多尺度螺旋注入湍流中的螺旋粒子
流体动力学
2019-05-06 v2
摘要
我们给出了关于具有强多尺度螺旋注入的湍流性质数值与理论结果。我们在具有幂律谱且能量与螺旋度注入强度不同的随机螺旋搅动下，对 Navier-Stokes 方程进行直接数值模拟。我们展示了存在三种不同的 regime，其中正向能量与螺旋度惯性传输分别为：(i) 两者均相对于外部注入占主导，(ii) 能量传输占主导而螺旋度传输次主导，以及 (iii) 两者均次主导且螺旋度在所有尺度上达到最大。因此，情形 (ii-iii) 给出了具有 Kolmogorov 类惯性能量级联和可调螺旋度传输/含量的流。我们进一步通过研究 regime (iii) 对类点各向同性螺旋体的动力学影响来探索该 regime，这类粒子的动力学是各向同性的但破坏宇称不变性。我们研究了小尺度分形聚集以及对强螺旋流结构的优先采样。根据其结构参数，各向同性螺旋体要么优先采样同手性要么优先采样反手性流结构。我们在极限情形下用已知的不同密度与惯性程度的球形粒子的结果解释了这些发现。此外，我们给出了一个随机模型的理论与数值结果，其动力学性质可利用解析微扰理论计算。我们的研究表明，对搅动机制的适当调节可强烈改变小尺度湍流螺旋性质，并证明各向同性螺旋体是能够优先感知湍流中螺旋性质的最简单粒子。
引用
@article{arxiv.1812.01962,
title = {Helicoidal particles in turbulent flows with multi-scale helical injection},
author = {Luca Biferale and Kristian Gustavsson and Riccardo Scatamacchia},
journal= {arXiv preprint arXiv:1812.01962},
year = {2019}
}