Inertial migration of slender prolate and thin oblate spheroids in plane Poiseuille flow
International Centre for Theoretical Sciences（国际理论科学中心）；Engineering Mechanics Unit, Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research（贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究工程力学组）
研究细长椭球体在低雷诺数和低约束比下的惯性迁移行为，揭示其在不同雷诺数下的迁移机制和平衡位置变化。
2025-08-30 physics.flu-dyn
Dynamics of levitation during rolling over a thin viscous film
University of British Columbia（不列颠哥伦比亚大学）
本文构建薄粘性液膜上滚动车轮的流固耦合动力学模型，分析不同宽度车轮的悬浮特性与溢流、稳定滑流状态，对比实验验证了理论预测的准确性。
2025-11-16 physics.flu-dyn
Fluid Dynamics and Passive Scalar Transport Driven by Non-Uniform Tumbling of a Prolate Spheroid in Simple Shear Flow
基于格子玻尔兹曼高保真模拟，研究了简单剪切流中长椭球被动标量输运，发现颗粒惯性通过影响翻滚均匀性改变流动与输运模式，且在低惯性下输运速率收敛于与Peclet数的共同关系。
2024-10-16 physics.flu-dyn
Kinematics and dynamics of freely rising spheroids at high Reynolds numbers
我们实验研究了几何各向异性对悬浮椭球粒子在静止流体中上升的影响。所有其它参数，例如伽利略数$Ga \approx 6000$和颗粒密度比$Γ\approx 0.53$保持恒定。颗粒的几何纵横比$χ$从$χ$ = 0.2（扁）到5（长）系统地变化。基于跟踪所有程度的粒子运动，我们确定了六个制度，其特征在于不同的上升动态。首先，对于$0.83 \le χ\le 1.20$，观察到增加的旋转动力学，并且颗粒以“翻滚”状运动半规则地翻转。其次，对于具有$0.29 \le χ\le 0.75$的扁颗粒，观察到平面规则的“之字形”运动，其中阻力系数与$χ$无关。第三，对于最极端的扁形几何形状（$χ\le 0.25$）的“颤振”样的行为被发现，其特征在于进动的振荡平面和阻力系数的增加。对于扁长的几何形状，我们观察到两个共存的振荡模式，有助于复杂的轨迹：第一个是相关的指向矢量的振荡，第二个对应于垂直于粒子的对称轴的运动。我们确定了一个“纵向”制度（$1.33 \le χ\le 2.5$），其中两种模式都是活跃的和一个不同的，“宽边”制度（$3 \le χ\le 4$），其中只有第二种模式存在。值得注意的是，对于最长的粒子（$χ= 5$），我们观察到一个完全不同的“螺旋”上升与完全独特的功能。
2020-12-06 physics.flu-dyn
Dynamics and stability of a fluid filled cylinder rolling on an inclined plane
对充液空心筒体在斜面上滚动的动力学和稳定性进行了分析。通过分析流体与筒体之间的相互作用，研究了二维运动。给出了描述非定常流体速度场和筒体运动的解析解。从这个解决方案，我们表明，终端状态是与一个恒定的加速度。我们还表明，这种状态是独立的液体粘度，只取决于壳质量的比例，流体的质量。然后，我们采用准定常冻结时间框架分析了该非定常流场的稳定性。研究了瞬时流场的稳定性，并通过记录特征值与虚轴相交的时间来表征从稳定状态到不稳定状态的过渡。据观察，流动变得不稳定，由于长波长的轴向波。我们发现了一个临界雷诺数（$\approx 5.6$）的基础上壳角速度在中性稳定性与相应的泰勒数是$\approx 125.4$。值得注意的是，我们发现，这个临界值是独立的无量纲群体管理的问题。我们表明，这个值的临界雷诺数可以解释从运动和动量扩散的时间尺度的比较，预测值接近$2 π$。
2014-11-30 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
