由泰勒尺度沉降颗粒引起的湍流调制

《Journal of Fluid Mechanics》：Turbulence modulation by Taylor-scale settling particles

　　

摘要

在这项研究中，我们通过使用粒子解析的直接数值模拟来研究球形颗粒沉降对持续湍流的调制作用。通过改变伽利略数（Galileo number，记为${\textit{Ga}}$），研究了重力效应。伽利略数是通过颗粒与流体的密度比来变化的。颗粒沉降会导致粘性耗散增加以及流体速度波动的各向异性增强，这种效应随着${\textit{Ga}}$的增加而加剧。更重要的是，能量谱表现出$\kappa^{-3}$的标度律，这与弱沉降条件下（即${\textit{Ga}} \lesssim 40$）颗粒载荷湍流的经典$\kappa^{-5/3}$标度律共存；$\kappa^{-3}$标度律扩展了能量谱的波数范围，并在研究的最高${\textit{Ga}}$值下主导了能量谱。逐尺度能量预算表明，对于较小的沉降速度，颗粒-流体相互作用主要将能量从大尺度传递到小尺度；而高${\textit{Ga}}$值时，颗粒沉降会将能量注入到载体流中，破坏了各向同性的能量分布。特别是，重力作用会形成垂直延伸的结构，同时破坏水平流动的相关性，从而改变非线性的尺度间能量传递并重塑能量谱。对于固体相，研究发现颗粒的垂直速度波动随着${\textit{Ga}}$的增加而减小，且湍流对颗粒平均沉降速度的影响减弱。观察到中等程度的颗粒聚集现象，这一现象随颗粒沉降速度的变化不大。在最强的颗粒沉降情况下，颗粒间的碰撞率最高，这是因为颗粒对的相对径向速度增加。

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