携带颗粒的湍流在人们日常生活、环境和工业流动中广泛存在，例如河流中泥沙的输运，大气中污染物的扩散，大气中雨滴的形成，发动机喷雾燃烧等。研究湍流中的重颗粒在湍流涡结构离心力和重力双重作用下的聚团、相对运动以及焦散效应（流场中同一点具有多个不同的颗粒速度）机理具有重要的科学意义和应用价值。我们采用直接数值模拟的方法求解各向同性湍流场，采用拉格朗日方法跟踪颗粒，其中颗粒采用点力模型。主要研究内容包括不同湍流雷诺数、颗粒Stokes数及重力Froude 数下颗粒聚团、颗粒相对速度和焦散效应的物理机制；颗粒的正向、反向相对扩散时间的非对称性；反卷积与运动学合成湍流的颗粒亚格子模型等。通过该项目，我们提出了沉降颗粒对在湍流中沉降特征时间尺度模型，并利用该时间尺度提出了一个依赖于沉降速度的等效Kubo 数的概念。在大Stokes 数，小Kubo数下，湍流中在重力作用下增强颗粒聚团程度的机理是颗粒在无关联的随机场中运动过程中，在颗粒惯性和乘积放大机理作用下，颗粒的聚集增强。我们基于时间向后扩散，研究了颗粒相对速度概率密度分布函数的变化趋势。在大Stokes 下颗粒相对速度间歇性增强归因于颗粒无法有效分离，颗粒对倾向于遍历间歇性更强的小尺度湍流结构，最终导致颗粒的相对速度的间歇性增强。在小Stokes 数下，颗粒的聚集程度变弱，颗粒分布更加均匀，颗粒对遍历流场速度梯度也更加均匀，使得颗粒相对速度的间歇性变弱。 2100433B