Inertial migration of neutrally-buoyant particles in superhydrophobic channels
在有限雷诺数下，颗粒穿过流动流线迁移到微通道中的平衡位置。这种迁移归因于惯性升力，并且众所周知，中性浮力颗粒的平衡位置仅由其尺寸和雷诺数确定。在这里，我们证明了超疏水凹槽的通道的底壁的装饰提供了额外的可能性操纵中性浮力颗粒。结果表明，有效的各向异性流体动力学滑动这样的底壁可以很容易地用来改变平衡位置的颗粒，并产生它们的运动横向的压力梯度。这些结果可以指导设计新的惯性微流体装置，用于通过它们的尺寸有效地分选中性浮力微粒。
2019-12-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Bailout Embeddings and Neutrally Buoyant Particles in Three-Dimensional Flows
本文利用三维保体积映射的救助嵌入定性地研究了悬浮在时间周期不可压缩流体流中的小球形中性浮力杂质的动力学。预测了管状旋涡结构中杂质的积累，双曲不变线附近流体轨迹中颗粒的分离，以及颗粒分布中非平凡三维结构的形成。
2012-06-30 nlin.CD physics.flu-dyn
Dynamical regimes and clustering of small neutrally buoyant inertial particles in stably stratified turbulence
稳定分层流中的惯性粒子在海洋物理学中起着重要作用，从海洋中营养物的动力学到大气中污染物的扩散。我们认为Maxey-Riley方程的小中性浮力惯性粒子在Boussinesq近似，并讨论其有效性的限制。我们发现，粒子的行为作为强制阻尼振荡器，不同的制度取决于粒子的斯托克斯数和流体的Brunt-Väisälä频率。使用直接的数值模拟，我们研究的颗粒动力学，我们表明，在这些流动中的小中性浮力颗粒往往集群在低的局部涡度区域。这些粒子虽然很小，但其行为与示踪剂有着根本的不同。
2022-12-07 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Effects of inertia and turbulence on rheological measurements of neutrally-buoyant suspensions
对于低雷诺数的中性浮力悬浮液的剪切流，剪切应力通常使用仅取决于固体分数的有效粘度来建模。随着雷诺数（$Re$）增加，惯性变得重要，有效粘度也取决于雷诺数本身。目前的实验测量的扭矩中性浮力颗粒在同轴圆筒流变仪的固体分数，$ϕ$，从10\%到50\%和雷诺数的基础上，从2到1000的颗粒直径。对于雷诺数为O（10）和固体分数小于$30\%$的实验，有效粘度随雷诺数增加，与文献中最近的数值模拟结果一致。在相同的$Re$范围内，在更高的固体分数下，结果显示扭矩随剪切速率降低。对于大于100的雷诺数和较低的固体浓度，有效粘度继续随雷诺数增加。然而，基于与纯流体测量的比较，所测量的有效粘度的增加是由向湍流的过渡引起的。颗粒通过增加测量扭矩的大小并导致流动在较低雷诺数下转变来增强湍流。对于最高的固体分数，测量结果表明，扭矩的大小显着增加，但有效粘度是独立的雷诺数。
2016-12-13 physics.flu-dyn
Eddy diffusivity of quasi-neutrally-buoyant inertial particles
本文研究了不可压缩零平均周期性或定常各态历经流中准中性浮力惯性粒子的大尺度输运性质。我们展示了如何计算大规模的指标，如惯性粒子的终极速度和涡流扩散系数的第一原理在周围的附加质量因子接近统一的限制微扰膨胀。在物理上，该极限对应于颗粒的质量密度恒定并且在值上接近于也恒定的流体的质量密度的情况。我们的方法不同于通常的过阻尼膨胀，因为我们不假设热化和小尺度对流效应之间的时间尺度的分离。对于一般的不可压缩流，我们推导出封闭形式的细胞方程的辅助量确定的终极速度和有效扩散。在平行流的特殊情况下，这些方程有明确的解析解.我们使用平行流表明，我们的方法能够阐明的行为的终极速度和有效扩散的斯托克斯数的顺序的团结。
2017-12-28 physics.flu-dyn
Poisson brackets for the dynamically coupled system of a free boundary and a neutrally buoyant rigid body in a body-fixed frame
研究了无粘无旋框架下不可压缩流体自由表面与刚体的全耦合动态相互作用，推导了系统全局动量演化方程，证明其与自由表面演化方程构成Hamilton系统，且Poisson括号为正则Zakharov括号与非正则Lie-Poisson括号之和。
2018-01-13 physics.flu-dyn
Dynamics of a small neutrally buoyant sphere in a fluid and targeting in Hamiltonian systems
我们表明，即使在最有利的情况下，一个小的球形示踪剂悬浮在相同密度的流体中的运动可能不同于一个理想的被动粒子的相应的运动。我们进一步证明了它的动态可以应用到目标轨迹的哈密顿系统。
2000-07-22 nlin.CD physics.flu-dyn
On the DLM/FD methods for simulating neutrally buoyant swimmer motion in non-Newtonian shear thinning fluids
本文讨论了基于Lagrange乘子的虚拟区域（DLM/FD）方法的推广，用于模拟非牛顿剪切稀化流体中非对称形状的中性浮力粒子的运动。本文将非牛顿剪切稀化流体定常Poiffille流的数值解与二维通道中的精确解进行了比较。对于由两个圆盘组成的自推进游动体，当Carreau-Bird模型中的功率指数值减小时，剪切变稀效应使游动体运动速度加快，临界雷诺数（运动方向相反）减小。
