On the validity of the gradient diffusion approach as applied to modelling particle dispersion in a turbulent gaseous flow

Abstract This paper develops a criterion for predicting when gradient diffusion should adequately predict the dispersion of particles in simple gaseous turbulent flows such as round jets or the decay region of a grid‐generated turbulent flow. The development of this criterion involves deriving the solution to the gradient diffusion model by another route, where the assumptions required to yield the solution can be carefully considered. This derivation also provides an expression for the particle diffusivity. The model is then applied to two flows where particulate dispersion has been measured experimentally: flow behind a turbulence‐generating grid, and a round jet flow. Under conditions where the criterion for gradient diffusion is satisfied, good agreement is found between measurement and theory. On a mis au point dans cet article un critère qui spécifie les conditions dans lesquelles la diffusion par gradient prédit convenablement la dispersion de particules dans des écoulements gazeux turbulents simples comme les jets circulares ou la région de décroissance de la turbulence dans un écoulement turbulent généré par une grille. Pour élaborer ce critère, il faut calculer la solution du modèle de diffusion par gradient par une autre méthode qui permette de soigneusement prendre en compte les hypothèses requises pour établir cette solution. Le critère proposé fournit également une expression de la diffusivité des particules. Le modèle est ensuite appliqué à deux écoulements pour lesquels la dispersion des particules est mesurée expérimentalement. Dans la mesure où le critère de diffusion de gradient est satisfait, un bon accord est trouvé entre la mesure et la théorie.