Collision rate of bidisperse, hydrodynamically interacting spheres settling in a turbulent flow
Collision rate of bidisperse, hydrodynamically interacting spheres settling in a turbulent flow
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湍流中沉降的双分散、流体动力学相互作用球体的碰撞率
DOI：
10.1017/jfm.2020.1113
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发表时间：
2021
影响因子：
3.7
通讯作者：
Koch, Donald L.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Dhanasekaran, Johnson;Roy, Anubhab;Koch, Donald L.
研究了具有可忽略惯性的亚柯尔莫哥洛夫球在湍流中沉降的稀多分散悬浮液中的碰撞，并通过流体力学包括近距离连续击穿进行相互作用。在没有重力的情况下，理想碰撞率的统计显著下降是通过拉格朗日随机速度梯度模型解决的，该模型的泰勒微尺度雷诺数大于当前直接数值模拟能力所能达到的。这是由平均向内速度和均方根粒子相对速度之间的差异引起的。微分沉降与湍流剪切相对速度相当，但对速度梯度采样的影响最小，减小了雷诺数依赖性，提高了理想碰撞率，即无相互作用的碰撞率。碰撞速率被球对之间的流体动力相互作用所延缓，并受非连续润滑和大间距下的全连续流体动力相互作用的控制。碰撞效率（实际碰撞率与理想碰撞率之比）取决于微分沉降和湍流剪切的相对强度、相互作用球体的大小比和克努森数（定义为气体的平均自由路径与相互作用球体的平均半径之比）。我们开发了一种解析近似，以简明地报告跨参数空间的计算结果。这种精确的封闭形式表达式可能是计算诸如云中的水滴或工业聚合器中具有商业价值的产品的尺寸分布演变的关键组成部分。
The collisions in a dilute polydisperse suspension of sub-Kolmogorov spheres with negligible inertia settling in a turbulent flow and interacting through hydrodynamics including continuum breakdown on close approach are studied. A statistically significant decrease in ideal collision rate without gravity is resolved via a Lagrangian stochastic velocity-gradient model at Taylor microscale Reynolds number larger than those accessible by current direct numerical simulation capabilities. This arises from the difference between the mean inward velocity and the root-mean-square particle relative velocity. Differential sedimentation, comparable to the turbulent shear relative velocity, but minimally influencing the sampling of the velocity gradient, diminishes the Reynolds number dependence and enhances the ideal collision rate i.e. the rate without interactions. The collision rate is retarded by hydrodynamic interactions between sphere pairs and is governed by non-continuum lubrication as well as full continuum hydrodynamic interactions at larger separations. The collision efficiency (ratio of actual to ideal collision rate) depends on the relative strength of differential sedimentation and turbulent shear, the size ratio of the interacting spheres and the Knudsen number (defined as the ratio of the mean-free path of the gas to the mean radius of the interacting spheres). We develop an analytical approximation to concisely report computed results across the parameter space. This accurate closed form expression could be a critical component in computing the evolution of the size distribution in applications such as water droplets in clouds or commercially valuable products in industrial aggregators.
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