随机填充多孔介质中向湍流的转捩：涡结构的尺度估计

多孔介质中涡流的孔隙尺度观测在许多自然与工业系统中是一项重大挑战。基于孔隙雷诺数 $Re_p$，涡结构动力学被认为是多孔介质转捩区的驱动机制。为检验这一论断，我们设计了一种折射率匹配的随机填充多孔介质，利用二维时间分辨粒子图像测速（PIV）测量从非定常层流到湍流转捩过程中涡流结构的尺度。采用 $Re_p$ 从 100 到 948 的平面 PIV 数据，通过两种不同标度（i）宏观（全局）$Re_p$ 与（ii）微观（局部）$Re_{\langle p\rangle}$ 来量化尺度的大小、强度和数密度。通过采用旋涡强度、涡核及增强旋涡强度等涡识别方法对涡尺度进行直接测量。这些尺度与湍流积分尺度进行比较。在中等非定常层流雷诺数（$Re_p <300$）下观察到剪切主导的涡结构，而在弱湍流雷诺数（$Re_p>500$）下出现旋涡主导的流动结构。从宏观角度看，增加 Rep 导致：（i）涡结构尺寸减小并渐近至全局水力直径的 20$\%$；（ii）涡强度增长；（iii）涡平均数密度增加。从孔隙尺度（局部）角度看，增加 $Re_{\langle p\rangle}$ 导致涡结构尺寸单调减小，（ii）涡强度上升，以及（iii）涡结构数密度不变。这些发现表明在转捩区涡流动结构的尺度存在孔隙尺度与宏观尺度的耦合。