清华大学孙超教授科研团队采用全尺度模拟精确地计算了湍流场与有限尺寸颗粒间的耦合作用。图10展示孙超团队利用全尺度模拟得到的颗粒运动轨迹和颗粒周围的能量耗散率以及速度的分布。研究发现，椭球颗粒的加速度均方值与颗粒的尺寸存在指数接近-1的标度律关系。同时，采用流场加速度的体积平均同样表明了相同的标度律关系。这表明湍流场中悬浮有限尺寸颗粒的加速度特性由流场的体积平均作用主导。考察颗粒轴向加速度和横向加速度的比值可以发现，颗粒的方向与加速度方向的倾向性并不随尺寸变化，这表明了惯性尺度与耗散尺度流场的速度梯度存在相似的结构。

　　研究发现不同形状的颗粒旋转率均方值都与颗粒尺寸存在指数为-4/3的标度律关系，这同样表明颗粒的整体旋转率由颗粒在流场中所占体积主导。不同形状颗粒的自转率均方值与翻滚率均方值的比值随颗粒尺寸的增大而减小。结果表明了有限尺寸颗粒与湍流场的耦合作用改变了颗粒周围的流场，进而改变了颗粒旋转率的分布。

　　过去的研究认为悬浮有限尺寸颗粒与湍流场间的耦合作用较弱，有限尺寸颗粒的运动通常采用K41理论解释。孙超团队的全尺度模拟研究表明了悬浮有限尺度颗粒与流场之间的耦合作用能够显著地改变颗粒的旋转特性，该研究对进一步理解有限尺寸颗粒多相湍流问题具有深远地意义。

　　研究成果发表在《J. Fluid Mech.》，论文题目为《湍流场中有限尺寸椭球颗粒的动力学：流动结构和边界层的作用》，论文第一作者为清华大学博士生蒋林峰，通讯作者是孙超教授和法国里尔大学 Calzavarini教授。论文连接：DOI:10.1017/jfm.2022.197。

图10：(a) 椭球颗粒的运动轨迹；颗粒周围流场(b)能量耗散率分布以及(c)速度均方值的分布。