自掺气明渠流中湍流波与气泡扩散的关联：双态含气浓度
流体动力学
2023-07-20 v2
摘要
当弗劳德数较高的水流中湍流的不稳定作用超过重力和表面张力时，水流会发生自掺气。传统上，由此产生的含气浓度剖面一直使用单层方法来解释，这类方法借助水中空气的对流-扩散方程（即气泡的分散）的解。基于广泛的实验证据，我们认为完整的含气浓度剖面应通过不同典型湍流之间的弱相互作用来解释，即湍流边界层（TBL）和湍流波动层（TWL）。受将流向速度分解为纯壁面流和自由来流[Krug et al., J. Fluid Mech. (2017), vol. 811, pp. 421--435]的启发，我们提出了一种物理上自洽的自掺气水流结构双态表述。含气浓度在数学上构建于修正的劳斯剖面和高斯误差函数之上，分别类似于 TBL 和 TWL 中的垂向质量输运。我们将含气浓度理论应用于来自不同数据集的超过 500 个剖面，表现出极好的一致性。最后，我们表明表征动量-质量传递的湍流施密特数介于 0.2 到 1 之间，这与先前 TBL 中的质量传递实验一致。总之，所提出的流动概念化为自掺气流中湍流质量扩散的更具物理基础的数值模拟奠定了基础。
引用
@article{arxiv.2305.17354,
title = {Linking turbulent waves and bubble diffusion in self-aerated open-channel flows: Two-state air concentration},
author = {Matthias Kramer and Daniel Valero},
journal= {arXiv preprint arXiv:2305.17354},
year = {2023}
}
备注
17 pages, 7 figures