学术报告

　　张杰，西安交通大学工程力学系教授，2014年博士毕业于中国科学院大学，从事流体力学数值模拟研究。针对磁约束托卡马克装置/电磁冶金工业中相关的自由界面问题，通过发展数值算法，可以精确求解多介质多物理场中的流动传热传质方程，并在磁流体、多相流以及气泡动力学等方面开展了系列工作，在J. Fluid Mech.， J. Comput. Phys. 期刊上发表20篇论文。获得“中国科学院优秀博士论文”，“力学学会自然科学一等奖”，主持“国家自然科学基金优秀青年基金”、 国家重点研发计划青年科学家项目，中国科协力学学会“青年托举人才”项目等。

　　本文基于相场法提出了可以模拟凝固或融化颗粒在流场中自由运动的数值方法，旨在精确、高效地求解流场、温度场、浓度场和物体6自由度多场耦合方程，以模拟复杂的相变-流固耦合协同过程。该算法利用相场方程追踪固–液界面的演化，避免了传统界面捕捉方法中的重构问题，具有良好的数值稳定性和准确的界面追踪能力。通过引入虚拟域拉格朗日乘子，在相场方法的基础上实现流固耦合。另外，通过与VOF方法的结合，可处理三相流动，实现多流体体系中相变过程的同步模拟；结合Glowinskin碰撞模型，可对大量运动颗粒或固体块体之间的非线性碰撞与相变耦合提供统一求解。算法成功复现了融化-自由运动的基准算例、多颗粒的Worthington射流形成，合金溶液中大量晶核晶枝的析出沉降、以及液面悬浮冰块的溶解或凝固的动力学特征。数值结果表明，当固体小球在载流体中运动并凝固时，会引发凝固体的翻滚与振荡，逐渐演化成梭形几何结构。此外，多颗粒碰撞与追逐不稳定性在相变的影响下发生转捩点的改变、晶枝生长迎风区的加速生长会改变晶体的重心进一步影响运动轨迹，表明本方法在复杂自由运动相变问题计算中具有卓越的鲁棒性、精确性和应用潜力。