Criterion for sliding / rolling characterization during droplet motion over superhydrophobic surfaces
超疏水表面是近年来研究的热点，其原因之一是超疏水表面的自清洁特性，即液滴在其表面上自由滚动的能力，但现有文献大多是关于液滴在超疏水表面上的静态润湿行为的研究，对液滴在超疏水表面上运动的物理机制也没有进行详尽的理论研究为了分析液滴在超疏水表面上的滑动/滚动特性，提出了一个无量纲数来表征液滴在超疏水表面上的滑动和滚动，这个数被称为“滑移雷诺数”.对不同表面和液滴特性的液滴运动进行了模拟，得到了一个与滑动/滚动行为相对应的唯一数值，并用文献中的实验对该数值的适用性进行了检验。
2015-11-27 physics.flu-dyn
The high-Reynolds-number stratified wake of a slender body and its comparison with a bluff-body wake
采用高分辨率混合方法对细长体高雷诺数分层尾迹流场进行了数值模拟。尾流发生器是一个6：1的长椭球体，带有一个翻转边界层，基于直径的体雷诺数为$Re= U_\infty D/ν= 10^5$，体弗劳德数为$Fr=U_\infty/ND=\{2,10,\infty\}$。对于钝体，尾流缺陷速度（$U_d$）按不同的尾流衰减率\citep{Spedding1997}分三个阶段衰减。但是，阶段之间的转换点不遵循预期的$Nt = Nx/U_\infty$值。与相似条件下圆盘尾流的比较\citep{Chongsiripinyo2020}量化了尾流发生器--钝体与细长体--在分层流中的影响。强分层$Fr=2$尾流处于共振状态。定常背风波强烈调制的平均流量，相对于磁盘，$Fr=2$球状体唤醒显示出较早的过渡，从非平衡（NEQ）阶段的准二维（Q2 D）阶段。NEQ-Q2 D转变之后是湍流动能和水平尾流曲折的急剧增加。在$Fr=10$，NEQ阶段的开始被延迟。动能和势能水库（平均和湍流）之间的转移进行了分析，并在相空间（当地弗劳德和雷诺数作为坐标）的流量进行了比较。总的来说，本研究的结果指出，很难找到一个通用的框架分层尾流演变，独立的身体的功能，并提供见解如何浮力效应取决于尾流发生器。
2023-02-19 physics.flu-dyn
Modelling aerodynamic forces and torques of spheroid particles in compressible flows
本文通过约千个可压缩流数值模拟算例，利用Spearman相关分析识别关键参数并改进球状颗粒的阻力、升力和俯仰力矩经验公式，新公式在低马赫数下与不可压缩公式一致，平均相对误差小于5%。
2024-08-31 physics.flu-dyn
Importance of fluid inertia for the orientation of spheroids settling in turbulent flow
非球形颗粒在流动中如何定向在许多科学和工程问题中具有重要的实际意义。在静止的流体中，缓慢沉降的颗粒会定向，使其宽边先沉降。这是由于沉降颗粒引起的流体的对流惯性引起的扭矩的影响，其使颗粒所经历的阻力最大化。湍流倾向于使颗粒取向随机化。最近，非球形颗粒在湍流中的沉降被分析，忽略对流流体惯性的影响，但考虑到湍流流体速度梯度对颗粒取向的影响。这些研究得出了相反的结论，即杆优先以其尖端先沉降，而盘优先以其边缘先沉降，因此使颗粒上的阻力最小化。在这里，我们考虑这两种效果，对流惯性扭矩以及扭矩由于波动的速度梯度，并询问在何种情况下，一个或另一个占主导地位。为此，我们估计两个转矩的大小之比。我们的估计表明，流体惯性扭矩在高雷诺数流动中占主导地位。在这种情况下，预期非球形颗粒以最大阻力沉降。但当雷诺数较小时，则流体速度梯度引起的扭矩可能占主导地位，导致颗粒首先以其宽侧沉降。
2019-08-27 physics.flu-dyn
Flow past an inclined spheroid in homogeneous and stratified environments
