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Lagrangian-based investigation of multiphase flows by finite-timeLyapunov exponents

Acta Mechanica Sinica 2012年第3期28卷 612-624页

作者： Jia-Ning Tang Chien-Chou Tseng Ning-FeiWang School of Aerospace Engineering Beijing Institute of Technology100081 Beijing China Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering National Taiwan Sun Yat-Sen UniversityKaohsiung Taiwan China Department of Aerospace Engineering University of Michigan Ann ArborM148109 USA

Multiphase flows are ubiquitous in our daily life and engineering applications. It is important to investigate the flow structures to predict their dynamical behaviors ef- fectively. Lagrangian coherent structures （LCS） defined by the ridges of the finite-time Lyapunov exponent （FTLE） is utilized in this study to elucidate the multiphase interactions in gaseous jets injected into water and time-dependent turbu- lent cavitation under the framework of Navier-Stokes flow computations. For the gaseous jets injected into water, the highlighted phenomena of the jet transportation can be observed by the LCS method, including expansion, bulge, necking/breaking, and back-attack. Besides, the observation of the LCS reveals that the back-attack phenomenon arises from the fact that the injected gas has difficulties to move toward downstream re- gion after the necking/breaking. For the turbulent cavitating flow, the ridge of the FTLE field can form a LCS to capture the front and boundary of the re-entraint jet when the ad- verse pressure gradient is strong enough. It represents a bar- rier between particles trapped inside the circulation region and those moving downstream. The results indicate that the FFLE field has the potential to identify the structures of mul- tiphase flows, and the LCS can capture the interface/barrier or the vortex/circulation region.

关键词： Finite-time Lyapunov exponents Lagrangiancoherent structures Multiphase flow gaseous jets injectedinto water Cavitation

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