多尺度流固耦合与多相流模拟
科学问题：深海天然气水合物开采中，如何刻画气-液-固三相流的跨尺度强耦合过程与流动失稳机理？
研究背景
流-固耦合系统在自然和工程环境中普遍存在（侵蚀、沉积物输运、过滤等）。现有 CFD-DEM 方法主要分为解析法 (resolved) 和非解析法 (unresolved)，各有局限性：
- 解析法计算成本高，难以处理大尺度系统
- 非解析法基于经验封闭模型，难以捕捉颗粒形状效应
- 缺乏能够统一处理不同尺度（粗细颗粒共存）的混合框架
多尺度流固耦合与多相流模拟概念示意图（ClaudeBot生成）
核心研究内容
1. 混合解析 CFD-DEM 框架
创新性地提出了自适应三尺度耦合策略，根据颗粒尺寸与网格尺寸的比值自动选择计算方案：
| 方案 | 尺寸比条件 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 全解析 (Resolved) | d/h > 8 | 粗颗粒，流体网格直接解析颗粒边界，采用浸没边界（IB）方法 |
| 半解析 (Semi-resolved) | 1/3 < d/h < 8 | 中等颗粒，核函数插值方法处理颗粒与流体相互作用 |
| 非解析 (Unresolved) | d/h < 1/3 | 细颗粒，经验阻力模型（Gidaspow模型） |
技术特点：
- 兼顾计算精度与效率，实现宽级配、任意形态颗粒系统的高效模拟
- 基于 SDF 的高精度固相分数计算方法
- 守恒力反馈确保动量守恒
2. 相变-破碎耦合建模
针对水合物开采中的复杂物理过程，构建 SDF-相场统一描述框架：
- 颗粒组分表征：以相场序参量表征水合物晶体与砂砾等组分的空间分布，结合 SDF 精确刻画非球形颗粒边界
- 温压驱动相变动力学：研究温压条件变化下水合物相变过程及界面迁移规律
- 相变损伤耦合：建立黏结强度随水合物含量变化的损伤关系，刻画沉积物碎块的破碎演化
3. 气相多尺度拓扑演化
针对气相从微气泡到宏观气栓的跨尺度演变特征：
- 离散-连续耦合表征：微尺度气泡采用离散描述，宏观气团采用 VOF 方法捕捉界面
- 气泡聚并与破碎动力学：研究气泡碰撞接触与液膜排空过程，建立离散气泡与连续界面的动态转换准则
- 可压缩气相本构：建立描述气泡温度、压力与体积响应关系的气相本构模型
4. 多相流失稳机理
- 流型演化规律：研究立管输运过程中温压变化对多相流结构演化的影响，构建多相流流型演化图谱
- 段塞流形成机制：分析水合物分解速率、固液比及温压差对段塞流形成与演化的影响
- 失稳量化判据：量化相变诱发压力脉动与流动失稳特征，建立安全调控理论依据
研究资助
广东省自然科学基金面上项目 (2026-): 水合物固态流化开采中气-液-固三相流动机理与耦合数值方法研究
研究意义
为理解颗粒材料在流体作用下的力学响应机制提供多尺度视角，服务于：
- 海洋资源开发：深海天然气水合物开采、深海采矿
- 基础设施安全：海底管线稳定性、防波堤设计
- 化工过程优化：过滤、沉降、流化床设计
代表论文
多尺度 CFD-DEM 框架
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Lai, Z., Huang, S., Kong, Y., Zhao, S., Zhao, J., & Huang, L. (2026). Hybrid resolved-unresolved CFD-DEM framework for multiscale fluid-particle systems with irregular-shaped and polydisperse particles. Journal of Computational Physics, 554, 114759. DOI | PDF
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Lai, Z., Zhao, J., Zhao, S., & Huang, L. (2023). Signed distance field enhanced fully resolved CFD-DEM for simulation of granular flows involving multiphase fluids and irregularly shaped particles. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 414, 116195. DOI | PDF
渗流侵蚀与多相流应用
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Huang, S., Wang, P., Lai, Z.#, Yin, Z.-Y., Huang, L., & Xu, C. (2026). Hybrid SDF-CFD-DEM analysis of suffusion behavior in coral sand incorporating irregular particle morphology and intraparticle voids. Engineering Geology, 364, 108616. DOI | PDF
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Liu, Y., Yin, Z., Huang, S., Lai, Z., & Zhou, C. (2024). Resolved CFD-DEM Modeling of Suffusion in Gap-Graded Shaped Granular Soils. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 150(4), 04024008. DOI | PDF