采用大涡模拟方法研究了以$α= 10^{\circ}$入射角放置的6：1长椭球绕流。将基于直径的雷诺数（$Re = U_{\infty}D/ν$）设置为$5\times10^{3}$的值，并分析了基于直径的弗劳德数（$Fr = U_\infty/ND$）的四个值：$Fr = \infty, 6, 1.9,$和$1$。压力系数（$C_p$）和摩擦系数（$C_f$）等值线的可视化显示了$Fr = \infty$和$6$流动的不对称性，而在$Fr = 1$和$Fr = 1.9$处，流过主体的流动没有任何可见的不对称性。这一发现进一步证实，通过对身体上的力系数的分析。对于$α= 10^{\circ}$，详细描述了压力系数（$C_p$）、摩擦系数（$C_f$）和阻力系数（$C_d$）随弗劳德数的变化。我们还提出了在$α= 0^{\circ}$的入射角的身体上的力的分析与$α= 10^{\circ}$的情况下进行比较。
2022-08-23 physics.flu-dyn
Orientation of Finite Reynolds Number Anisotropic Particles Settling in Turbulence
我们提出了实验和计算结果的取向分布的细长纤维和分枝颗粒沉降在一个各向同性的湍流。颗粒的旋转动力学使用细长体理论建模，该细长体理论包括由于倾向于使颗粒朝向宽边取向旋转的沉降引起的惯性扭矩。颗粒被假定为旋转，由于粘性力与湍流速度梯度发生在颗粒的长度尺度。在模拟中，湍流从拉格朗日参考系中的速度梯度的随机模型获得。在实验中，湍流是由主动射流在垂直水洞中产生的。众所周知，如果采用适当的有效纵横比，轴对称粒子根据球形粒子旋转的Jeffery解旋转。我们表明，同样的结果适用于一个分枝粒子组成的三个共面纤维连接在一个中心点，旋转像一个薄扁球体的等角。取向统计可以用单个无量纲参数，沉降因子$S_F$来量化，沉降因子定义为由于沉降和湍流剪切引起的旋转的比率。对于低值的$S_F$，我们观察到几乎各向同性取向的颗粒，而颗粒变得强烈对齐附近的水平面的高值的$S_F$。对于$S_F \gg 1$，偏离水平方向的角度方差为$S_F^{-2}$，但由于在此极限下的湍流不稳定性，方向分布为非高斯分布。
2023-03-30 physics.flu-dyn
Orientation instability of settling spheroids in a linearly density stratified fluid
该研究通过数值模拟发现，在分层流体中沉降的扁球体和长球体因浮力扭矩主导而出现边缘朝上的重新定向不稳定性，并增强了阻力。
2025-01-22 physics.flu-dyn
Effect of weak fluid inertia upon Jeffery orbits
本文研究定常粘性剪切流中轴对称中性浮力小颗粒的旋转问题。当惯性效应忽略不计时，该问题表现出无穷多个周期解，即“Jeffery轨道”。我们计算如何惯性效应解除其简并微扰求解耦合粒子流方程。我们得到了一个运动方程有效的小剪切雷诺数，任意长径比的球形颗粒。我们分析了\lq对数滚动\rq{}轨道的线性稳定性如何依赖于粒子形状，并发现它对长椭球体是不稳定的。这解决了一个难题的解释直接数值模拟的问题。一般来说，纳维-斯托克斯方程中的非定常项和非线性项都很重要。
2015-04-11 physics.flu-dyn
[Re] Three-dimensional wake topology and propulsive performance of low-aspect-ratio pitching-rolling plates
本文报道了在计算流体动力学中的一个完全复制的研究，使用浸入边界方法获得俯仰和滚转椭圆机翼的绕流。与最初的研究一样，计算实验研究了尾流拓扑和气动力，考察了雷诺数（100--400）、斯特劳哈尔数（0.4--1.2）、展弦比和滚转/俯仰相位差的影响。我们还包括一个网格独立性的研究（从500万到7200万网格单元）。尽管结果存在一些差异，但空气动力学性能的趋势和尾流拓扑结构的特征得到了复制。我们宣布复制成功，并完全提供所有数字工件和工作流定义，包括软件构建配方和容器映像，以及辅助数据和后处理代码。每个计算实验的运行时间在8.1到13.8小时之间，以完成5个挥舞周期，使用两个计算节点，每个计算节点具有双20核3.7GHz Intel Xeon Gold 6148 CPU和两个NVIDIA V100 GPU设备。
2021-05-03 cs.CE physics.flu-dyn
The dynamics of unforced turbulence at high Reynolds number for Taylor-Green vortices generalized to MHD
