云气流三维湍流混合的扩散元方法
流体动力学
2025-07-18 v2
摘要
汽化含量、温度和粒子场的混合特性在云湍流中至关重要，因其涉及云水滴蒸发和混入等关键过程。本研究以单根云气（即含雾滴）流与其清空气环境的混合为例，考察云边典型过程的混合机制。第一种方法采用三维Euler-Lagrangian直接数值模拟，描述气汽超饱和场为Euler场， individual cloud water droplets 作为拉格朗日轨迹集合。第二种方法基于新近发展的扩散元方法—a种运动学拉格朗日框架，将标量浊流分解为由局部搅拌和横向扩散引起形变的若干小段。 Schmidt 数为 Sc=0.7。混入过程导致云浊流超饱和区域发生形变并伴随扩散，直至系统达到均匀混合平衡状态，即所有雾滴均被蒸发。我们比较了超饱和场的均方根和概率密度函数的时间演化。混合初始阶段，两者拟合良好；后期因保守标量非零均值导致出现偏差。针对含云水滴情形，还考察了雾滴数密度和凝结生长响应的影响。湍流导致 d^2 定律出现偏差，类似于最近喷雾实验所观察到的现象。一种 Schmidt 数比云中大 100 倍的仿真显著改善了仿真结果与扩散元方法之间的一致性。后者结果推动扩散元框架成为湍流高 Sc 条件下的有效参数化方法。
引用
@article{arxiv.2503.07734,
title = {Diffuselet method for three-dimensional turbulent mixing of a cloudy air filament},
author = {Vladyslav Pushenko and Simone Scollo and Patrice Meunier and Emmanuel Villermaux and Jörg Schumacher},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.07734},
year = {2025}
}