在泰勒-库埃特（Taylor–Couette）湍流中，静止惯性颗粒的沉降作用对流动结构及阻力的调节机制

《Journal of Fluid Mechanics》：Role of settling inertial particles in modulating flow structures and drag in Taylor–Couette turbulence

颗粒Stokes数和Froude数对Taylor-Couette湍流中拖拽调制的影响研究表明，轻颗粒的拖拽减少存在Fr最优值，而重颗粒在Fr?1增大时出现拖拽增强。流动结构从涡主导转变为颗粒诱导湍流，角速度输运变化导致拖拽效应反转。研究为工业离散相流动的阻力调控提供了新理论依据。

　　

摘要

在壁面湍流中，分散相颗粒对阻力影响的调节一直是长期研究的重点。本研究利用双向耦合的欧拉-拉格朗日方法，研究了颗粒斯托克斯数（$\textit{St}$）和弗劳德数（$\textit{Fr}$）对湍流泰勒-库埃特（TC）流动中阻力调节的影响。雷诺数（$\textit{Re}_i = r_i \omega _i d/\nu$）固定为3500。其中，$\textit{St}$ 表示颗粒惯性相对于流动时间尺度，而 $\textit{Fr}$ 描述了流动中重力沉降力与惯性力之间的平衡。对于轻质颗粒（$\textit{St}$ 较小），TC系统中的阻力会降低，并且这种降低与 $\textit{Fr}$ 的关系是非单调的。具体来说，随着重力沉降作用的增强（由 $\textit{Fr}$ 的倒数表征），阻力最初会减小，随后又会增加，这表明存在一个最佳 $\textit{Fr}$ 值以实现最大阻力降低。对于重质颗粒，也观察到了类似的非单调趋势，但在较大的 $\textit{Fr}^{-1}$ 值下阻力会显著增加。我们进一步通过将平流通量分解为相干泰勒涡旋和背景湍流波动的贡献，阐明了沉降颗粒在调节 TC 流动结构中的作用。在颗粒惯性和重力沉降作用适中时，颗粒会抑制泰勒涡旋的相干性，从而显著降低角速度传输，进而减少阻力。然而，随着颗粒惯性和重力沉降作用的增强，流动会发生突变。快速沉降的颗粒会破坏泰勒涡旋，使流动从以涡旋为主的状态转变为以颗粒诱导的湍流为主的状态。在颗粒诱导的湍流占主导的情况下，最初由圆柱壁附近的小尺度戈特勒涡旋和主体区域的大尺度泰勒涡旋传输的速度羽流，被沉降颗粒驱动的湍流波动带入主体区域，导致角速度传输增强，从而增加阻力。这些发现为工业应用中涉及壁面湍流中分散相的阻力调节提供了新的见解。

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