我们研究了衰减磁流体动力学（MHD）湍流，该湍流源于最近推广到MHD的泰勒-格林（TG）流的演化，具有相等的粘度和磁阻率，等效网格分辨率高达2048^3点。一个伪频谱代码中使用的对称性的速度和磁场已实施，允许在一个给定的雷诺数的计算机时间和内存的使用相当大的节省。流动是非螺旋的，在初始时刻，动能和磁能被认为是相等的，并集中在大尺度上。在512^3点网格上验证了该方法的有效性后，我们分析了泰勒雷诺数为~2200的大网格上的数据。我们发现，在MHD的全球时间演化加速，相比相应的中性流体的情况下。我们还观察到一个时间间隔时，这样的配置有准恒定的总耗散，在此期间的统计特性确定后，平均两个翻转时间的顺序。得到了弱湍流谱，并给出了各向异性谱。最后，我们对比了小尺度涡的发展与其他两个初始条件的磁场，并简要讨论了结构的发展，并显示了一个复杂的阵列的电流和涡度片清晰的卷起和折叠。
2009-06-07 physics.flu-dyn
Sedimentation of spheroids in Newtonian fluids with spatially varying viscosity
该研究针对零雷诺数下空间线性变黏度牛顿流体中旋转椭球体的沉降问题，通过摄动展开结合互易定理推导迁移率张量，揭示黏度梯度引发的新耦合效应及不同动力学行为，为复杂黏度场下的粒子沉降分析提供拓展思路。
2024-10-08 physics.flu-dyn
Rolling spinners on the water surface
旋转物体的角动量导致它们与场、波、流体和固体的显著相互作用。轨道运行的天体、运动中的球、热板上的液滴、光场中的纳米粒子和自旋的量子粒子都表现出非平凡的旋转动力学。在这里，我们报告自我导向推进的磁性快速自旋粒子在液体表面的固体边界的存在下。在某些临界旋转频率（更高的旋转雷诺数）以上，这样的颗粒产生局部3D涡流，并形成具有非平凡但鲁棒动力学的复合“旋转器涡流”准颗粒。这种旋转器涡流被吸引并动态地捕获在边界附近，沿着类似于“液体轮”的任何形状的壁传播。推进速度和到壁面的距离由旋转器的角速度通过马格努斯力和壁面排斥力之间的平衡来控制。我们的研究结果提供了一种新型的表面车辆，并提供了一个强大的工具来操纵流体中的旋转物体。
2021-08-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Experimental validation of fluid inertia models for a cylinder settling in a quiescent flow
流体中各向异性颗粒运动的精确描述依赖于对作用在它们上的力和力矩的理解。在这里，我们研究实验小，非常细长的颗粒在小雷诺数的流体中沉降。在我们的实验中，我们可以非常近似地将长径比β= 8和β= 16的圆柱形钨棒在纯甘油中的旋转速率与它们所经受的扭矩联系起来。这使我们能够比较测得的扭矩与细长杆极限或球体情况下获得的表达式。这两种理论预测一个简单的角度依赖的扭矩，这是发现捕捉非常好的实验结果。令人惊讶的是，细长杆近似预测β= 8时的结果比β= 16时好得多。在后一种情况下，为椭球体获得的表达式提供了更好的近似。平移动力学被证明是在定性的协议与细长杆和球体模型，前者被发现更好地代表实验数据。
2021-07-13 physics.flu-dyn
Fluid-inertia torques from particle-shape symmetry
Gothenburg University（哥德堡大学）；Aix-Marseille Univ.（艾克斯-马赛大学）；IFP Energies Nouvelles（法国石油研究院）；Wesleyan University（卫斯理安大学）
本文通过对称性分析和扰动理论，研究了不同对称性粒子在低雷诺数下所受的流体惯性扭矩形式，并通过显式计算验证了结论。
2026-01-13 physics.flu-dyn
Drag coefficient for irregularly shaped grains: rotational dependence at high Reynolds numbers
本文利用CFD和RANS模型研究不规则颗粒在高雷诺数下的阻力系数，发现其高于球体且随入射角呈正弦平方振荡，随机旋转下符合Weibull分布。
2024-02-15 physics.flu-dyn physics.geo-ph
A Generalized Model for Predicting the Drag Coefficient of Arbitrary Bluff Shaped Bodies at High Reynolds Numbers
本文提出一个适用于高雷诺数任意钝体的广义阻力系数模型，将形状与取向效应归入单一系数，并揭示惯性区阻力系数随雷诺数的变化率与物体形状无关，同时验证了其对多种钝体及历史数据的预测能力。
2024-10-03 physics.flu-dyn
