重力对湍流中气泡-粒子碰撞的影响

湍流中气泡-粒子碰撞是浮选工艺中的关键环节，后者广泛用于分离疏水性与亲水性材料。在先前研究（Chan 等，J. Fluid Mech., vol. 959, 2023, A6）中，我们阐明了碰撞机制并对无重力情形下的碰撞模型进行了批判性综述。实际情况下，重力可能起作用，因为最终的分离是通过浮力引起的气泡上升实现的。该效应已被包含在若干碰撞模型中，但由于缺乏可靠数据，这些模型尚未得到充分验证。因此，我们采用点粒子近似，对湍流中气泡和粒子进行直接数值模拟，考察了 various Stokes 数、Froude 数、Reynolds 数和粒子密度比对气泡-粒子碰撞的影响。总体而言，湍流相对于纯相对沉降情况提高了碰撞速率，这主要是通过增加碰撞速度实现的。意外的是，对于某些参数条件，湍流下的碰撞速率反而低于无湍流情况，这与历史力无关，这是由于湍流引起的气泡-粒子空间分区所致；当重力效应变得更为突出时，分区现象最为常见且减弱，同时湍流中气泡的滑移速度也被降低。现有的气泡-粒子碰撞模型仅能定性地捕捉我们数值数据中的趋势。为改进此情况，我们将 Dodin & Elperin（Phys. Fluids, vol. 14, no. 8, 2002, pp.2921-2924）的模型扩展至气泡-粒子情形，发现当历史力可忽略且考虑分区时，模型对小 Stokes 数情况下的结果与数值模拟具有良好的定量一致性。