2021-11-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Inertial focusing of neutrally buoyant spherical particle in shallow microchannels
imec
研究中性浮力球形粒子在低雷诺数流动浅微通道中所受的升力，通过浸没边界法计算粒子半径与通道高度比为0.03至0.35的升力，并提出适用于Re_p≤1的显式公式，探讨滑移边界条件对近壁升力的影响。
2026-04-28 physics.flu-dyn
A numerical study of the motion of a neutrally buoyant cylinder in two dimensional shear flow
本文用直接数值模拟的方法研究了中性浮力圆柱在二维剪切牛顿流体中的运动。通过与现有的理论，实验和数值结果，包括归一化角速度与颗粒雷诺数的幂律的比较，验证了数值结果。两壁间的中心线是剪切流中圆柱质心的一个理想平衡位置。当最初将颗粒远离中心线放置时，由于滑移速度、马格努斯力和壁排斥力之间的相互作用，对于更高的雷诺数，颗粒向另一个平衡位置迁移。
2012-09-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Near-wall forces on a neutrally-buoyant spherical particle in an axisymmetric stagnation-point flow
作用于中性浮力球形颗粒浸没在壁有界的轴对称驻点流（Hiemenz-Homann流）的水动力预测，基于一个合适的形式的互易定理。建立了一个近似代数形式的未扰动速度场，模仿整个边界层的实际携带流的逐渐过渡，从一个纯线性应变流在散装的抛物线流在壁。颗粒雷诺数被假定为小的和预测的基础上的蠕动流假设首先推导。然后，惯性修正计算，假设粒子站在足够接近的墙，后者是在内部区域的干扰。颗粒和周围流体之间的随时间变化的滑移速度的预测得到的微分方程的形式，首先假设颗粒沿流动对称轴移动，然后扩展到在任意径向位置释放的颗粒的分析。在前一种情况下，这些预测与数值模拟提供的结果进行了比较。当应变为基础的雷诺数（建立在颗粒半径和应变率在散装）超过$0.1$，有限惯性效应，由于颗粒与壁的相互作用和颗粒和流体之间的相对加速度被发现大大修改的方式滑移速度随到壁的距离而变化。
2020-11-21 physics.flu-dyn
Numerical analysis of the angular motion of a neutrally buoyant spheroid in shear flow at small Reynolds numbers
本文用数值方法分析了小剪切雷诺数下中性浮力椭球体在剪切流中的转动。采用直接数值稳定性分析的耦合非线性粒子流问题，我们计算的线性稳定性的日志滚动轨道在小剪切雷诺数，${\rm Re}_a$。作为${\rm Re}_a \to 0$和系统的盒大小趋于无穷大，我们发现良好的协议之间的数值结果和早期的分析预测有效的线性顺序在${\rm Re}_a$的情况下的无界剪切。数值稳定性分析表明，有大量的有限尺寸的分析结果得到的无界系统的修正。我们还比较分析结果的格子玻尔兹曼模拟的结果来分析的稳定性的翻滚轨道在剪切雷诺数的顺序统一。无穷小剪切雷诺数下的无界系统理论预测，在纵横比$λ_{\rm c} \approx 0.137$下翻滚轨道会出现分叉，低于此比率时翻滚是稳定的（以及原木翻滚）。模拟结果表明，在$λ$ - ${\rm Re}_a$平面上的分叉线在最小剪切雷诺数（${\rm Re}_a=1$）处达到$λ\approx0.1275$，在该最小剪切雷诺数处，我们可以用格子Boltzmann代码进行模拟，与分析结果定性一致。
2015-12-18 physics.flu-dyn
Turbulent channel flow of dense suspensions of neutrally-buoyant spheres
稠密颗粒悬浮液在许多应用和环境流动中广泛遇到。虽然许多以前的研究调查他们的流变性能在层流，很少有人知道这些悬浮液的行为在湍流/惯性制度。本研究的目的是填补这一空白，通过调查的湍流的牛顿流体负载固体中性浮力球在相对较高的体积分数在一个平面通道。在体积分数Phi=0-0.2的范围内进行直接数值模拟，其中浸没边界法用于解释分散相。结果表明，固相的存在显著改变了平均速度分布，并使冯卡门常数按对数律减小。发现总阻力随着体积分数而增加，比仅仅考虑由于颗粒的存在而导致的系统粘度的增加所期望的要多。在最高体积分数Phi=0.2时，速度脉动强度和雷诺切应力减小。的平均动量平衡的分析表明，粒子引起的应力管理的动态在高披，是主要负责的整体阻力增加。因此，在密集的限制，我们发现减少的湍流活动和增长的颗粒诱导应力，后者占主导地位的雷诺数在这里考虑。
2015-10-14 physics.flu-dyn
An efficient method for particle-resolved simulations of neutrally buoyant spheres
本文提出一种改进的直接力浸没边界法，通过调整粒子速度更新和体积力施加范围，实现密度比接近1的颗粒流高效模拟，并在三个测试案例中验证了其准确性。
2023-05-25 physics.flu-dyn
Suspensions of finite-size neutrally-buoyant spheres in turbulent duct flow
