研究，获得了界面和波系演化的详细过程。重点研究了不同壁面相位下产生的扰动反射激波对界面演化的影响，发现可以通过改变壁面相位的方式来调控界面前期的扰动增长。同时修正了涡理论模型，该模型实现了对界面扰动增长的良好预测。
陈警伟，报告题目《两相不可压缩流动的守恒型界面追踪方法研究》：两相流广泛存在于自然和工业应用中，如雨的形成，波浪的破碎，喷雾的雾化和气泡的流动等。在数值模拟中，两种不相混流体之间的无限薄的界面被一个有限薄的过渡区域所取代，两种流体的物性参数在过渡区域内连续变化，称为扩散界面。Cahn-Hilliard方程作为扩散界面方法中的一种，处理界面速度梯度较强的流动问题时，会出现界面处于非平衡的情况，进而影响界面曲率和表面张力的计算，使得流动求解出现较大偏差。在本工作中，从流动推动界面的角度出发，通过在界面法线方向引入修正速度，提出了守恒型的界面追踪方法，保证界面在推进的过程中处于平衡状态。同时，提出了可变厚度的表面张力计算方式，以提高对表面张力的解析度和计算准确度。最后，结合气泡上升、考虑Marangoni效应的流动等经典验证算例进行了详细的数值验证。
贾晓天，报告题目《深部地层中岩石与压裂液的微观流固耦合机理研究》：由于能源短缺正成为一个重要的全球问题，页岩气因其储量丰富、清洁燃烧特性以及成功的商业开发而引起了广泛关注。页岩气储层中含有大量纳米孔隙，孔隙大小从几纳米到几百纳米不等。由孔隙分析法确定的各种页岩的孔隙大小分布来看，宽度小于10纳米的孔隙对孔隙表面积有主要贡献。粘土矿物是细粒的沉积硅酸盐，颗粒尺寸小，易于形成微观颗粒，在页岩地层中普遍存在，对孔隙比表面积贡献很大。在不同温度和压力下的实验测量中发现粘土矿物吸附了相当数量的甲烷。由于粘土的膨润特性，实验难以准确检测粘土矿物表面化学和表面非均质性，并且难以实现深部地层中真实压力相似的高温高压条件。分子动力学模拟作为一种在原子尺度上研究系统变化的方法，可以用来研究页岩微纳孔隙的性质。目前的研究多为对单一粘土矿物载荷下力学性质以及简单平板孔内流动吸附模拟。我们通过设计水分子冲击方式检验粘土在水力压裂下的力学性质。通过破坏后的边面结构和晶体生长理论，我们使用粘土纳米颗粒来构造平板孔隙粗糙度，模拟甲烷-水两相流在粗糙孔隙流动的新特性。为模拟更贴近实际的水力压裂和微纳孔隙流动提供新的途径。
王雪丽，报告题目《旋涂问题中液膜的轴对称演化》：旋涂是涂料液滴在旋转过程中因受到离心力作用而产生均匀涂覆薄膜的过程。本文基于轴对称润滑理论和Navier滑移模型，利用BVP5C方法和理论分析，研究旋涂过程中液膜的动态演化和接触线的运动规律。研究表明，根据转速的不同，液膜演化分为两种模态。当转速较低时，液膜最终会演化至平衡状态，我们通过摄动展开和渐近匹配方法给出了接触线速度的理论公式。当转速较高时，液膜会演化出三个不同的区域：内部是均匀厚度的液膜，边缘是与接触线相连的凸起结构，在这两个区域之间还存在一个前人没有发现的LLD型液膜区。需要指出的是只有当转速略大于临界速度时，才会出现LLD型液膜区。我们分别对三个区域进行了转速参数以及标度律的研究，此外，我们发现凸起结构的控制方程可以进行时间空间的解耦，并进一步给出了凸起结构的形态以及接触线随时间的运动规律。
董逸伦，报告题目《大数据与物理相结合的页岩气开采制度研究》：页岩气作为清洁能源，是国家能源安全与碳中和战略目标物资。页岩气开发普遍采用水平井多段压裂技术，水平井长度一般都超过1000米，有20个以上的压裂段，每段又有数簇，每口井压裂时需要数万方压裂液和数千吨支撑剂。在开始生产后，压裂时注入的液体与地层中原有的液体会随页岩气一同产出，该现象被称为返排，现场经验认为返排直接影响页岩气的生产，但是没有找到相关规律。因此，研究返排规律和建立合理的页岩气开发与开采制度是一项重要的研究目标。然而，大规模压裂后的页岩储层裂缝形态十分复杂，且其中存在气水两相流体，如果通过数值模拟手段研究其返排规律，一方面流动方程将会难以建立和求解，另一方面，求解过程需要大量物理量的值作为已知条件，而有些物理量的值是很难直接获得或通过实验测得的。为解决这一问题，我们以数据驱动方法为基础，结合物理规律对页岩气的流动方式进行了研究，重点考虑了开采制度对产气与返排的影响。本研究的成果对优化页岩气开发与生产过程、降低开采成本有重要指导作用，所运用的方法也可以推广到相关的科研领域。
张洲铭，报告题目《高焓脉冲风洞的真实气体流动》：高马赫数飞行是实现长距离高效运输、地外行星探索的有效途径，因此，高超声速飞行器成为当下的研究热点。脉冲式风洞设备作为开展此类研究的主力设备，往往采用加热轻质气体驱动等方法提高设备驱动能力，这也使得设备运行过程中面临高温高压的复杂环境，内部气流往往受到真实气体效应的影响。为研究高焓没冲风洞内的真实气体流动，我们首先在综合考虑了高温气体效应以及高压气体效应影响的基础上，对高焓脉冲风洞全时间、全尺度的运行过程进行准一维数值模拟研究，实现对脉冲风洞全局及局部关键参数流动的高效、准确的模拟；同时对高温高压效应耦合作用下的风洞全场流动过程进行分析，获得了风洞内部各个波系的具体运动情况及其对试验气流参数的影响；最后，通过与试验数据比对揭示高焓脉冲风洞真实气体流动的规律，并用于流场参数的验证和试验状态的设计。
