纵横比对湍流管道流动中粒子输运的影响

本文通过直接数值模拟载相湍流并结合单向耦合的拉格朗日粒子，研究了稀疏微米级球形惯性粒子在湍流管道流动中的动力学。几何构型为宽高比 $AR$ 为 3 的方形和矩形管道，运行于 $Re_{\tau,c}=360$。本研究旨在确定湍流驱动的二次流对粒子动力学的影响。结果表明，微弱的横向二次流显著改变了粒子浓度、平均速度和脉动的截面分布。随着管道几何形状从 $AR=1$ 展宽至 3，水平壁面上的二次涡在展向显著扩大；尽管二次流的动能靠近角落处增加，但在 $AR=3$ 情形下，其向管道中心面衰减，使得湍流载相接近展向周期槽道流的行为，这一事实显著影响了粒子统计量。在方形管道中，粘性底层内的粒子浓度在管道中心面处达到最大值；而在 $AR=3$ 情形下，最大值出现在更靠近角落处，距中心面距离为 $|z/h|\approx1.25$。有趣的是，矩形管道中的中心面浓度比方形管道低约 3 倍。此外，对于两种管道，在角落处均发现累积分布的第二个峰值。在该位置，浓度随粒子惯性增加而增大。与流体流动统计量相比，二次流也显著改变了粒子速度的横向分布图。这直接影响粒子速度脉动，使得在粒子流向和法向速度脉动中，靠近管道壁面处出现多个峰值。