大气流中粒子碰撞率的静电增强

微小粒子的碰撞增长是控制云滴增长和火山羽流中灰粒聚集的基本过程，对降水形成、云寿命和灰羽动力学有直接影响。这些场景中的粒子通常带有电荷。在本研究中，我们研究了一对带同种电荷的介电球体在单轴压缩流作用下的碰撞动力学，这是一种重要的线性流，捕捉了大气应变运动的关键特征。有限的粒子尺寸导致静电相互作用偏离点电荷近似，产生远场排斥和近场吸引，进而产生非平凡的粒子轨迹和临界碰撞阈值。对于某些电荷和尺寸的组合，流体动力和静电力的相互作用产生了强大的径向向内粒子相对速度，这极大地改变了粒子对动力学并修改了接触所需的条件。对于不带电粒子，碰撞效率随粒子尺寸比单调增加。然而，在存在高电荷比值的静电力作用下，碰撞效率表现出非单调依赖性，在小尺寸比时达到最大值，并随着比值的增加而减小，存在一个交叉点，超过该点后，较大粒子变得不利于碰撞。这些结果表明，有限尺寸大气粒子上相同极性的电荷并不一定会抑制碰撞。相反，对于特定的电荷和尺寸比组合，它们可以增强碰撞增长，揭示了与带电大气环境中的云微物理过程和火山灰聚集相关的反直觉途径。