Generalized sweep-stick mechanism of inertial-particle clustering in turbulence
Generalized sweep-stick mechanism of inertial-particle clustering in turbulence
复制标题
湍流中惯性粒子聚集的广义扫棒机制
DOI：
10.1103/physrevfluids.6.044605
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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Susumu Goto
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Sunao Oka;Susumu Goto
惯性粒子，即小重粒子，即使在统计上均匀的湍流中也可能不均匀分布并形成簇。当湍流雷诺数足够高，使得不同长度和时间尺度的相干结构共存时，当粒子速度弛豫时间在惯性范围时间尺度内时，粒子通过相干结构的作用形成团簇。一般来说，斯托克斯数（无量纲弛豫时间）越大，由此形成的簇也越大。我们提出了一种客观描述惯性范围内相干结构作用所产生的粒子簇的方法。为此，我们推广了扫杆机制[S. Goto 和 J. C. Vassilicos，物理学家。莱特牧师。 100, 054503 (2008)PRLTAO0031-900710.1103/PhysRevLett.100.054503] 用湍流的粗粒度加速场来表达二维片状簇。广义机制还预测簇的厚度，这取决于粒子弛豫时间、加速度梯度的大小和相干流结构的寿命。对泰勒长度雷诺数约为 740 的周期性立方体中充分发展的湍流的直接数值模拟支持了所提出的机制。
Inertial particles, i.e., small heavy particles, can inhomogeneously distribute and form clusters even in statistically homogeneous turbulence. When the Reynolds number of turbulence is sufficiently high so that coherent structures with various length and time scales coexist, particles form clusters by the action of the coherent structures when the particle velocity relaxation time is in the inertial-range time scales. In general, thus formed clusters are larger for larger Stokes numbers (the nondimensional relaxation time). We propose a method to objectively describe the particle cluster created by the action of coherent structures in the inertial range. For this purpose, we generalize the sweep-stick mechanism [S. Goto and J. C. Vassilicos, Phys. Rev. Lett. 100, 054503 (2008)PRLTAO0031-900710.1103/PhysRevLett.100.054503] to express two-dimensional sheetlike clusters in terms of the coarse-grained acceleration field of turbulence. The generalized mechanism also predicts the thickness of the clusters, which depends on the particle relaxation time, the magnitude of acceleration gradients, and the lifetime of coherent flow structures. The direct numerical simulations of fully developed turbulence in a periodic cube with the Taylor-length Reynolds number being about 740 support the proposed mechanism.
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