[论文解读] Enhanced dispersion of big bubbles in turbulence

Varghese Mathai, Sander G. Huisman+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2018

Particle Dynamics in Fluid Flows被引用 2

一句话总结

本研究揭示，在均匀各向同性湍流中，毫米级空气泡由于非定常尾迹诱导运动导致弥散增强，其从弹道行为向扩散行为的转变比流体示踪物提前一个数量级。该转变由气泡的涡旋穿越时间决定，而非湍流积分时间尺度，为湍流气液两相流中的混合提供了拉格朗日机制。

ABSTRACT

Bubbles play an important role in the transport of chemicals and nutrients in many natural and industrial flows. Their dispersion is crucial to understand the mixing processes in these flows. Here we report on the dispersion of millimetric air bubbles in a homogeneous and isotropic turbulent flow with Reynolds number $ ext{Re}_\lambda \in [110,310]$. We find that the mean squared displacement (MSD) of the bubbles far exceeds that of fluid tracers in turbulence. The MSD shows two regimes. At short times, it grows ballistically ($\propto au^2$), while at larger times, it approaches the diffusive regime where MSD $\propto au$. Strikingly, for the bubbles, the ballistic-to-diffusive transition occurs one decade earlier than for the fluid. We reveal that both the enhanced dispersion and the early transition to the diffusive regime can be traced back to the unsteady wake-induced-motions of the bubbles. Further, the diffusion transition for bubbles is not set by the integral time scale of the turbulence (as it is for fluid tracers and microbubbles), but instead, by a timescale of eddy-crossing of the rising bubbles. The present findings provide a Lagrangian perspective towards understanding the mixing in turbulent bubbly flows.

研究动机与目标

• 理解毫米级空气泡在湍流中弥散机制的重要性，这对营养物质和化学物质的输运至关重要。
• 确定为何在湍流环境中气泡弥散超过流体示踪物。
• 确定控制气泡轨迹从弹道行为向扩散行为转变的物理时间尺度。
• 澄清该转变是否由湍流积分时间尺度（如示踪物一样）控制，还是由气泡特异性动力学控制。
• 提供一个拉格朗日框架，以解释湍流气液两相流中混合增强的机制。

提出的方法

• 在雷诺数 Reλ ∈ [110, 310] 的均匀各向同性湍流中开展实验，研究气泡弥散行为。
• 采用拉格朗日粒子追踪技术跟踪单个毫米级空气泡，测量其随时间变化的均方位移（MSD）。
• 分析MSD随时间的演化，以识别弹道行为（∝ τ²）和扩散行为（∝ τ）阶段。
• 将气泡弥散动力学与流体示踪物和微气泡进行比较，以分离尾迹诱导运动的作用。
• 确定上升气泡的涡旋穿越时间尺度是弹道-扩散转变的关键决定因素。
• 以非定常尾迹动力学为物理基础，解释弥散增强及向扩散转变的提前。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何毫米级气泡的均方位移（MSD）在湍流中超过流体示踪物？
• RQ2 控制气泡轨迹从弹道行为向扩散行为转变的物理时间尺度是什么？
• RQ3 气泡的非定常尾迹诱导运动如何影响其在湍流中的弥散？
• RQ4 气泡的弹道-扩散转变是否由湍流积分时间尺度控制，如同流体示踪物一样？
• RQ5 气泡上升与涡旋穿越动力学在增强湍流气液两相流中混合方面起什么作用？

主要发现

• 毫米级气泡的均方位移（MSD）在所有时间尺度上均超过流体示踪物，表明弥散增强。
• 气泡MSD在短时间呈现弹道行为（∝ τ²），在长时间趋于扩散行为（∝ τ）。
• 气泡的弹道-扩散转变比流体示踪物提前一个数量级，表明扩散行为更早开始。
• 该提前转变并非由湍流积分时间尺度控制，而是由上升气泡的涡旋穿越时间尺度决定。
• 非定常尾迹诱导运动被确定为弥散增强及向扩散提前转变的主要驱动力。
• 研究结果基于气泡特异性动力学而非流体示踪物标度，建立了一种湍流气液两相流中混合增强的拉格朗日机制。