高雷诺数衰减湍流中气泡团聚动力学
流体动力学
2025-09-09 v1
摘要
本研究实验性地探讨了气泡大小演化和空隙率在衰减湍流中支配性团聚 regime 中的行为。该流经由再生泵在导管下游产生，塔勒尺度雷诺数 (Re_λ~10^3)，但湍流在导管中沿轴向快速衰减。使用�影图成像和粒子阴影测速进行测量。高速成像和统计分析揭示，气泡团聚在整个域中占主导地位，导致 Sauter 均值直径 (d_{32}) 单调增长，气泡尺寸分布逐渐展宽。归一化的最大值-均值直径比沿轴向递增并渐近饱和于~2.2，表明准自相似气泡尺寸分布的出现。在导管入口处，气泡直径概率密度函数呈双重幂律尾，指数为 -10/3 和 -3/2，其中流为团聚支配。在数个水力直径后，出现单一~-3/2 幂律标度，表明纯团聚 regime，其中所有气泡均小于 Hinze 尺度。只有在尺寸分布稳定后，d/d_{32} 指数 (~1.3) 的累积分布才会出现。虽然经典 Hinze 标度给出 d_H ~ L^0.9，但我们的理论对纯团聚 regime 中的 d_{32} 和~d_{99.8}(99.8 百分位气泡直径) 给出较慢的标度~ L^0.5，这与我们的实验结果一致，表明破碎可忽略且低于 Hinze 尺度的增长。在当前模型之外，瞬态空隙率轮廓从近似均匀演变为在发展 regime 中呈现锐利的核心峰高斯分布，中心线值增加、近壁值减小，这是由于升力力的反转所致。
引用
@article{arxiv.2509.05888,
title = {Bubble coalescence dynamics in a high-Reynolds number decaying turbulent flow},
author = {Vivek Kumar and Prasoon Suchandra and Ardalan Javadi and Suhas S. Jain and Cyrus Aidun},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.05888},
year = {2025}
}