本文研究了中性浮力球形颗粒稠密悬浮液的湍流方管流动。直接数值模拟（DNS）的体积分数范围内进行$ϕ=0-0.2$，使用浸没边界法（IBM）占分散相。根据水力直径，考虑雷诺数为$5600$。我们报告特定于这种几何形状的流动特征和颗粒统计，并将结果与二维通道流的情况进行比较。特别是，我们观察到，对于$ϕ=0.05$和$0.1$，颗粒优先积聚在角平分线上，靠近管道角，同样也观察到相同的管道-颗粒尺寸比的层流方形管道流。在最高体积分数下，颗粒优先聚集在核心区域中。对于通道流动，在没有横向限制的情况下，发现粒子在通道中均匀分布。我们还观察到，横流二次流的强度增加（相对于空载的情况下）的体积分数高达$ϕ=0.1$，作为沿角平分线的颗粒的高浓度的结果。对于$ϕ=0.2$，湍流活动大大降低，二次流强度降低到空载情况下的强度以下。在稀释条件下，摩擦雷诺数随着$ϕ$的增加而增加，正如在槽道流动中所观察到的那样。然而，对于$ϕ=0.2$，平均摩擦雷诺数降低到低于$ϕ=0.1$的值。
2017-11-13 physics.flu-dyn
Laminar, turbulent and inertial shear-thickening regimes in channel flow of neutrally buoyant particle suspensions
这封信的目的是描述有限惯性下粘性流体中有限尺寸刚性颗粒悬浮液的流动状态。我们探讨了系统的行为作为粒子的体积分数和雷诺数（流量和颗粒的惯性粘性力的比率）的函数。与层流和湍流状态之间存在明显区别的单相流不同，在存在颗粒相的情况下可以识别三种不同的状态，它们之间具有平滑的过渡。在低体积分数下，当雷诺数增加时，流动变得湍流，从由粘性力主导的层流状态过渡到以湍流涡流增强动量传输为特征的湍流状态。在更大的体积分数，我们确定了一个新的制度，其特征在于更大的增加壁摩擦。壁面摩擦力随雷诺数（惯性效应）而增加，而湍流输运的影响很弱，如在强烈的惯性剪切增稠状态。这种状态可能会阻止过渡到一个充分的湍流状态在任意高速度的流动。
2014-11-14 physics.flu-dyn
Modulation of the regeneration cycle by neutrally buoyant finite-size particles
采用力耦合方法对平面Couette和压力驱动通道结构中的湍流悬浮流进行了直接数值模拟。当雷诺数略高于层流-湍流转捩时，考虑中性浮力有限尺寸（L_y /d = 20）球形颗粒的稀到中等浓度悬浮液。在湍流槽道和库埃特流中，用合成条纹进行的试验清楚地表明，颗粒触发槽道流中的不稳定性，而平面库埃特流变成层流。此外，我们已经表明，颗粒有一个显着的影响，压力驱动流通过详细的时间和空间分析，而他们没有显着的影响，平面Couette流配置。这两种流动之间的实质性差异与Couette流动中大规模卷（非活动运动）中颗粒的空间优先分布有关，而它们在压力驱动流动中的喷射（活动运动）区域中积累。通过对两种不同流动构型的颗粒改性的研究，我们能够显示湍流结构的特定响应和构成近壁湍流缓冲层中再生循环的基本机制的调制。特别是对于压力驱动的流动，颗粒增强提升并使其连续作用，而颗粒不显著改变条纹击穿过程。流向涡的加强是由于涡量拉伸项的波状条纹。波纹条纹的数量多、尺寸小，增强了涡量的拉伸，从而加强了悬浮流中大尺度流向涡的环流。
2018-06-07 physics.flu-dyn
Slipping motion of large neutrally-buoyant particles in turbulence
直接数值模拟被用来研究大的球形颗粒悬浮在一个发达的均匀湍流的个人动力学。引入了颗粒相对于周围流的运动方向的定义，并用于构建颗粒周围的平均流体速度分布。这导致颗粒滑移速度及其相关的雷诺数的估计。然后研究了由于颗粒的流动修改。粒子是负责的阴影效应，发生在唤醒的距离的顺序，其直径：粒子平息湍流波动，并减少了能量耗散率相比，其平均值在散装。尺寸参数绘制的颗粒之间的类比湍流和壁流的影响。在粘性边界层的厚度和颗粒直径$\Dp$之间的距离处对数子层的存在上获得证据。最后，渐近参数被用来与粘性子层数量的颗粒尺寸和外部湍流的属性。特别指出，表面摩擦雷诺数表现为$Re_τ\propto (\Dp/η)^{4/3}$。
2013-06-06 physics.flu-dyn
An immersed boundary method for particle-resolved simulations of arbitrary-shaped rigid particles
本研究扩展García-Villalba等人（2023）的直接力浸入边界法至任意形状刚性颗粒，保留处理中性浮力和密度比低至0.5轻质物体的能力，具简洁性优势，通过三个文献测试案例验证其有效性。
2025-04-17 physics.flu-dyn
The motion of a neutrally buoyant particle of an elliptic shape in two dimensional shear flow: a numerical study
本文用直接数值模拟的方法研究了在二维剪切流中自由运动的中性浮力椭圆柱体的运动。剪切流中的椭圆形柱体，当最初被放置在两个壁之间的中间时，取决于颗粒雷诺数$Re=G_r r_a^2/ν$，要么保持旋转，要么具有固定的倾角，其中$G_r$是剪切速率，$r_a$是椭圆形柱体的半长轴，$ν$是流体的动力粘度。从旋转运动过渡到静止取向的临界颗粒雷诺数$Re_{cr}$取决于纵横比$AR=r_b/r_a$和受限比$K=2r_a/H$，其中$r_b$是椭圆柱的半短轴，$H$是两壁之间的距离。虽然这两个参数的增加都会使$Re_{cr}$增加，但其动力学机制是不同的。$AR$的变化引起几何形状的变化，而$K$的变化影响壁效应。具有较小约束比的非旋转细长椭圆柱的定常倾角似乎仅取决于$Re-Re_{cr}$的值。剪切流中圆柱体质心的预期平衡位置是两壁之间的中心线，但是当初始将颗粒远离中心线放置时，它要么向远离两壁之间的中间的平衡高度迁移，要么回到中间，这取决于约束比和颗粒雷诺数。
2014-05-28 physics.flu-dyn
