湍流槽道流中小惯性粒子的界面解析模拟

我们对载有高密度比、直径约为 $3$ 黏性单位的小惯性粒子的无重力湍流槽道流，进行了界面解析与点耦合点粒子直接数值模拟（DNS）的直接比较。所考虑的最稀疏流动，固相体积分数 $O(10^{-5})$，显示粒子对流动的反馈可忽略不计；而对于体积分数 $O(10^{-4})$，则发现了相对于无粒子情况的差异，值得注意的是阻力增加了约 $10\%$。这归因于壁面处由湍流电泳引起的致密粒子层，其以较大的粒子-流体表观滑移速度流动。因此，将最稀疏情况作为评估广泛使用点粒子模型有效性的基准，该模型中粒子动力学仅由惯性和非线性阻力产生。在槽道主体区，点粒子 DNS 的粒子速度一阶与二阶矩与界面解析 DNS 吻合良好。然而，在壁面附近，大多数统计量显示出显著的定性差异。我们表明该差异源于近壁区作用于粒子的强剪切诱导升力。这一机制被 Saffman（J. Fluid Mech., vol. 22 (2), 1965, pp. 385--400）的升力模型很好地捕捉，而其他广泛使用的、更精细的、旨在将升力模型扩展至更宽粒子雷诺数范围的方法，实际上会低估此处所分析案例的近壁粒子速度波动幅度。