扩散、静电和惯性机制下的液滴碰撞效率

雨滴是在云中通过亚毫米级液滴在重力作用下碰撞形成的：较大的液滴比较小的液滴下落得更快，并在路径上收集它们。关于这种雪崩机制，雾和非降水性暖云的令人困惑的稳定性一直是一个长期存在的问题。如何解释直径约为 $10~{\rm \mu m}$ 的液滴具有较低的碰撞概率，从而抑制了向越来越大的液滴的级联？在此，我们回顾了文献中提出的动力学机制，并使用一个考虑了所有这些因素的开源 Monte-Carlo 代码，定量研究了由布朗扩散、静电和重力引起的液滴碰撞频率。当 Stokes 数大于 $1$ 时，惯性主导大液滴的空气动力。当 P\'eclet 数小于 $1$ 时，热扩散主导小液滴的空气动力。我们表明，存在一个尺寸范围（对于空气中的水滴通常为 $1-10~{\rm \mu m}$），在此范围内惯性和布朗扩散都不显著，导致碰撞率出现缺口。由于液滴碰撞前瞬间形成的润滑膜，其次是长程空气动力相互作用，这种效应尤为重要。两种不同的机制调节了间隙消失时润滑力的发散：当间隙与空气的平均自由程相当时，润滑膜过渡到非连续介质机制；以及由于表面剪切在液滴内部诱导出的流动。在惯性主导和扩散主导机制之间的缺口中，偶极 - 偶极静电相互作用成为控制液滴碰撞效率的主要效应。