含液滴湍流中的多分散碰撞核及其对降雨形成的影响

暖云中液滴的碰撞核对于天气和气候模型中降水的参数化至关重要。然而,其准确表示仍然是一个挑战,特别是在瓶颈范围$15\,\mu\text{m}<r<40\,\mu\text{m}$内,湍流被认为对液滴增长有显著贡献。在这项工作中,我们通过直接数值模拟悬浮在雷诺数高达$Re_\lambda=418$的三维湍流中的多分散惯性粒子来解决这个问题。在斯托克斯数范围$St\in[0.02,2]$内编译了液滴对的碰撞统计数据,生成了碰撞核、径向相对速度和接触处径向分布函数的全面双分散图谱。我们的分析表明,多分散性通过差异采样增强了轻液滴之间的碰撞,但通过迅速减少液滴簇的空间重叠来衰减较大斯托克斯数下的碰撞。通过基准测试现有模型,我们表明主要的双分散误差源于对跨物种聚集的过高估计。鉴于这些结果,我们提出了一个适用于双分散径向分布函数的改进模型,以及一个相关的碰撞核的新参数化方案,适用于瓶颈范围内具有小沉降速度的最小液滴。最后,我们研究了由于碰撞-聚并导致的液滴尺寸分布展宽,并证明液滴增长在局部耗散率大的区域显著加速,支持了湍流间歇性可能有助于克服瓶颈障碍的假设。