Clustering and preferential sampling in homogeneous shear turbulence

Direct numerical simulations of inertial-particle dynamics in homogeneous shear turbulence are performed to investigate particle clustering and the mechanisms underlying preferential concentration. Particle motion is described by the full Maxey-Riley-Gatignol equation, including the Basset history force, enabling an explicit assessment of memory effects. Simulations are conducted for Stokes numbers St=[0.1,0.5,1] and particle-to-fluid density ratios ρp/ρf=[10,100], allowing systematic exploration of inertia- and density-dependent behavior. Clustering intensity increases with particle inertia and is predominantly localized at dissipative scales, where particles preferentially sample strain-dominated regions while avoiding strong vortical structures. Mean shear induces pronounced anisotropy in particle distributions and cluster orientation, yet does not inhibit clustering or its multi-scale character. Voronoï analysis reveals self-similar cluster size distributions exhibiting power-law scaling and nearly constant internal particle concentration across a broad range of cluster sizes, indicating scale-invariant aggregation dynamics. Cluster morphology is characterized by elongated shapes and displays a high degree of universality, with only weak dependence on Stokes number and density ratio, consistent with previous findings in homogeneous isotropic turbulence. The inclusion of the Basset history force systematically reduces clustering intensity, smooths cluster geometry, and alters particle penetration into high-enstrophy regions. These results demonstrate that inertial-particle clustering in homogeneous shear turbulence arises from the interplay between dissipative-scale dynamics, shear-induced anisotropy, and non-local memory effects, leading to robust yet strongly structured particle organization across scales.

Vengono eseguite simulazioni numeriche dirette della dinamica delle particelle inerziali in turbolenza di taglio omogenea per studiare il raggruppamento delle particelle e i meccanismi alla base della concentrazione preferenziale. Il moto delle particelle è descritto dall'equazione completa di Maxey-Riley-Gatignol, che include la forza di Basset, consentendo una valutazione esplicita degli effetti di memoria. Le simulazioni sono condotte per numeri di Stokes St=[0.1,0.5,1] e rapporti di densità particella-fluido ρp/ρf=[10,100], consentendo un'esplorazione sistematica del comportamento dipendente dall'inerzia e dalla densità. L'intensità del raggruppamento aumenta con l'inerzia delle particelle ed è localizzata prevalentemente su scale dissipative, dove le particelle campionano preferenzialmente regioni dominate dalla deformazione evitando strutture vorticose intense. Il taglio medio induce una pronunciata anisotropia nella distribuzione delle particelle e nell'orientamento dei cluster, ma non inibisce il raggruppamento o il suo carattere multiscala. L'analisi di Voronoï rivela distribuzioni di dimensioni dei cluster autosimili che mostrano una scala di potenza e una concentrazione interna di particelle quasi costante in un ampio intervallo di dimensioni dei cluster, indicando dinamiche di aggregazione invarianti in scala. La morfologia dei cluster è caratterizzata da forme allungate e mostra un alto grado di universalità, con una dipendenza solo debole dal numero di Stokes e dal rapporto di densità, in linea con i risultati precedenti nella turbolenza isotropa omogenea. L'inclusione della forza di Basset riduce sistematicamente l'intensità del raggruppamento, appiana la geometria dei cluster e altera la penetrazione delle particelle nelle regioni ad alta enstrofia. Questi risultati dimostrano che il raggruppamento delle particelle inerziali nella turbolenza di taglio omogenea deriva dall'interazione tra dinamiche su scala dissipativa, anisotropia indotta dal taglio ed effetti di memoria non locali, che portano a un'organizzazione delle particelle robusta ma fortemente strutturata su tutte le scale.