壁面剪切热湍流中粒子输运与沉积

我们研究了在受 Couette 型壁面剪切作用的瑞利-巴克斯顿对流单元中点粒子的输运与沉积行为。进行了达尔文数 ($Ra$) 在 $10^7 \leq Ra \leq 10^9$ 范围内、普朗特数 $Pr = 0.71$ 固定的直接数值模拟 (DNS)，而壁面剪切雷诺数 ($Re_w$) 在 $0 \leq Re_w \leq 12000$ 范围内。随着 $Re_w$ 的增加，大尺度卷流水平扩展，演化为二维模拟中的横向流或三维模拟中的流向卷流。我们观察到，对于小斯特文数 ($St$) 的粒子，它们要么在浮力主导时在大尺度卷流内循环，要么在剪切主导时靠近壁面漂移。对于中等 $St$ 粒子，无论流态如何，都观察到显著的空间非均匀性和局部聚集。对于大 $St$ 粒子，湍流流动结构对粒子运动影响较小；尽管仍发生聚集，但壁面剪切对其影响可忽略不计。我们随后给出沉积曲线，以量化壁面上的粒子沉积比。我们的 DNS 结果与之前的理论预测一致，该预测指出小 $St$ 粒子以指数型沉积比下降，大 $St$ 粒子以线性沉积比下降。对于中等 $St$ 粒子，由于粒子-湍流相互作用复杂，我们发展了新的模型描述其沉积过程，该模型包含初始线性阶段随后跟随非线性阶段。我们模型中的未知参数可通过拟合沉积曲线或使用经验关系来确定。与 DNS 结果相比，我们的模型在各种 $Re_w$ 下对宽范围 $St$ 的平均居留时间也具有准确的预测能力。