惯性效应对湍流中两粒子相对弥散的影响

我们报告了在水中充分发展湍流的惯性范围内，初始分离的固体球形粒子对相对运动的实验结果。粒子密度范围在$1 \lessapprox \rho_{p}/\rho_{f} \lessapprox 8$，即从中性浮力到高惯性；其尺寸为Kolmogorov尺度。对于所有粒子，我们观察到一个类似Batchelor的 regime，其中粒子以弹道方式分离。与示踪粒子的Batchelor regime类似，该 regime在相对分离的早期阶段被观察到，时间$t \lessapprox 0.1 t_0$，其中$t_0$由湍流能量耗散率和粒子对之间的初始分离决定。在这个时间间隔内，较重粒子的分离速度比流体示踪粒子快。发现二阶欧拉速度结构函数随密度增加。换句话说，这两个观察都表明惯性粒子之间的相对速度大于示踪粒子之间的相对速度。基于广泛使用的惯性点粒子简化运动方程，我们推导了一个模型，该模型显示了惯性粒子之间相对速度的增加。然而，在其尺度依赖性上，该模型与实验结果定量不符。我们将其归因于惯性粒子对流动场的优先采样，而该模型未能捕捉到这一点。