湍流减阻具有重要的科学意义和工程应用价值。清华大学燃烧能源中心、能源与动力工程系和航天航空学院的孙超课题组利用实验方法系统地研究了三种不同宽高比的颗粒，分别对应于扁形、球形和椭球形的有限尺寸颗粒对Taylor-Couette湍流的阻力影响及其机理。研究发现：由于固体颗粒的表面摩擦，向系统中加入任何形状的颗粒都会增加系统阻力。通过比较归一化阻力系数,发现随着Re增加，阻力增加的幅度均减小，即呈现出类似于非牛顿流体的剪切变稀效应，这可能是由于在当前的体积分数区间内，在高雷诺数下湍流应力成为流体应力的主导项；由于不可忽略的流动惯性以及高雷诺数和高体积分数导致颗粒的不均匀分布，文中得到的体系有效粘度与适用于斯托克斯流的Krieger & Dougherty公式存在明显差异。通过改变颗粒的宽高比，发现向流场中加入球形颗粒后系统阻力增加的幅度最大，而加入扁形颗粒后系统阻力增加的幅度最小。利用图像处理技术对体积分数为和进行分析发现：在较低Re时，颗粒的运动较大程度地受到流体运动的影响，并且颗粒的分布反映出泰勒涡的形态；而随着Re增加，由于湍流强度的增加和颗粒的有限尺寸效应增强，颗粒能更容易逃离流体结构的束缚，从而在系统内分布更加均匀（如图4所示）。此外，不同形状的颗粒在系统内呈现不同的聚集分布特点，并为其不同的系统阻力调制效果提供了解释：倾向于聚集在靠近壁面的球形颗粒会在壁面附近形成颗粒层，导致在加入球形颗粒后系统阻力增加最大；相反地，倾向于聚集于远离壁面的中心区域的扁形颗粒则不会形成颗粒层，因此在加入扁形颗粒后系统的阻力最小。这项研究有助于理解湍流场中颗粒的有限尺寸效应，以及解释颗粒流的阻力调制机理，另外本工作中的颗粒流阻力与颗粒形状的依赖关系为解释气泡流阻力调制效应提供了参考，对指导气泡减阻等工业应用具有重要意义。

　　研究结果发表在《J. Fluid Mech.》，论文的题目为《有限尺寸颗粒是如何改变Taylor-Couette湍流的阻力响应》，第一作者为研究生汪程，通讯作者为孙超教授。 论文链接：https://doi.org/10.1017/jfm.2022.125。