超声速湍流中惯性粒子的凝聚

由超声速湍流驱动的凝聚主要是一个天体物理问题，因为地球上的凝聚过程通常与低马赫数下的不可压缩流体流动相关，而例如星际介质(ISM)中的尘埃聚集则是相反 regime 的一个例子。我们利用高分辨率直接数值模拟和激波捕捉数值模拟，在从近不可压缩到中等超声速的广泛马赫数范围内研究可压缩湍流中惯性粒子的凝聚。粒子动力学由代表性粒子模拟，并探究了马赫数增大对尺寸分布和凝聚速率的影响。我们表明粒子尺寸分布的时间演化主要取决于可压缩性（马赫数）。我们发现平均凝聚核 $\langle C_{ij}\rangle$ 与平均马赫数 $\mathcal{M}_{\rm rms}$ 乘以碰撞粒子的组合尺寸呈线性标度关系，即 $\langle C_{ij}\rangle \sim \langle (a_i + a_j)^3\rangle\, \mathcal{M}_{\rm rms}\tau_\eta^{-1}$，这在定性上与解析估计的预期一致。我们提出了一个定量修正 $\langle C_{ij}\rangle \sim \langle(a_i + a_j)^3\rangle(v_{\rm p,rms}/c_{\rm s})\tau_\eta^{-1}$，可作为未来研究的基准。我们认为凝聚速率 $\langle R_c\rangle$ 也因可压缩性引起的粒子致密化而增强。