Inertial migration of a neutrally buoyant spheroid in plane Poiseuille flow
本文研究了小颗粒雷诺数情况下，任意长宽比$κ$的无力矩中性浮力椭球体在有壁平面Poiffille流中的横流惯性迁移，（$Re_p\ll1$）和约束比，（$λ\ll1$），通道雷诺数$Re_c = Re_p/λ^2$假定为任意值;其中$L$是球状体的半长轴，$H$表示通道壁之间的间隔。在Stokes极限中，（$Re_p =0)$）和（对于$λ\ll 1$），球体沿着由轨道常数$C$参数化的无穷多个Jeffery轨道中的任何一个旋转，同时沿着给定的环境流线以依赖于时间的速度平移。弱惯性效应使自旋轨道（$C=0$）或翻滚轨道（$C=\infty$）稳定，或两者都稳定，这取决于$κ$。分离的杰弗里旋转和轨道漂移的时间尺度，从相关的横流迁移，意味着后者发生由于杰弗里平均升力速度。虽然这个平均升力速度的大小取决于$κ$和$C$，但升力剖面的形状与球体的相同，而与$Re_c$无关。特别是，一个球体的平衡位置保持相同的经典Segre-Silberberg的一个领域，开始在一个距离约$0.6(H/2)$的通道中心线的小$Re_c$，并迁移壁增加$Re_c$。对于具有$κ\sim O(1)$的球体，Jeffery平均分析对$Re_p\ll1$有效;对于极端纵横比球体，$Re_p\,κ/\ln κ\ll 1$和$Re_p/κ^2 \ll 1$分别对$κ\rightarrow \infty$ \，（细长纤…
2023-02-28 physics.flu-dyn
Comparison of Two Scale-Dependent Dynamic Subgrid-Scale Models for Simulations of Neutrally Buoyant Shear-Driven Atmospheric Boundary Layer Flows
基于Kolmogorov尺度假设，提出了一种新的尺度相关动态亚网格尺度（SGS）模型。该SGS模式被用于一个著名的案例研究剪切驱动的中性大气边界层流动的大涡模拟。结果进行了全面的比较，与一个替代的规模依赖的动态SGS模型的基础上流行的Smagorinsky封闭。我们的研究结果表明，在这个特定问题的背景下，尺度相关的动态建模方法是非常有用的，并再现了几个建立的结果（例如，表层相似理论）。从这两个SGS基础模型的结果通常是密切一致的，虽然我们发现一个一致的优势，Smagorinsky为基础的SGS模型预测的惯性范围缩放的光谱。
2006-08-15 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Slip-velocity of large neutrally-buoyant particles in turbulent flows
我们讨论了描述大颗粒和湍流之间的相对运动的随机滑移速度的可能定义。这个定义是必要的，因为当颗粒尺寸落在环境湍流的惯性子范围内时，标准阻力模型中使用的滑移速度失效。我们提出了两个定义，选择部分是因为它们的简单性：它们不需要过滤的流体相速度场，也不需要建设的条件平均粒子的位置。这种简单性的一个关键好处是，这里提出的随机滑移速度可以同样很好地计算实验室，现场和数值实验。随机滑移速度允许定义雷诺数，该雷诺数应指示湍流中的大颗粒是否表现为（a）被动示踪剂;（b）速度场的线性滤波器;或（c）速度场的非线性滤波器。我们计算的随机滑移椭球和球形颗粒（泰勒微尺度的大小）在实验室均匀各向同性湍流测量的值。所得的雷诺数是显着高于1的颗粒形状，和速度统计表明，颗粒运动是一个复杂的非线性函数的流体速度。我们进一步研究的非线性关系，通过比较粒子和流体相的脉动速度的概率分布。
2013-09-09 physics.flu-dyn
Microstructure and rheology of finite inertia neutrally buoyant suspensions
采用基于离散Boltzmann流体模型和颗粒牛顿动力学的格子玻尔兹曼方法（LBM），研究了有限惯性条件下中性浮力硬球颗粒在牛顿流体中悬浮液的微观结构和流变特性。悬浮液进行简单剪切流和性能的雷诺数和体积分数，$ϕ$的函数进行了研究。惯性由颗粒尺度剪切流雷诺数$Re = \frac{ρ\dotγa^{2}}μ$表征，其中$a$是颗粒半径，$\dotγ$是剪切速率，$ρ$和$μ$分别是流体的密度和粘度。研究了惯性和体积分数对$0.005\leqslant Re \leqslant 5$和$0.1\leqslant ϕ\leqslant 0.35$的影响。利用对分布函数$g(\boldsymbol{r})$研究了流动诱导的微观结构。不同的应力机制，包括那些由于表面牵引力（应力波），加速度，和雷诺应力由于速度波动计算和它们的影响上的第一和第二法向应力差，颗粒压力和悬浮液的粘度进行了详细说明。给出了质点力和力矩的概率密度函数。
2014-03-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Inertial migration of neutrally buoyant particles in square channels at high Reynolds numbers
关键词悬浮，惯性聚焦，颗粒负载流，高雷诺数短摘要在过去的二十年中，在微尺度下的方形通道流中的颗粒的惯性迁移已经被深入研究。众所周知的四个平衡位置位于中等雷诺数下每个通道面的中心附近[1]。最近，Miura等人[2]通过实验揭示了雷诺数高于250时，毫米级方形通道中存在8个平衡位置。本工作的目的是将这些结果在毫米尺度上得到的微米尺度。为此，在原位可视化的颗粒在方形微通道中流动的雷诺数范围从5到300已进行和分析。
