湍流中的气泡-颗粒碰撞：来自点粒子模拟的见解

湍流中的气泡-颗粒碰撞是泡沫浮选等多种过程的核心。尽管其十分重要，碰撞过程的细节尚未受到太多关注。气泡和颗粒在湍流中有时表现出反直觉的行为（例如它们在空间中发生偏析），这使问题更加复杂。尽管气泡-颗粒的相对行为根本不同于相同颗粒之间的行为，现有的理论模型几乎全都是湍流中颗粒-颗粒碰撞理论的扩展。由于迄今适当的数据仍然稀缺，这些理论的适用性尚待评估。在本研究中，我们通过均匀各向同性湍流中气泡-颗粒碰撞的直接数值模拟，采用点粒子方法，在包括斯托克斯数和雷诺数在内的一系列相关参数范围内研究几何碰撞率。我们分析了气泡和颗粒的空间分布，并量化了它们的偏析在多大程度上降低了碰撞率。与单分散颗粒对相比，气泡-颗粒更大的接近速度抵消了这一效应，我们将其归因于气泡和颗粒对流体加速度响应方式的差异。我们发现，在所研究的参数范围内，加入升力或采用不同的阻力参数化，或假设无限颗粒密度，都不会显著改变这些碰撞统计特征。此外，我们批判性地审视了现有模型，并讨论了其中导致偏差的不一致之处。