中国石油大学（北京）：90°弯管内颗粒湍流的静电发生直接数值模拟研究--颗粒学报PARTICUOLOGY

现有研究对弯管含颗粒湍流中摩擦静电作用下颗粒输运行为的认识仍具有局限性。本文以90°弯管气固两相流为典型对象，采用直接数值模拟与拉格朗日颗粒追踪方法，开展了静电作用下颗粒–流体、颗粒–颗粒四向耦合复杂流动机理研究。结果表明，摩擦静电会促进颗粒向近壁区域迁移，增强颗粒–壁面和颗粒–颗粒碰撞，并进一步改变弯管内湍流结构。文中揭示了颗粒间碰撞诱导的屏蔽效应，解释了碰撞频率增加而撞击速度和撞击角度降低的现象，为复杂管路中颗粒输运、静电积累和运行安全研究提供了新的机理认识。

相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 112），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！

亮点

1. 建立了静电作用下90°弯管内颗粒湍流直接数值模拟模型，实现了静电作用下流体-颗粒，颗粒-颗粒的四向耦合。

2. 揭示了摩擦静电对近壁颗粒迁移、碰撞行为和湍流结构的调制机制。静电作用会驱动颗粒向壁面迁移，提高近壁颗粒浓度，并增强颗粒–壁面和颗粒–颗粒碰撞；此外静电作用使高速、低速条带结构更加破碎，使小尺度涡结构和环状湍流结构增多，表明摩擦静电不仅能改变颗粒运动轨迹，还会进一步调制弯管内湍流结构。

3. 提出了90°弯管中颗粒间碰撞诱导的屏蔽效应机制。颗粒在惯性力和离心效应作用下向弯管外侧壁面迁移，并在近壁区域发生频繁碰撞和能量损失，逐渐形成低速颗粒层阻碍下游颗粒继续接近壁面，表现为“屏蔽效应”。

研究背景

含颗粒湍流在弯管输运系统中广泛存在，是气固输送、颗粒加工、石化管路和能源动力装备中的典型多相流动现象。然而，90°弯管内曲率诱导的离心效应、二次流和颗粒碰撞会显著增强流动非均匀性，并进一步诱发摩擦静电积累，使传统仅考虑流体-颗粒动量耦合的输运理论难以准确描述颗粒运动和近壁碰撞行为。因此，揭示弯管含颗粒湍流中摩擦静电、颗粒碰撞与湍流结构之间的耦合机制，对认识复杂管路内颗粒输运规律以及提升工业管道运行安全具有重要意义。

图1. θ=90°截面及赤道中平面处的静电场强分布

要点精读

1. 弯管结构诱导下的颗粒输运非均匀性与湍流调制机制

本文研究发现，90°弯管中的曲率效应会诱导离心力、二次流和不稳定压力梯度，使颗粒在弯管外侧和近壁区域呈现明显偏聚。与直管含颗粒湍流不同，弯管内高、低速条带结构发生倾斜并形成类似“鱼骨状”的分布特征。惯性颗粒进入湍流后会削弱大尺度相干结构，并促进小尺度湍流结构生成；当进一步考虑颗粒-颗粒碰撞时，流体湍流强度被进一步抑制，高速条带区域缩小且数量减少，说明颗粒碰撞对局部湍流具有显著阻尼作用。

图2. 90°弯管内静电导致的颗粒迁移与碰撞行为（a）静电场分布；（b）近壁颗粒积聚；（c）颗粒-壁面碰撞特性

2. 摩擦静电作用下的近壁迁移与碰撞增强

本文采用直接数值模拟结合拉格朗日颗粒追踪方法，对两向耦合、四向耦合以及考虑静电作用的四向耦合进行了对比。研究发现，静电场在近壁区域作用更强，并与颗粒湍泳效应共同驱动颗粒由管道中心区域向壁面迁移，从而提高近壁颗粒浓度。静电作用不仅增加颗粒径向速度，还显著增强颗粒-壁面碰撞和颗粒-颗粒碰撞，使小尺度涡结构和环状湍流结构增多。由此可见，在弯管颗粒湍流中，摩擦静电并非单纯改变颗粒受力，而是通过近壁迁移、碰撞增强和湍流重构共同影响颗粒输运过程。

图3. 90°弯管含颗粒流中的湍流调制特征（a）近壁速度条带；（b）相干结构演化；（c）涡结构分布

3. 颗粒间碰撞引起的屏蔽效应机制

本文进一步揭示了高浓度颗粒在90°弯管中的屏蔽效应形成过程。首先，颗粒随流体进入弯管初始段，此时颗粒-壁面和颗粒-颗粒碰撞尚不显著；随后，在惯性力和离心效应作用下，颗粒向弯管外侧壁面迁移并发生强烈碰撞，部分颗粒因碰撞能量损失滞留在近壁低速区域；最后，近壁颗粒层逐渐形成“屏蔽屏障”，使下游颗粒难以继续直接接近壁面。该机制解释了静电和颗粒间碰撞会提高壁面碰撞频率，但同时降低颗粒撞击速度和撞击角度的现象。

图4. 90°弯管内静电含颗粒流的颗粒间碰撞与屏蔽效应机制

主要结论与展望

本文通过对90°弯管内颗粒湍流摩擦静电过程的直接数值模拟研究，揭示了静电作用下颗粒近壁迁移、颗粒-壁面碰撞、颗粒-颗粒碰撞及湍流结构调制的基本规律，阐明了颗粒间碰撞诱导的屏蔽效应机制，解释了碰撞频率增加而撞击速度和撞击角度降低的内在原因。

本文为复杂弯管内气固两相流静电发生、积累、颗粒碰撞和近壁输送行为机理认识提供重要依据，补充和发展了含颗粒湍流中的多场耦合理论，也为进一步研究工业管路中的静电安全、颗粒磨损及输运优化奠定了坚实的理论基础。

作者简介

赵彦琳，中国石油大学（北京）教授，博导，长期从事颗粒与多相流领域中颗粒-壁面作用效应及流动特征的基础与应用研究。发表第一/通讯SCI论文43篇，总被引1500余次，h因子23；撰写专著2本（第一），申请及授权（第一）国家发明专利13项。主持国家自然科学基金面上基金、青年基金项目，外国专家项目、教育部留学回国人员科研启动基金等，获中国腐蚀控制技术协会科学进步奖（2025），中国颗粒学会青年颗粒学奖（2022）。

供稿：原文作者

排版：《颗粒学报》编辑部

文章信息

Zhao, Y., Yan, Y., & Yao, J. (2026). Direct numerical simulation of triboelectrostatic charging in particle-laden turbulent flows in 90° pipe bends. Particuology, 112, 284-298. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.02.034

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