2019-03-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Electrohydrodynamic flows inside a neutrally buoyant leaky dielectric drop
首次实验研究中性浮力漏电介质液滴内部EHD流动，通过PIV和高速成像测量内部环流与速度分布，分析扁平和长椭球构型，提出临界电毛细数0.1，完善小变形下LDM适用性并揭示大变形特性。
2024-02-21 physics.flu-dyn
Deformation and orientation statistics of neutrally buoyant sub-Kolmogorov ellipsoidal droplets in turbulent Taylor-Couette flow
在许多工业和科学应用中，底层流动拓扑结构对分散在湍流中的亚柯尔莫哥洛夫液滴的形状和尺寸的影响是相当感兴趣的。在这项工作中，我们研究了亚Kolmogorov液滴分散到湍流泰勒-库埃特流的变形和取向统计。连同载体相的直接数值模拟（DNS）和分散液滴的拉格朗日跟踪，我们求解由Maffettone和Minale（\emph{J. Fluid Mech.} 78，227-241（1998））提出的现象学方程以跟踪近似$10^5$椭圆形液滴的形状演变和取向。通过改变液滴的毛细管数$Ca$和粘度比$\hat μ$，我们发现液滴的变形随着毛细管数$Ca$的增加而增加，并且这种效应在边界层区域更加明显。这表明，随着毛细管数的影响，也有一个很强的相关性之间的空间位置和程度的变形的液滴。无论毛细管数$Ca$，椭球的长轴往往与流向方向和拉伸应变率本征方向在边界层区域，而分布是高度各向同性的散装。当液滴和载液之间的粘度比增加时，我们发现不存在优先拉伸轴，这是由于旋转对拉伸和松弛的影响增加。因此，与低粘度比系统中的高度变形的扁长（雪茄状）液滴相比，高粘度比系统中的液滴较少变形和扁（盘状）。
2016-06-13 physics.flu-dyn
Anisotropic Particles Focusing Effect in Complex Flows
有限尺寸效应可以导致中性浮力颗粒表现出与示踪颗粒不同的动力学特性，并且可以改变它们在流体流动中的传输特性。在这里，我们调查的颗粒的形状对他们的分散在二维复杂的流动的效果。结合数值模拟与实验室实验，我们表明，各向同性和各向异性形状的颗粒表现出不同的拉格朗日相干结构，在给定的流场内的不同的分散现象。棒状粒子的实验表明，在涡核附近的聚焦效应。我们提出了一个简单的模型，描述了在二维流中的中性浮力椭球粒子的动态，并表明，粒子的纵横比和方向相关的力可以产生聚集现象的漩涡。
2022-09-13 physics.flu-dyn
On the clustering of finite-size particles in turbulence
本文对完全湍流中有限大小的重粒子和中性浮力粒子的空间分布进行了实验研究。由于它们的斯托克斯数（即颗粒粘性弛豫时间与典型流动时间尺度的比率）接近1，因此可以预期两类颗粒在特定流动区域中聚集。这是没有观察到的。使用Voronoi分析，我们表明，中性浮力粒子样本湍流均匀，而重粒子集群。一个含义的理解和建模的颗粒负载流，是斯托克斯数不能是唯一的关键参数，只要考虑有限尺寸的物体的动态。
2012-09-14 physics.flu-dyn
Turbulent diffusivity and effective rise velocity of buoyant particles in a free-surface boundary layer
University of Washington（华盛顿大学）；Princeton University（普林斯顿大学）
该研究针对海洋表面浮粒输运模型的偏差问题，通过实验测量浮粒扩散率与上升速度，验证了轨迹交叉理论，修正了湍流施密特数的取值，为浮粒输运模型提供了实验依据。
2026-08-28 physics.flu-dyn
How interfacial tension enhances drag in turbulent Taylor-Couette flow with neutrally buoyant and equally viscous droplets
本文通过直接数值模拟研究Taylor-Couette湍流中中性浮力等黏液滴的阻力增强机制，揭示界面张力对液滴前端的作用阻碍连续相并促进低速条带形成，从而增加系统阻力。
2024-11-20 physics.flu-dyn
Deformation statistics of sub-Kolmogorov-scale ellipsoidal neutrally buoyant drops in isotropic turbulence
湍流中的小液滴可以经历高度可变的变形和取向动力学。对于小于柯尔莫哥洛夫尺度的中性浮力液滴，来自周围湍流的主导效应通过速度梯度张量的拉格朗日时间历史产生。在这里，我们研究了代表性的液滴使用的模型，包括旋转和拉伸效果从周围的流体，和恢复效果从表面张力，包括一个恒定的液滴体积约束，同时假设液滴保持椭圆形的演变。该模型与从湍流DNS中提取的速度梯度张量的拉格朗日时间历程相结合，以获得模拟的液滴演变。这些用于表征湍流中小液滴的尺寸、形状和取向统计。一个临界毛细管数，$Ca_c$被确定与一个或两个液滴的半轴的无界增长。利用与湍流中聚合物动力学的类比，可以基于最大有限时间李雅普诺夫指数的大偏差理论来预测$Ca_c$数。此外，对于亚临界$Ca$的理论能够预测的斜率的幂律尾部的液滴尺寸分布在湍流。当液滴和外部流体的粘度不同的方式，使涡解相关的形状从应变方向的情况下，大偏差形式主义的基础上的拉伸性能的速度梯度张量失去有效性和其预测失败。即使考虑到假设的椭圆形液滴形状的限制，结果突出了液滴变形，取向和局部流体速度梯度张量之间的复杂耦合，当小粘性液滴与湍流相互作用时。
2015-02-12 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
