各向同性湍流内颗粒碰撞率的直接模拟研究

摘要

对Reλ约为51均匀各向同性湍流内Stk(=τp/τk)为0～10.0的有限惯性颗粒的碰撞行为进行了直接数值模拟,以研究湍流对有限惯性颗粒碰撞的影响.结果表明,具有一定惯性颗粒的湍流碰撞率完全不同于零惯性的轻颗粒(Stk=0)和可忽略湍流作用的重颗粒(Stk→∞),其变化趋势极其复杂:在Stk为0～1.0之间,颗粒的碰撞率随St的增加而近乎线性地剧烈增长,在Stk≈1.0和3.0(对应的StE=τp/Te≈0.5)附近,颗粒碰撞率出现两个峰值,在Stk＞3.0以后,颗粒的碰撞率随惯性增大而逐渐趋向于重颗粒极限;在峰值处,有限惯性颗粒的平均碰撞率的峰值较轻颗粒增强了30倍左右.为进一步分析湍流作用下颗粒碰撞率的影响因素,分别使用可能发生碰撞的颗粒对的径向分布函数和径向相对速度来量化颗粒的局部富集效应和湍流掺混效应,表明Stk≈1.0时局部富集效应最为强烈,使得颗粒的碰撞率出现第1个峰值;湍流掺混效应则随着颗粒Stk的增大而渐近增大;局部富集和湍流掺混联合作用的结果,使得颗粒碰撞率在Stk≈3.0附近出现另一个峰值.