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Optimization of particle–bubble collision dynamics in turbulence via clustering algorithms and microscale vortex enrichment analysis

物理 微尺度化学 湍流 涡流 气泡 碰撞 聚类分析 粒子(生态学) 统计物理学 经典力学 机械 计算流体力学 算法 人工智能 海洋学 地质学 计算机科学 数学教育 计算机安全 数学
作者
Xuesong Yang,Qinshan Liu,Yunlin Wang,Bobo Zhou,Zhe Li,Lei Wang,Yaowen Xing,Xiahui Gui
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (10)
标识
DOI:10.1063/5.0230955
摘要

The interaction dynamics between particles and bubbles in turbulent flow fields are crucial for optimizing multiphase flow systems. In this work, direct numerical simulation is combined with advanced K-means++ clustering algorithms to quantify the spatial distribution and enrichment effects of particle–bubble clusters under different turbulence conditions. The results indicate that the Stokes number increases with particle and bubble size, demonstrating stronger inertial effects, but decreases with higher turbulence intensity. Radial relative velocity and collision frequency also exhibit a positive correlation with size and turbulence intensity. Clustering analysis reveals that larger particles and bubbles form more pronounced clusters, particularly in high turbulence conditions, leading to higher local densities and interaction frequencies. Overlap ratios suggest increased interactions with growing size and turbulence intensity. These findings highlight the importance of optimizing particle and bubble sizes to match specific turbulence conditions, enhancing interaction dynamics in multiphase flow systems. This research provides valuable insights for improving various industrial processes involving particle–bubble interactions.

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