[论文解读] Slip-velocity and drag of large neutrally-buoyant particles in turbulent flows

Gabriele Bellani, Evan Variano|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2012

Particle Dynamics in Fluid Flows被引用 1

一句话总结

本文提出了一种简化的随机滑移速度定义，用于模拟湍流中大尺寸的中性浮力颗粒，避免了复杂的滤波或条件平均。结果表明，当颗粒接近泰勒微尺度时，相应的雷诺数超过1，表明存在非线性滤波行为，颗粒速度统计特性显示其相对于流体速度脉动表现出强烈的非线性。

ABSTRACT

We discuss possible definitions for a stochastic slip velocity that describes the relative motion between large particles and a turbulent flow. This definition is necessary because the slip velocity used in the standard drag model fails when particle size falls within the inertial subrange of ambient turbulence. We propose two definitions, selected in part due to their simplicity: they do not require filtration of the fluid phase velocity field, nor do they require the construction of conditional averages on particle locations. A key benefit of this simplicity is that the stochastic slip velocity proposed here can be calculated equally well for laboratory, field, and numerical experiments. The stochastic slip velocity allows the definition of a Reynolds number that should indicate whether large particles in turbulent flow behave (a) as passive tracers; (b) as a linear filter of the velocity field; or (c) as a nonlinear filter to the velocity field. We calculate the value of stochastic slip for ellipsoidal and spherical particles (the size of the Taylor microscale) measured in laboratory homogeneous isotropic turbulence. The resulting Reynolds number is significantly higher than 1 for both particle shapes, and velocity statistics show that particle motion is a complex non-linear function of the fluid velocity. We further investigate the nonlinear relationship by comparing the probability distribution of fluctuating velocities for particle and fluid phases.

研究动机与目标

• 解决当颗粒尺寸进入湍流惯性子区时标准阻力模型失效的问题。
• 提出一种避免对流体速度进行滤波或计算条件平均的滑移速度定义。
• 实现实验室、现场和数值模拟研究中滑移速度计算的一致性。
• 基于滑移速度定义雷诺数，以分类颗粒响应为被动示踪物、线性滤波器或非线性滤波器。

提出的方法

• 基于简洁性和计算可行性，提出两种候选的随机滑移速度定义。
• 利用均匀各向同性湍流实验中的粒子追踪数据，直接从颗粒和流体速度测量中计算滑移速度。
• 基于随机滑移速度定义雷诺数，以对颗粒动力学进行分类。
• 比较颗粒相与流体相速度脉动的概率分布，以评估非线性程度。
• 将该方法应用于尺寸接近泰勒微尺度的球形和椭球形颗粒。
• 在无需额外滤波或统计条件化处理的情况下，验证该方法在实验数据上的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖流体速度滤波或条件平均的前提下，为大尺寸中性浮力颗粒在湍流中定义滑移速度？
• RQ2 基于所提出的随机滑移速度的雷诺数是多少？它对颗粒动力学意味着什么？
• RQ3 颗粒速度响应与流体速度相比，在非线性方面有何差异？
• RQ4 球形和椭球形颗粒在其运动中是否表现出相似的滑移行为和非线性特征？
• RQ5 所提出的滑移速度定义能否在实验室、现场和数值实验中保持一致应用？

主要发现

• 所提出的随机滑移速度定义避免了滤波和条件平均，使其在实验和模拟设置中具有广泛适用性。
• 对于接近泰勒微尺度的球形和椭球形颗粒，基于滑移速度的雷诺数显著大于1。
• 速度统计结果表明，颗粒运动是流体速度场的复杂非线性函数。
• 颗粒速度脉动的概率分布与流体显著不同，证实了非线性滤波行为。
• 滑移速度定义成功捕捉了颗粒响应中的非线性特征，表明颗粒并非表现为被动示踪物或简单线性滤波器。
• 该方法具有鲁棒性，可直接应用于真实实验数据，无需预处理步骤如速度场滤波。