湍流 Taylor-Couette 流中惯性粒子的空间分布

本研究调查了湍流 Taylor-Couette 流中惯性粒子的空间分布。使用单向耦合的欧拉 - 拉格朗日方法进行了直接数值模拟，载流体的内壁雷诺数固定为 2500，而分散相的粒子 Stokes 数从 0.034 变化到 1。我们首先检查了粒子在外壁区域附近的优先集中问题。采用二维（2D）Voronoi 分析，我们观察到随着 $St$ 增加，粒子 clustering 现象显著，特别是在低流体速度区域尤为明显。此外，受 johnson 等人 (2020) 工作的启发，我们研究了浓度平衡方程，以考察粒子的径向分布。我们辨别了主要的影响来源，即偏差采样、湍流泳力和离心效应。在所有情况下，离心力都是主要的驱动力，导致粒子向外壁迁移。偏差采样主要影响较小的惯性粒子，由于在具有向内径向速度的 Taylor 涡内进行采样，驱使它们向内壁移动。相反，湍流泳力主要影响较大的惯性粒子，诱导其向两个壁面迁移，那里的湍流强度比主体区域弱。基于揭示的物理机制，我们的工作为预测和控制工业应用中的粒子运动和分布提供了基础。