High-fidelity velocity and concentration measurements of turbulent buoyant jets
本文通过同步PIV和LIF测量并结合折射率匹配方法，获取均匀与分层环境中正负浮力射流的高保真速度与浓度数据，用于评估现有湍流模型并为开发能准确捕捉浮力主导湍流混合的新模型提供基础。
2024-02-26 physics.flu-dyn
Micro-droplet nucleation through solvent exchange in a turbulent buoyant jet
溶剂交换是一个涉及溶解溶质的良溶剂和不良溶剂之间混合的过程。该过程产生局部过饱和，导致微小溶质液滴的成核。这种宏观尺度上的三元体系在湍流状态下仍未被探索。实验研究了乙醇和反式茴香脑的混合物注入水中，形成向上的湍流浮力射流的溶剂交换过程。局部地，湍流混合导致湍流夹带后反式茴香脑的过饱和。我们使用光衰减技术光学测量成核液滴的浓度，发现径向浓度分布是亚高斯分布。在对比的过饱和度为基础的模型，空间演变揭示连续液滴成核下游和径向横跨射流，我们归因于有限的混合能力的射流。虽然我们还远远没有一个完整的定量的理解，这项工作扩展到湍流状态的溶剂交换的知识，并带来了一种新的类型的流，拓宽了多组分，多相湍流射流与相变的范围。
2022-05-12 physics.flu-dyn
An anisotropic particle in a simple shear flow: an instance of chaotic scattering
在斯托克斯极限下，一个中性浮力球周围的流线拓扑结构与两个球的轨迹线拓扑结构是相同的，两者都是在环境简单剪切流中。在这两种情况下，有前后对称的开放和封闭的轨迹空间划分的轴对称分界线表面。这种拓扑结构具有至关重要的影响标量运输从一个单一的领域，并为稀悬浮液的流变学领域。我们表明，在简单的剪切流中，中性浮力自由旋转的球体周围的流体路径线的拓扑结构是完全不同的，并将有一个至关重要的轴承从这些颗粒在剪切流中的运输。在某种程度上，在单球体问题中的流体轨迹线和双球体问题中的成对轨迹，预计将承担彼此的定性相似性，这里确定的非平凡的轨迹拓扑结构也将对各向异性颗粒的稀悬浮液的流变学具有显着的后果。
2020-05-21 physics.flu-dyn
Turbulent buoyant confined jet with variable source temperature
在这项工作中，实验和数值研究被认为是有限的浮力湍流射流与不同的入口温度。所考虑的问题的实验工作和数值模拟的结果。四种情况下，不同的可变入口温度和不同的流量被认为是。采用可实现的k-ε湍流模型对湍流进行模拟。比较表明，模拟和测量结果之间的良好协议。结果表明，沿垂直轴的温度变化，一般来说，在非线性的方式，而不是近似线性的变化，观察到的恒定的入口温度，在以前的工作。此外，热分层尤其在更靠近入口区域处存在。进一步远离入口区域，温度的变化变得相对较小。从实验开始观察分层，并在整个时间内持续。通过数值试验，研究了入口温度恒定、单调增加和单调减少时，入口温度对浮力的影响
2013-02-28 physics.flu-dyn
Transport and orientation of anisotropic particles settling in surface gravity waves
Indian Institute of Technology Madras（马德拉斯印度理工学院）
研究非对称粒子在表面重力波中的迁移与取向动力学，揭示下沉参数与波陡度的关系，分析惯性扭矩对漂移和对齐的影响。
2025-12-30 physics.flu-dyn
The dynamics of fibers dispersed in viscoelastic turbulent flows
本研究通过双向耦合直接数值模拟，探究粘弹性湍流中聚合物弹性、纤维刚度与密度差对纤维拍动、曲率及对齐特性的影响，发现聚合物对中性浮力纤维作用更显著，惯性纤维几乎不受弹性影响。
2024-03-07 physics.flu-dyn
Buoyant Motion of a Turbulent Thermal
通过引入一个等效的静磁学和浮力运动方程，我们推导出孤立的密度异常，a.k.a.的加速度的解析表达式。热气流特别是，我们调查浮力加速度，定义为阿基米德浮力$B$和相关的扰动压力梯度的总和。对于均匀球形热的情况，异常流体在$2B/3$加速，将固体球的诱导质量的教科书结果扩展到流体球的情况。对于一个更一般的椭球热，我们表明，浮力加速度是一个简单的分析函数的椭球的纵横比。这些理想化的均匀密度的结果，湍流热气流的相关性进行了探讨，通过分析直接数值模拟的热气流在$\textit{Re}=6300$。我们发现，我们的研究结果充分表征热的初始运动的距离相当于它的长度。在这种浮力主导的制度之外，热发展成椭圆形涡旋环流，并开始夹带环境流体。我们的分析表达式不描述这个成熟的热的总加速度，但仍然准确地将浮力加速度与热的平均阿基米德浮力和纵横比。因此，我们的解析公式提供了一个简单而直接的手段来估计湍流热气流的浮力加速度。
2018-09-23 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Buoyant finite-size particles in turbulent duct flow
本文采用粒子图像测速技术（PIV）和粒子跟踪测速技术（PTV）研究了水平方管湍流中比载流稍重的有限尺寸球形粒子的动力学行为。界面解析直接数值模拟（DNS）也进行了浸没边界法（IBM）在相同的实验条件下，散装雷诺数$Re_{2H}$ = 5600，管道高度颗粒尺寸比$2H/d_p$ = 14.5，颗粒体积分数$Φ$ = 1%和颗粒流体密度比$ρ_p/ρ_f$ = 1.0035。在两相的总压降、浓度分布和湍流统计方面，实验和模拟之间已经观察到了很好的一致性。在相同的$Re_{2H}$下，报告了考虑两种粒度$2H/d_p$ = 14.5和9以及多个$Φ$ = 1、2、3、4和5%的附加实验结果。对于上述参数，压降随体积分数单调增加，几乎是线性的，几乎与颗粒尺寸无关。然而，尽管相似的压降，微观图像，流体速度统计，显着不同的颗粒大小。模拟和实验之间的这种一对一的比较扩展了复杂的湍流多相流中的界面分辨DNS的有效性，并突出了实验在相当详细的情况下调查这种流动的能力，即使在局部体积分数相对较高的区域。
