多分散液滴输运欧拉大涡模拟中已分辨与亚网格尺度的轨迹穿越效应

我们利用大涡模拟（LES）研究了湍流射流中轻微带浮力液滴的弥散特性。液滴数密度场采用欧拉方法表示，离散相使用 Fast-Eulerian 方法（Ferry & Balachandar 2001）建模，该方法包含液滴上升速度。我们分析了不同尺寸液滴的径向浓度分布和湍流浓度通量，以量化“轨迹穿越效应”，即颗粒与湍流涡之间的相对运动倾向于减小湍流扩散。对于较精细的 LES 网格分辨率，模型捕捉到液滴基于尺寸的差异性弥散特性，较大尺寸液滴的横向弥散受到抑制，因为轨迹穿越效应在 LES 中被显式解析。我们基于 Csanady 1963 提出的大气中颗粒湍流扩散理论导出的修正施密特数，检验了尺寸相关径向浓度分布的相似解模型。结果经高分辨率 LES 数据验证，显示出良好一致性。随后，将该尺寸相关施密特数模型重新表述为针对未解析亚网格尺度轨迹穿越效应的模型，并用于计算湍流射流粗网格 LES 中的亚网格浓度通量，其中轻微带浮力液滴在射流自相似区的中心线上注入。结果与更高网格分辨率的模拟以及采用常数施密特数 SGS 模型的粗模拟进行比较。我们发现，该亚网格模型提高了粗 LES 中浓度分布和湍流浓度通量的预测精度。