湍流中沉降双分散颗粒的小尺度动力学

我们使用直接数值模拟（DNS）研究各向同性湍流中沉降双分散颗粒的动力学。与先前研究一致，我们发现无重力时（即 $Fr=\infty$，其中 $Fr$ 为弗劳德数），双分散性导致相对速度增强，并抑制其空间聚集。对于 $Fr<1$，如预期那样，双分散颗粒的差速沉降增强了重力方向上的相对速度。然而，我们还发现重力会强烈增强“水平”方向（即垂直于重力的平面）上的相对速度。这一非平凡行为的发生是因为快速沉降颗粒在其轨迹上经历流体速度场的快速涨落，导致颗粒加速度和相对速度增强。事实上，结果表明即使当 $Fr\ll1$ 时，湍流仍可能发挥重要作用，不仅影响水平运动，也影响颗粒的垂直运动，这对理解湍流中沉降双分散颗粒的混合速率具有重要意义。我们还发现重力急剧减少了双分散颗粒的聚集。这些结果与单分散情况截然不同，最近研究表明当 $Fr<1$ 时，重力强烈抑制各方向的相对速度，并可能增强聚集。我们随后考虑了这些结果对湍流中沉降双分散颗粒碰撞速率的影响。我们发现对于 $Fr=0.052$，碰撞核几乎完全由静止流中双分散颗粒沉降的碰撞核预测，因此湍流效应可忽略……