本文的主要作者是Luca Brandt和Filippo Coletti，分别来自瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）、挪威科技大学（Norwegian University of Science and Technology, NTNU）和苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）。文章发表于《Annual Review of Fluid Mechanics》2022年第54卷，首次在线发布于2021年9月28日。
本文的主题是颗粒-湍流相互作用（Particle-Laden Turbulence），特别是球形颗粒在均匀湍流和壁面湍流中的动力学行为。文章旨在回顾过去十年中该领域的快速进展，尤其是实验和数值模拟技术的进步如何推动了我们对颗粒-湍流相互作用的理解。文章重点关注了惯性颗粒（inertial particles）在湍流中的行为，特别是小颗粒和大颗粒在不同条件下的动力学表现。
文章分为多个部分，详细讨论了颗粒-湍流相互作用的各个方面。以下是文章的主要观点及其支持论据：
文章首先介绍了颗粒-湍流相互作用的参数空间，定义了多个无量纲参数，如斯托克斯数（Stokes number, St）、密度比（ρp/ρf）和颗粒尺寸与湍流最小尺度的比值（dp/η）。这些参数决定了颗粒在湍流中的动力学行为。文章指出，颗粒的响应时间（τp）和湍流的最小时间尺度（τη）的比值是决定颗粒行为的关键因素。
文章详细讨论了小颗粒（dp < η）在均匀湍流中的行为，特别是惯性聚集（inertial clustering）和优先采样（preferential sampling）现象。惯性聚集是指颗粒在湍流中倾向于聚集在特定的区域，而优先采样则是指颗粒倾向于停留在高应变率区域而非高涡量区域。文章引用了大量实验和数值模拟结果，支持了这些现象的普遍性。
对于大颗粒（dp > η），文章指出，颗粒的尺寸效应变得显著，几何效应和颗粒诱导的应力成为主导因素。大颗粒的动力学行为不仅取决于其响应时间，还取决于其尺寸与湍流尺度的比值。文章引用了多项研究，表明大颗粒在湍流中的沉降速度受到湍流的显著影响，尤其是在高浓度条件下。
文章回顾了近年来实验和数值模拟技术的进步。实验方面，粒子图像测速（PIV）和粒子追踪测速（PTV）技术被广泛应用于颗粒-湍流相互作用的研究。数值模拟方面，颗粒解析直接数值模拟（PR-DNS）和点粒子直接数值模拟（PP-DNS）成为研究颗粒-湍流相互作用的主要工具。文章指出，尽管数值模拟技术取得了显著进展，但在高浓度条件下的模拟仍然面临挑战。
文章讨论了颗粒对湍流的调制作用，特别是双向耦合（two-way coupling）和四向耦合（four-way coupling）效应。双向耦合指的是颗粒对流体湍流的反馈作用，而四向耦合则进一步考虑了颗粒之间的碰撞和相互作用。文章指出，颗粒的存在可以显著改变湍流的能量耗散和雷诺应力分布，尤其是在高浓度条件下。
本文的意义在于系统回顾了颗粒-湍流相互作用领域的最新进展，特别是实验和数值模拟技术的进步如何推动了该领域的发展。文章不仅总结了当前的研究现状，还指出了未来的研究方向，如如何在高浓度条件下更准确地模拟颗粒-湍流相互作用，以及如何通过实验验证数值模拟结果。这些讨论为未来的研究提供了重要的参考。
文章的亮点在于其全面性和前瞻性。作者不仅回顾了过去十年的研究进展，还指出了当前研究中的不足和未来的挑战。特别是，文章强调了重力在颗粒-湍流相互作用中的重要性，指出在零重力条件下得出的结论不能直接推广到其他条件。此外，文章还讨论了惯性聚集和优先采样现象的复杂性，指出这些现象的形成机制仍然存在争议。
文章最后提出了未来研究的几个关键方向： 1. 小颗粒与大颗粒研究的融合：当前研究主要分为小颗粒和大颗粒两个方向，未来需要在这两个方向之间架起桥梁，特别是在高浓度条件下的研究。 2. 点粒子模型的改进：尽管点粒子模型在高雷诺数条件下仍然是主要工具，但其与实验结果的定量一致性仍然不足，未来需要更准确地模拟颗粒在湍流中的受力情况。 3. 颗粒解析直接数值模拟的验证：在将颗粒解析直接数值模拟作为基准之前，需要通过实验验证其准确性。 4. 三维成像技术的应用：三维成像技术在近年来取得了显著进展，未来可以用于更高浓度条件下的颗粒动力学研究。
本文通过对颗粒-湍流相互作用领域的全面回顾，展示了该领域在过去十年中的快速进展。文章不仅总结了当前的研究现状，还指出了未来的研究方向和挑战，为该领域的进一步发展提供了重要的参考。