湍流云中颗粒碰撞、相对运动与聚集的复杂关联：计算观测与理论
流体动力学
2022-07-14 v5
摘要
考虑含小惯性颗粒的湍流云，我们研究颗粒碰撞（特别是碰撞-凝聚）对颗粒聚集与颗粒相对运动的影响。我们在小斯托克斯数（St=0.001-0.54）区对各向同性湍流流场中的凝聚颗粒进行直接数值模拟（DNS），发现由于碰撞-凝聚，径向分布函数（RDF）在尺度 r∼d（其中 d 为颗粒直径）处急剧下降至小而有限的值，而颗粒相对速度的径向分量均值（MRV）的绝对值急剧增大。基于先前提出的 Fokker-Planck（漂移-扩散）框架，我们推导出颗粒碰撞-凝聚率、RDF 与 MRV 之间关系的理论描述。该理论包含了早期平均场理论中所缺失的湍流涨落贡献。我们通过数值表明该理论能准确解释 DNS 结果（即给定准确的 RDF，理论可给出准确的 MRV）。此外，我们还提出一个可直接预测 MRV 的现象学模型，发现当其利用流体速度四阶矩标定时是准确的。我们利用该模型导出 RDF 的通用解。我们揭示了一个悖论：该理论微分形式过去的经验成功在理论上缺乏依据。当重力沉降参数（S_g）为 O(1) 量级时，我们观察到 RDF（与 MRV）进一步的保形缩减。我们的结果表明 RDF 与 MRV 之间存在强耦合，并意味着早期仅针对 RDF 或 MRV 的孤立研究对预测颗粒碰撞率意义有限。
引用
@article{arxiv.2103.00184,
title = {Intricate Relations Among Particle Collision, Relative Motion and Clustering in Turbulent Clouds: Computational Observation and Theory},
author = {Ewe-Wei Saw and Xiaohui Meng},
journal= {arXiv preprint arXiv:2103.00184},
year = {2022}
}