Instability of a dusty vortex
Instability of a dusty vortex
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尘埃涡旋的不稳定性
DOI：
10.1017/jfm.2022.687
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发表时间：
2022
影响因子：
3.7
通讯作者：
Kasbaoui, M. Houssem
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Shuai, Shuai;Jeswin Dhas, Darish;Roy, Anubhab;Kasbaoui, M. Houssem
本文研究了半稀尘流中分散在有限半径圆块上的惯性粒子对二维朗肯涡稳定性的影响。与不存在不稳定模式的无粒子情况不同，我们表明来自粒子的反馈力触发了一种新的不稳定模式。利用弱惯性粒子的线性稳定性分析表征了驱动不稳定性的机制，并进一步通过欧拉-拉格朗日模拟进行了验证。结果表明，当质量载荷增大时，载粒子涡总是不稳定的。当粒子为惯性时，低于临界质量载荷的模态变得不稳定，而高于临界质量载荷的模态仍然不稳定，但与非惯性情况相比增长率较低。与欧拉-拉格朗日模拟的比较表明，模拟计算的增长率与理论预测吻合较好。在线性阶段之后，我们观察到高波数模式的出现，这些模式变成了浓缩粒子从核心散发出来的螺旋臂，而无粒子流的区域则被吸向内部。涡度场表现出类似的模式，导致初始朗肯结构的破坏。这种尘埃涡旋的新不稳定性突出了来自分散相的反馈力是如何导致原本具有弹性的涡旋结构的崩溃的。
We investigate the effect of inertial particles dispersed in a circular patch of finite radius on the stability of a two-dimensional Rankine vortex in semi-dilute dusty flows. Unlike the particle-free case where no unstable modes exist, we show that the feedback force from the particles triggers a novel instability. The mechanisms driving the instability are characterized using linear stability analysis for weakly inertial particles and further validated against Eulerian–Lagrangian simulations. We show that the particle-laden vortex is always unstable if the mass loading increases. When particles are inertial, modes that fall below the critical mass loading become unstable, whereas modes above it remain unstable but with lower growth rates compared with the non-inertial case. Comparison with Eulerian–Lagrangian simulations shows that growth rates computed from simulations match well the theoretical predictions. Past the linear stage, we observe the emergence of high-wavenumber modes that turn into spiralling arms of concentrated particles emanating out of the core, while regions of particle-free flow are sucked inward. The vorticity field displays a similar pattern which leads to the breakdown of the initial Rankine structure. This novel instability for a dusty vortex highlights how the feedback force from the disperse phase can induce the breakdown of an otherwise resilient vortical structure.
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DOI：
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发表时间：
2005
期刊：
影响因子：
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作者：
J. Marshall
通讯作者：
J. Marshall
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发表时间：
2005
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通讯作者：
C. Ziegler
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作者：
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通讯作者：
U. Kurzweg
DOI：
10.1098/rsta.1979.0003
发表时间：
1979
期刊：
Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences
影响因子：
--
作者：
通讯作者：
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DOI：
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发表时间：
1994
期刊：
影响因子：
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作者：
O. Druzhinin
通讯作者：
O. Druzhinin