2018-11-28 physics.flu-dyn
Bubbly and Buoyant Particle-Laden Turbulent Flows
与层流相比，流体湍流通常与更强的阻力、更大的热传递和更有效的混合相关联。在许多自然和工业环境中，湍流液体流包含分散的气泡和轻颗粒的悬浮液。近年来，通过实验和高分辨率的直接数值模拟，人们对这类流动的行为和基本物理过程的理解得到了很大的关注。本文综述了我们目前对气泡和浮力颗粒载湍流的各种唯象方面的理解。我们首先讨论不同的动力学制度，包括交叉轨迹和尾流引起的振荡的上升粒子，和制度中的气泡和粒子优先积累附近的墙壁或内的旋涡结构。然后，我们解决如何某些典型的湍流，如均匀各向同性湍流，通道流，泰勒-库埃特湍流，热驱动湍流，这些分散的气泡和浮力颗粒的存在下修改。最后，我们列出了总结要点和未来的研究问题。
2020-05-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A POD-Galerkin reduced order model of a turbulent convective buoyant flow of sodium over a backward-facing step
本文将一种用于稳态雷诺平均Navier-Stokes（RANS）数值模拟的基于体积法的POD-Galerkin降阶方法推广到低普朗特数流动。降阶模型是基于全阶模型，其特征在于通过改变Richardson数的浮力对流动和传热的影响。雷诺应力的计算采用线性涡粘性模型。一个单一的梯度扩散假设，连同当地的相关性的湍流普朗特数的评估，被用来模拟湍流热通量。在降阶模型中考虑了涡粘性和湍流热扩散率场的贡献，并采用了基于插值的数据驱动方法。降阶模型进行了测试浮力辅助湍流液钠流在一个垂直的面向后的步骤与均匀的热通量施加在壁下游的步骤。在全阶模型和降阶模型中，壁面热流都采用了Neumann边界条件。在相同和新的Richardson数的参数值范围内，用降阶模型预测的速度和温度分布与RANS模拟吻合得很好。此外，局部斯坦顿数和表面摩擦分布在加热壁定性地很好地捕捉。最后，在单个核上执行的降阶仿真比在八个核上执行的RANS仿真快大约$10^5$倍。
2020-08-03 physics.flu-dyn
Unsteady turbulent buoyant plumes
我们模拟了湍流浮力羽流随时间变化的源条件的非定常演变。积分模型是从径向积分的控制方程表达的质量，轴向动量和浮力守恒。在羽流中的轴向速度和密度赤字的非均匀的径向配置文件中明确描述的形状因子的积分方程;通常假设的顶帽配置文件导致的形状因子等于1。所得模型是双曲线的动量形状因子时，确定从径向分布的平均轴向速度，不同于统一。当源条件保持在恒定值时，模型的解保持了公认的稳定羽流解的形式。我们证明，包含一个动量形状因子，不同于统一导致一个适定的积分模型。因此，我们的模型没有表现出出现在以前提出的湍流羽流的非定常积分模型的数学病理。确定的形状因子的值的稳定性阈值，导致在其值的范围内，小扰动的振幅的稳定的解决方案衰减与距离的来源。该系统的双曲线特征允许在非定常演化过程中描述羽流特性的字段中形成不连续性。我们计算数值解来说明源条件突变后的瞬态发展。通过羽流传播流体脉冲，可对新的源条件进行调整。这个脉冲的动力学描述的相似性解决方案，并通过构建这个新的相似性解决方案，我们确定三个制度，在其中的瞬态脉冲的演变以下调整的源质的不同。
2015-07-23 physics.flu-dyn
Dynamics of inertial particles on the ocean surface with unrestricted reserve buoyancy
本文通过移除储备浮力约束对Maxey-Riley理论进行改进，使其能够统一描述中性浮力与完全浮力粒子的海洋表面动力学。
2024-07-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Variable-density effects in incompressible non-buoyant shear-driven turbulent mixing layers
使用不可压缩（低速）的直接数值模拟时，混合层涉及两种不同密度的可混溶流体的不对称性进行了研究。模拟中进行的时间配置非常大的域的大小，使混合层达到完全湍流自相似增长的延长状态。施加平均密度变化打破了相对于经典的单流体时间混合层问题的平均对称性。与先前的变密度混合层模拟不同，其中流由具有不同热力学性质的相同流体组成，密度变化目前是由于流体流之间的组成差异，导致不同的混合动力学。变密度（非Boussinesq）效应在流量统计中引入了强烈的不对称性，这可以解释为随着自由流密度差的增加，最强的湍流越来越多地迁移到较轻的流体侧。界面厚度增长率也会降低，某些厚度定义对密度和流向速度剖面之间的对齐的相应变化特别敏感。在混合层内的一个给定位置的密度的统计分布的意义上的额外的不对称性揭示，湍流的细尺度优先维持在较轻的流体，这也是最快的混合发生。这些效应影响涉及密度波动的统计数据，这对混合和对混合动力学敏感的更复杂的现象（如燃烧）具有重要意义。
2020-06-24 physics.flu-dyn
The role of inertia for the rotation of a nearly spherical particle in a general linear flow