袁韬飞，报告题目《超声速内流中激波-湍流相互作用的直接数值模拟》：在超然冲压发动机隔离段等超声速内流中内普遍存在激波串结构，这种发生在受限空间的包含多道激波并将上下游多处激波-边界层干扰耦合在一起的流动现象，其复杂程度远超单个激波-边界层干扰。本研究采用直接数值模拟研究了来流马赫数分别为1.61，2.0，2.45的等截面管道激波串问题。研究结果表明：随马赫数增长，激波串波系结构由对称λ型变为非对称X型，在上下壁面产生了非对称力热载荷，壁面压力脉动和热流脉动峰值由头激波移向后续激波；小尺度湍流结构的发展演化过程在不同Ma激波串中具备普遍特性，湍动能的放大由平均流减速作用主导，自由剪切层影响较弱；最后我们应用降解变分模态分解（RVMD）对激波串自激振荡现象进行分析，捕捉到了激波串激波结构的平移模态和拉伸模态。
陈辰稔，报告题目《利用二次冲击来调控RM不稳定性》：激波冲击流体界面诱导的Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定性在惯性约束核聚变，超燃冲压发动机等前沿工程中扮演着重要的角色。在超燃冲压发动机中，RM不稳定性可以有效地促进燃料混合；而在惯性约束核聚变中，RM不稳定性会降低点火效率，需要抑制其发展。本研究基于已有理论，深入探讨了利用二次冲击调控RM不稳定性的可能性。根据界面属性不同，实验上分别利用两道连续激波、反射弱激波以及反射稀疏波三种方法实现了对不同扰动振幅进行调控。为前沿工程中的RM不稳定性的发展趋势提供了新的理论指导。
封慧勇，报告题目《柔性胶囊悬浮液流变特性的数值模拟研究》：柔性胶囊悬浮液在自然界和工业领域有很多的应用。例如血液中红细胞的运动，微流控颗粒分离以及燃料电池中带电颗粒的运动等。基于浸没边界-格子玻尔兹曼方法数值模拟研究了胶囊悬浮液的流变特性。研究发现随着胶囊体积分数以及刚度的变化，胶囊会在管道中形成四种的空间结构，这些结构也使得悬浮液表观粘性呈现阶段性变化。同时通过改变管道的曲率发现，悬浮液表观粘性随着雷诺数的增加呈现递减的趋势，这和直管道完全相反。曲率诱导的二次流动（迪恩涡）在此过程中起到关键作用。研究结果对血液疾病病理的研究以及胶囊的运输有重要指导意义。
闫波，报告题目《斜激波在内凹曲面上反射的激波动力学分析》：三维激波在内凹曲面上的反射是内转式进气道中主要的激波相互作用形式，通常会产生大尺度的流动分离和流向涡对。目前，三维激波反射理论很少，而二维非定常激波在凹面上反射的理论相对完整。因此，现有的二维非定常激波反射理论如何应用于三维激波和内凹曲面之间的相互作用具有重要意义。为了检验上述概念，模化出斜激波入射内凹曲面的简化模型，重点关注斜激波在内凹曲面上反射形成的近壁面波系结构，以及由此带来的复杂三维流动，以期丰富对内转式进气道中流动的认知，为改进内转式进气道设计提供有价值的参考。
乔然，报告题目《温度调控射流界面不稳定性研究》：温度场调控下射流的破碎现象广泛存在于喷墨打印、纤维制备等工程领域，对射流界面扰动发展规律及失稳机制开展研究具有重要实际意义。本工作基于液-气系统的基本温度分布，建立了热射流不稳定性理论模型，并利用线性不稳定性理论推导了扰动发展的控制方程，计算得到界面扰动增长率随波长的定量关系。由于流动控制参数的改变会诱导产生不同的流动模态，本研究通过对比不同流动模态下界面扰动增长率，得到各模态转换的临界条件，并基于此划分各模态在参数空间内的相图。通过建立界面扰动能量平衡关系，考察各不稳定性机制在参数空间内的主导关系，揭示了温度场诱导的不稳定性机制对射流破碎过程的影响。
王晓强，报告题目《复杂水力裂缝网络数值模拟及压裂效果评估》：页岩气是一种重要的非常规天然气接替资源，对优化我国能源结构、保障国家能源独立有着战略意义。页岩储层具有极低渗透率和低孔隙度等特性，不能使用传统手段开采其蕴藏的大量油气资源。水力压裂技术是一种广泛应用于提高页岩储层油气采收率的地层改造技术，通过生成具有较高导流能力的裂缝系统沟通高产甜点区，实现对超低渗透储层的增产改造。水力压裂的实施需要高昂的经济投入，准确地评估复杂裂缝网络的改造效果以最大限度地提高水平井的压裂储层体积仍亟待研究。基于扩展有限元方法(XFEM)建立二维水力压裂数值模型，对水力裂缝与天然裂缝相交准则和复杂缝网的形成机理进行了系统深入的研究，并结合试井理论提出了一种储层压裂改造的等效评估方法。通过模拟边界裂缝模型、T型及十字裂缝模型、各向异性单轴拉伸裂缝模型对数值模型的可靠性进行了验证。