非稀释条件下小气泡在湍流中的动力学
流体动力学
2026-02-06 v2 混沌动力学
摘要
充满小气泡的湍流流存在于众多自然与工业场景中。从数值建模的角度，为在直接数值模拟中处理大量小气泡，传统方法依赖单向耦合范式，即气泡被被动输送且不相互作用，隐含稀释条件假设。本文研究四向耦合情形，即既考虑气泡对流体的反馈，又考虑气泡之间的排斥体积相互作用。我们发现，尽管气泡相对于流体相的反向作用在大多数情况下能量上仍很小，但气泡之间的排斥体积相互作用对气泡动力学的拉格朗日统计具有显著影响。我们表明，随着气泡体积分数的增加，气泡在纺锤形高湍动结构中的优选浓度化现减弱，因为这些强湍动结构被填满；这在 时约为1% 的体积分数。我们进一步研究了拉格朗日速度结构函数以及对数扩散的影响，发现尽管平均扩散行为接近单向耦合模拟结果，但从结构函数和扩散分布中即使在极小体积分数下也能检索到气泡碰撞的明显迹象。这项工作不仅阐明了四向耦合何时变得重要，还为探索并最终利用小尺度湍流中有序湍动结构开辟了新方向。
引用
@article{arxiv.2510.03968,
title = {Dynamics of small bubbles in turbulence in non-dilute conditions},
author = {Xander M. de Wit and Hessel J. Adelerhof and André Freitas and Rudie P. J. Kunnen and Herman J. H. Clercx and Federico Toschi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.03968},
year = {2026}
}