我们分析的角度动力学的中性浮力近球形粒子沉浸在一个稳定的一般线性流。作用在颗粒上的流体动力扭矩是通过互易定理，经常扰动理论利用近球形颗粒的小偏心率，并假设惯性效应是小的，但有限的。
2015-05-11 physics.flu-dyn
Estimating Intermittency Exponent in Neutrally Stratified Atmospheric Surface Layer Flows: A Robust Framework based on Magnitude Cumulant and Surrogate Analyses
本研究提出一种新的框架，基于幅度累积量和替代分析，可靠地检测和估计短长度的粗分辨率湍流时间序列的不透明度系数。间歇性系数估计从大量的中性分层的大气近地层湍流系列从各种领域的运动显着同意与著名的实验室实验结果。此外，基于替代的假设检验显著降低了从非间歇性序列中检测到虚假非零重复系数的可能性。所提出的框架的歧视权力是有前途的解决悬而未决的问题，大气稳定性如何影响边界层湍流的湍流度特性。
2007-01-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Rotational intermittency and turbulence induced lift experienced by large particles in a turbulent flow
本文用实验方法研究了一个大的中性浮力粒子在湍流中的自由平流运动。我们证明，平移和角加速度表现出很宽的概率分布，表现出的不稳定性。相对于轨迹的角速度的取向以及以自旋速度为条件的平移加速度提供了作用于颗粒上的升力的证据。
2010-12-20 physics.flu-dyn
Lift and drag forces acting on a particle moving with zero slip velocity near a wall
通过数值计算研究了单壁线性剪切流中中性浮力球形小颗粒所受的升力和阻力。剪切速率的影响被隔离从那些滑移通过设置粒子速度等于当地的流体速度（零滑移），并检查所产生的流体动力作为分离距离的函数。与以前的许多数值文献相比，考虑了低剪切雷诺数（$10^{-3} \lesssim Re_γ \lesssim 10^{-1}$）。当处理小通道内的颗粒流时，该剪切速率范围是相关的，例如用于或开发用于生物技术工业的微流体装置中的颗粒迁移。我们证明了很强的依赖性的升力和阻力的剪切速率。建立在以前的理论$Re_γ \ll 1$研究，壁剪切升力相关性提出了适用于当壁位于内部和外部区域的扰动流。同样，我们验证了一个改进的阻力相关性，其中包括更高的阶项的壁分离距离，更准确地捕获的阻力时，颗粒接近，但不接触，壁。新的相关性的应用表明，检查基于剪切的升力是重要的，因为以前检查基于滑移的升力，突出需要考虑剪切时，预测中性浮力颗粒的近壁运动。
2020-02-14 physics.flu-dyn
Transition to turbulence in particulate pipe flow
我们实验研究了悬浮颗粒对湍流转捩的影响。颗粒是单分散的，并且与液体呈中性浮力。颗粒对过渡的作用取决于管道与颗粒直径比和浓度。对于大的管道与颗粒直径比，转变被延迟，而对于小的比率，转变被降低。提出了一种缩放方法，将偏离纯流体临界雷诺数作为浓度的函数压缩成一条主曲线。
2003-01-18 physics.flu-dyn
Clustering in laboratory and numerical turbulent swirling flows
我们研究的三维集群的速度停滞点，零的涡量和拉格朗日加速度，和惯性粒子在湍流在固定的雷诺数，但在不同的大规模流动的几何形状。为此，我们结合直接数值模拟均匀和各向同性湍流和泰勒-格林流，粒子跟踪测速在冯卡门实验。虽然流动有不同的拓扑结构（因为零粒子的聚集方式不同），但粒子的行为在所有情况下都是相似的，这表明泰勒尺度的中性浮力粒子聚集为惯性粒子。
2022-08-16 physics.flu-dyn
The onset of turbulence in particle-laden pipe flows
我们提出了一个比例律的中性浮力悬浮液管流湍流的发病。该标度律基于大量实验数据，将颗粒诱导扰动（$ε$）的幅度与临界悬浮雷诺数（$Re_{s,c}$）联系起来。这里，$ε$是颗粒与管道直径比和悬浮颗粒的体积分数$ε= (d/D)^{1/2} ϕ^{1/6}$的函数。发现$Re_{s,c}$与$ε^{-1}$成比例。此外，微扰振幅允许区分经典，中间和粒子诱导的过渡。
2022-03-02 physics.flu-dyn
Angular dynamics of a small particle in turbulence
我们计算了一个中性浮力近球形粒子浸没在不稳定流体的角动力学。我们假设粒子是小的，它的平移滑移速度可以忽略不计，非定常和对流惯性是小扰动。我们推导出一个近似的扭矩的粒子，确定第一惯性修正杰弗里的方程。这些修正是由于局部涡拉伸而产生的，并且在局部涡拉伸很强并且与湍流的不可逆性密切相关的湍流中可能很大。
2016-10-02 physics.flu-dyn
Wake-driven dynamics of finite-sized buoyant spheres in turbulence
悬浮在湍流中的颗粒受到湍流的影响，同时又对流动产生反作用。由此产生的耦合可以引起其动态的丰富可变性。在这里，我们报告的实验结果，从调查有限大小的浮力球在湍流。我们发现，即使是一个边际减少粒子的密度从流体可以导致其动力学的强烈修改。与经典的空间滤波参数和粒子模型的预测相反，我们发现粒子加速度方差随着尺寸的增加而增加。我们将这种相反的趋势追溯到尾流诱导力的贡献越来越大，这在当前的湍流粒子模型中是无法解释的。我们的研究结果强调了需要改进的多物理模型，考虑粒子尾流效应的忠实代表湍流中的湍流球动力学。
2015-09-19 physics.flu-dyn
