湍流中颗粒与气泡聚集的三维拉格朗日Voronoi分析

利用数值模拟和实验数据，采用三维Voronoi分析来量化均匀各向同性湍流中惯性颗粒的聚集。我们研究了不同密度比和颗粒响应时间（即斯托克斯数St）下的聚集行为。轻颗粒和重颗粒的Voronoi胞体积的概率密度函数（PDF）表现出与随机分布颗粒（即流体示踪剂）不同的行为，表明存在聚集。使用相对于随机分布颗粒归一化的PDF标准差来量化聚集程度。轻颗粒在St约为1-2时表现出最大聚集。结果与先前采用其他方法量化聚集的研究一致。我们还给出了涡量和Voronoi体积的联合PDF及其拉格朗日自相关。轻颗粒的小Voronoi体积对应涡量高于重颗粒的区域，表明轻颗粒聚集在更高涡量的区域。Voronoi体积的拉格朗日时间自相关函数表明，轻颗粒的聚集持续时间远长于重颗粒或中性浮力颗粒。由于惯性效应，聚集轻颗粒的拉格朗日自相关时间尺度甚至比流场本身的涡量自相关时间尺度更长。