Particle transport in a turbulent pipe flow: direct numerical simulations, phenomenological modelling and physical mechanisms

湍流 机械 直接数值模拟 物理 颗粒流 粒子(生态学) 阻力 平流 斯托克斯数 对流扩散方程 经典力学 雷诺数 热力学 地质学 海洋学
作者
Tony Zahtila,Leon Chan,Andrew Ooi,Jimmy Philip
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:957 被引量:7
标识
DOI:10.1017/jfm.2022.987
摘要

In particle-laden turbulent wall flows, transport of particles towards solid walls is phenomenologically thought to be governed by the wall-normal turbulence intensity supporting the underlying particle–eddy interactions that are usually modelled by a combination of turbophoresis and turbulent diffusion. We estimate the turbophoretic and turbulent diffusive coefficients as a function of wall-normal coordinate directly from a generated direct numerical simulation (DNS) database of low volume fraction point particles in a turbulent pipe flow. These coefficients are then used in an advection–diffusion equation to estimate the particle concentration as a function of wall-normal distance and time, with favourable comparison against DNS for smaller Stokes number ( $St^+$ ) particles suggesting a limitation of the common gradient diffusion hypothesis for larger $St^+$ particles. Using DNS we explore the non-trivial effects of $St^+$ , pipe wall condition (particle absorbing or elastic) as well as the influence of drag and lift force on the velocity and particle statistics giving rise to different particle concentrations. We then appraise various Eulerian-based models of turbophoretic and turbulent diffusive coefficients and, finally, use physical insights from Lagrangian correlation times, conditional quadrant analysis and flow topology to shed further light on the particle transport as a function of various parameters and the limits of gradient diffusion hypothesis.

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