個人簡介

潘君華，現為中國科學院大學特別研究助理。2018年博士畢業於中國科學院大學，2019年度中國力學學會優秀博士學位論文獎獲得者。圍繞磁約束核聚變強磁場環境下相關的流體力學問題，主要從事複雜運動邊界及自由介面流動數值方法、磁控顆粒遷移機理和磁場環境下膜流流動穩定性的研究。目前已在J。 Fluid Mech。，J。 Comput。 Phys。 上發表論文4篇。主持國家自然科學基金青年基金、中國科學院基礎前沿科學研究計劃、中國博士後科學基金等。曾獲“中國科學院院長特別獎”及“中國科學院百篇優秀博士論文”。

獲獎論文題目

磁流體動力學顆粒兩相流演算法發展及其物理機理研究

關鍵詞

磁流體動力學顆粒兩相流

相容守恆浸沒邊界法

統一控制方程滑移網格法

小球繞流

小球自由運動

博士論文摘要

磁場環境下，顆粒在金屬流體中的運動，常見於核聚變托克馬克裝置和電磁冶金工業中。然而由於金屬流體的不透明性，實驗上難以觀察顆粒的尾渦結構和動力學行為，導致對磁流體動力學（Magnetohydrodynamics， MHD）顆粒兩相流認識的欠缺。因此本文發展了先進的演算法，並搭建了高效能數值計算平臺，就MHD 顆粒兩相流的相關物理機理進行數值分析和理論研究，豐富我們對MHD顆粒兩相流的認識。本文的主要演算法創新和機理髮現總結如下：

1。發展了相容守恆浸沒邊界法，它可以精確、高效地求解兩個方面的問題：帶複雜介面的MHD 流動和動邊界問題。基於最小二乘插值法，構建了分別用於單區域和多區域的統一邊界條件和混合邊界條件。採用近似–修正方法相容地引進邊界條件，其中紐曼邊界條件用兩種格式處理，並使用相容守恆格式保證浸沒介面附近MHD 流動的電荷守恆和動邊界問題的質量守恆。對比天然滿足守恆性的切割網格法，本演算法非常簡單且容易實現。透過一系列算例的證明，相容守恆浸沒邊界法可以精確地求解高哈特曼數MHD 流動並能有效地抑制動邊界的虛假壓力震盪。

2。發展了統一控制方程滑移網格法，它可以精確、高效地求解顆粒兩相流問題。該方法將顆粒運動方向的速度計入對流項的網格滑移速度中，使顆粒在運動過程中相對於背景網格保持靜止或小幅度運動，計算區域只需考慮顆粒周圍流域，極大地節省計算資源和時間。本演算法可以處理形狀各異顆粒、密度輕重顆粒、單顆粒或多顆粒和絕緣或導電顆粒的自由運動顆粒兩相流問題。透過一系列算例的驗證，表明統一控制方程滑移網格法可以精確、高效地模擬顆粒兩相流問題。

3。研究了雷諾數Re≤300 時，流向磁場對小球繞流尾渦結構和轉變的作用機理。在無磁場時，發現小球的尾渦結構在區域210 < Re < 270 記憶體在一個子區，子區尾渦拓撲結構包含極限環，且子區的分界線在Re = 220 和Re = 230 之間。磁場存在時，發現小球尾部有五種不同的尾渦模式和它們之間可發生相互轉變。五種模式之間的轉變由相互作用數和雷諾數決定。雷諾數決定水力學的轉變，如第一個、第二個分岔點或者極限環，而相互作用數則代表磁場對尾渦的影響。本文發現了一種“迴歸現象”，它表示高雷諾數某一相互作用數的小球繞流尾渦拓撲結構對應低雷諾數某一相互作用數的情況或者對應無磁場下更小雷諾數時的情況。此外，本文還發現了阻力標度律，即當相互作用數N > 1 時，有Cd∝N1/2。

4。研究了雷諾數Re≤300 時，橫向磁場對小球繞流尾渦結構和轉變的作用機理。對於非穩態週期脫渦流動，隨著橫向磁場的增強，小球尾渦從非穩態平面對稱轉變為穩態平面對稱，最後轉變為穩態雙平面對稱。橫向平面上具有不同朝向且強度相同的橫向磁場，它們對尾渦結構的影響是相同的。同時，磁場增強將導致尾渦結構對稱平面的特定朝向逐漸垂直於磁場。本文發現了另一種“迴歸現象”，它描述在橫向磁場的影響下，高雷諾數某一相互作用數下小球繞流的拓撲結構對應低雷諾數某一相互作用數的情況，最後在大磁場下，尾渦結構都會被抑制變為雙平面對稱。此外，本文還發現了兩段關於阻力系數的線性關係式，一是小磁場時，阻力系數與N2/3 成正比；另一個是大磁場時，阻力系數與N1/2成正比。

5。研究了伽利略數G < 156 時，垂直方向磁場對垂直運動小球不穩定性的影響，並揭示了軌跡轉變的機理。本文提出緊湊模型解釋磁場降低流固系統穩定性的物理機制。當磁場超過某個臨界值時，轉變發生，小球從穩態垂直運動轉變為穩態傾斜運動。在磁場的影響下，小球的自由運動尾部具有四種不同的尾渦模式，且它們與密度比無關。本文發現了一種“凝聚現象”，它描述垂直方向的速度受磁場的作用凝聚在一個點上，並與伽利略數和密度比無關。此外，本文還發現當N > 1 時，垂直方向的速度滿足標度律Vz ～N-1/4。

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原標題：《【獎勵聚焦】2019年度中國力學學會優秀博士學位論文獲獎人介紹：潘君華》