湍流乳液中的液滴-湍流相互作用与准平衡动力学

Siddhartha Mukherjee; Arman Safdari; Orest Shardt; Sasa Kenjeres; Harry E. A. Van den Akker

doi:10.1017/jfm.2019.654

湍流乳液中的液滴-湍流相互作用与准平衡动力学

流体动力学 2019-10-04 v2

作者: Siddhartha Mukherjee , Arman Safdari , Orest Shardt , Sasa Kenjeres , Harry E. A. Van den Akker

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摘要

我们使用伪势格子玻尔兹曼（PP-LB）方法对均匀各向同性湍流中的乳液进行直接数值模拟（DNS）。通过最小化液滴溶解和寄生电流改进了先前文献，我们表明 PP-LB 技术能够在特定参数区域进行长时间稳定模拟。改变分散相体积分数 $\phi$ ，我们证明液滴破碎从大尺度提取动能并向小尺度注入能量，且随 $\phi$ 增大而增强，由 Hinze 尺度划分这两种效应。发现液滴尺寸（ $d$ ）分布遵循 $d^{-10/3}$ 标度律（Deane & Stokes 2002）。我们展示了保持湍流强迫尺度与域尺寸分离以防止分散相形成大连通区域的必要性。我们首次表明湍流乳液演化为由交替聚并与破碎主导过程构成的准平衡循环。在由动能 $E_k$ 、涡量平方 $\omega^2$ 和液滴数密度 $N_d$ 组成的状态空间中研究该系统，我们发现其动力学类似于具有时间延迟的极限环。 $E_k$ 演化中的极值出现在 $\omega^2$ 和 $N_d$ 演化中，分别延迟约 $0.3\mathcal{T}$ 和 $0.9\mathcal{T}$ （ $\mathcal{T}$ 为大涡时间尺度）。最后，我们还表明乳液中湍流流动拓扑比先前认为的与单相湍流差异显著更大。特别是，涡旋压缩和轴向拉伸机制在液滴相中占主导，这是液滴界面弹性行为的后果。修订扩展版现已发表于 Journal of Fluid Mechanics：https://doi.org/10.1017/jfm.2019.654

关键词

湍流乳液液滴破碎伪势格子玻尔兹曼准平衡 Hinze 尺度直接数值模拟流动拓扑

引用

@article{arxiv.1902.09929,
  title  = {Droplet-turbulence interactions and quasi-equilibrium dynamics in turbulent emulsions},
  author = {Siddhartha Mukherjee and Arman Safdari and Orest Shardt and Sasa Kenjeres and Harry E. A. Van den Akker},
  journal= {arXiv preprint arXiv:1902.09929},
  year   = {2019}
}

备注

41 pages, 26 figures

湍流乳液中的液滴-湍流相互作用与准平衡动力学

摘要

关键词

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