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Caustics in turbulent aerosols: an excitable system approach

Barta, Robin und Vollmer, Jürgen (2022) Caustics in turbulent aerosols: an excitable system approach. Journal of Fluid Mechanics, 949 (A36), Seiten 1-23. Cambridge University Press. doi: 10.1017/jfm.2022.767. ISSN 0022-1120.

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Offizielle URL: https://doi.org/10.1017/jfm.2022.767

Kurzfassung

Aerosol particles are inertial particles. They cannot follow the surrounding fluid in a region of high vorticity. These encounters render the particle velocity field v locally compressible. Caustics occur if the trace of the gradient matrix \sigma of the field v locally diverges. For three-dimensional isotropic and homogeneous turbulence, the dynamics of the gradient matrix can be expressed in terms of three geometric invariants. In the present paper we establish a parametrisation of this problem where the dynamics takes the form of an excitable stochastic dynamical system with a three-dimensional phase space. The deterministic part of the dynamics is solved analytically. We show that the deterministic system has a globally attractive stable fixed point. Small noise induces excursions from the fixed point that typically relax straight back towards the fixed point. Caustics emerge as non-trivial return to a global fixed point when noise excites a trajectory across a stability threshold. The relaxation to the global fixed point will then involve at least one, and it may involve two or even three divergences of Tr \sigma. Based on a combination of analytical insights and numerical analysis, we determine the rate of occurrence, duration and relative observation probability of caustic events in turbulent aerosols. Our analysis reveals that each approach towards a divergence proceeds along a straight line in the phase space of the dynamical system, which can help identify caustics. Moreover, there are infinite ways in which caustics can arise, namely whenever Tr \sigma tends to negative infinity, so that no two caustics look the same.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/188642/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Caustics in turbulent aerosols: an excitable system approach
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Barta, Robinrobin.barta (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-8882-5864NICHT SPEZIFIZIERT
Vollmer, JürgenUni Leipzighttps://orcid.org/0000-0002-8135-1544NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:25 Oktober 2022
Erschienen in:Journal of Fluid Mechanics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:949
DOI:10.1017/jfm.2022.767
Seitenbereich:Seiten 1-23
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
NICHT SPEZIFIZIERTCambridge University PressNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Cambridge University Press
ISSN:0022-1120
Status:veröffentlicht
Stichwörter:aerosols/atomisation, isotropic turbulence , excitable systems
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Verkehr
HGF - Programmthema:Schienenverkehr
DLR - Schwerpunkt:Verkehr
DLR - Forschungsgebiet:V SC Schienenverkehr
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):V - RoSto - Rolling Stock
Standort: Göttingen
Institute & Einrichtungen:Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Bodengebundene Fahrzeuge
Hinterlegt von: Barta, Robin
Hinterlegt am:18 Okt 2022 15:06
Letzte Änderung:21 Sep 2023 12:46

Verfügbare Versionen dieses Eintrags

  • Caustics in turbulent aerosols: an excitable system approach. (deposited 18 Okt 2022 15:06) [Gegenwärtig angezeigt]

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