W ramach tego tematu prowadzone są prace badawcze z zakresu turbulentnych przepływów dwufazowych z fazą dyspersyjną (faza rozproszona występuje w postaci kropel cieczy lub cząstek stałych) mające na celu rozwój modeli dla takich przepływów.

Przedmiotem analizy, opracowania nowych propozycji i ich weryfikacji są zamknięcia dla uśrednionych bądź filtrowanych przestrzennie równań transportu dla przepływów turbulentnych, a także dla przepływów dwufazowych. Przedmiotem zainteresowania jest modelowanie statystyczne przepływów z zastosowaniem metody funkcji prawdopodobieństwa; modelowanie efektów dyspersji turbulentnej cząstek w podejściu statystycznym (z uśrednieniem Reynoldsa, ang. RANS), a także tak zwanej dyspersji podsiatkowej (w zakresie małych skal) przy czym duże struktury wirowe przepływu turbulentnego są rozwiązywane (metody LES, POD).

Znaczenie aplikacyjne tych prac wynika bezpośrednio z zagadnień praktycznych inżynierii chemicznej oraz energetyki konwencjonalnej i agroenergetyki (np. palniki na rozpylane paliwo ciekłe lub pył węglowy).

Przepływ turbulentny z cząstkami: strugi współosiowe,
obraz chwilowy, obliczenia LES (Łuniewski, 2011).

Alternatywnym podejściem do modelowania przepływów jest wykorzystanie formalizmu w pełni lagranżowskiego, na przykład metody Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH).  Jedną z zalet SPH jest brak konieczności tworzenia siatki numerycznej. Rozkłady ciągłe wielkości fizycznych zastępuje się odpowiednimi przybliżeniami całkowymi. Płyn jest traktowany jako skończony zbiór cząstek (reprezentujących elementy płynu), dla których wykonuje się obliczenia. Po stronie niedostatków metody, które są obecnie przedmiotem aktywnych badań, wymienić należy trudności w uzyskaniu zmiennej przestrzennie rozdzielczości, dłuższe zazwyczaj czasy obliczeń niż w tradycyjnych metodach siatkowych.

Podejście SPH jest coraz szerzej wykorzystywane do analizy przepływów wielofazowych, przepływów z powierzchnią swobodną, czy układów o skomplikowanej lub zmiennej geometrii. SPH w naturalny sposób, poprzez adwekcję zbiorów cząstek odpowiadających poszczególnym fazom, ujmuje ewolucję powierzchni międzyfazowych (zob. rysunek). Istnieją także sformułowania SPH do układów dyspersyjnych oparte na modelach dwupłynowych.

a)

b)

Obliczenia SPH przepływów z powierzchniami rozdziału faz. (a) Niestabilność Rayleigha-Plateau: trójwymiarowa symulacja rozpadu strugi cieczy na krople 3D breakup of a liquid filament (Olejnik & Szewc, JTAM 2018). (b) Struktury przepływu 2D w kanale: korkowy (górny rysunek) oraz nieregularny (ang. churn, dolny rysunek); Olejnik i wsp., ICMF 2016.

Motywację poznawczą stanowi złożoność fizyki procesu oraz wieloskalowy charakter zjawisk w reaktywnym złożu porowatym, a motywacją praktyczną jest próba ulepszonego opisu procesu koksowania węgla.

Podjęte badania dotyczą modelowania przepływu oraz transportu ciepła w skali pojedynczych ziaren ośrodka porowatego. Do tego celu wykorzystuje się metodę siatkową Boltzmanna (LBM). Metoda ta rokuje duże nadzieje odnośnie symulacji przepływów w ośrodkach o złożonej geometrii.

W chwili obecnej obliczenia są wykonywane w ośrodkach ziarnistych, przy czym analiza przepływu płynu oraz ciepła uwzględnia zmienną geometrię ziaren. W chwili obecnej trwają prace nad uwzględnieniem naprężeń powstających na granicy styku ziaren; planowane jest dodanie członów źródłowych występujących w przebiegu reakcji chemicznych.

Wycinek przypływu przez bardzo prosty model ośrodka porowatego, obliczenia LBM (Grucelski, 2012).