The high-Re far wake of a slender body and the effects of density stratification
采用混合模拟方法研究了细长体高雷诺数尾迹的湍流边界层特性。尾流发生器是一个6：1的长球体，基于直径$D$的雷诺数为$Re = 10^5$。本文首次研究了细长体尾流远场的非层化尾流向完全自相似状态的过渡。与钝体尾流不同，在近尾流中，流动不受旋涡脱落的支配。相反，回流区非常小，近尾流是准平行的，其特征在于存在宽带湍流。模拟表明，这些特殊性显着改变了尾流的衰减速率，并挑战了普遍性的概念-远离身体的所有湍流尾流以相同的速率衰减的想法。还研究了弗劳德数$Fr=U_\infty/ND=2$和$10$下尾流分层的影响。结果表明，浮力效应的发生取决于尾流发生器，并且远尾流保留了初始条件的信息。
2022-11-06 physics.flu-dyn
Dynamics of deformable straight and curved prolate capsules in simple shear flow
本文研究了零雷诺数条件下无边界简单剪切流中中性浮力、微变形的直线和曲线扁长胶囊的运动。弯曲的胶囊作为镰状细胞病（SCD）中典型的新月形镰状红细胞的模型。揭示了变形能力和曲率对动力学的影响。我们表明，与低变形，直扁长球形胶囊翻滚在剪切平面作为其独特的渐近稳定的轨道，这与刚性球体的无穷多个中立稳定的Jeffery轨道存在。由于变形性和曲率的综合作用，弯曲的扁长囊的动力学更加复杂。在短时间内，根据初始方向，轻微变形的弯曲扁长胶囊表现出类似杰弗里的运动，如翻滚或皮划艇，或非杰弗里的行为，其中胶囊的端到端向量来回穿过剪切梯度平面。然而，在很长一段时间内，一个类似杰弗里的准周期轨道是采取无论初始方向。我们进一步表明，可以很好地近似使用Jeffery轨道的有效轨道常数$C_{\textnormal{eff}}$和纵横比$\ell_{\textnormal{eff}}$的解析解的长时间轨迹的平均值。当太空舱变得更易变形或弯曲时，$C_{\textnormal{eff}}$减小，表明轨道向原木滚动运动移动，而$\ell_{\textnormal{eff}}$随着曲率的增加而微弱地增加，但对变形性的依赖性可以忽略不计。由于细胞变形性、细胞形状和细胞-细胞相互作用在血液疾病如SCD中均发生病理改变，这些结果将对提高我们对血液疾病病理生理学的理解具有明确的意义。
2018-11-27 physics.flu-dyn
Dynamics of an oscillatory boundary layer over a sediment bed in Euler-Lagrange simulations
本文通过多雷诺数Euler-Lagrange模拟，揭示振荡边界层与可运动沉积床通过渗透性和颗粒反馈强耦合，并解释沙纹、悬浮及Shields数降低机制。
2025-10-03 physics.flu-dyn
The orientation dynamics of a massive ellipsoid in simple shear flow
本研究详细分析了大质量椭球在简单剪切流中的取向动力学，利用时间尺度分离和平均方法推导出慢流形上的自治常微分方程，揭示了绕最短轴旋转稳定、绕最长轴为鞍点等固定点特性。
2025-04-21 physics.flu-dyn
Locomotion by tangential deformation in a polymeric fluid
在几种生物学相关的情况下，细胞运动发生在Weissenberg {number}大于1的聚合物流体中。在这里，我们提出了在低雷诺数的模型聚合物（Giesekus）流体中的自推进体的稳定运动的三维数值模拟的结果。运动是由物体表面的稳定切向变形（所谓的蠕动运动）驱动的。在球形蠕动的情况下，我们表明，游泳速度系统小于在牛顿流体中，与最低发生的Weissenberg数的顺序一。游泳者所做的功的速率与单独在牛顿溶剂中发生的功的速率相比总是上升，但总是低于在具有相同粘度的牛顿流体中游泳所需的功率。游泳效率，定义为在相同流体中以游泳速度拉动身体所需的功的速率与游泳所做的功的速率之间的比率，发现在聚合物流体中总是增加。进一步的分析表明，聚合物应力打破了牛顿前后对称的身体周围的流动剖面。特别是，一个强大的负弹性尾流是目前背后的游泳者，这与强大的聚合物拉伸，其强度增加与Weissenberg数和粘度对比。{The由蠕动引起的速度在空间中的衰减速度比在牛顿流中的衰减速度快，并且对聚合物的弛豫时间和粘度有很强的依赖性。我们的计算结果也扩展到长球形游泳者和较小的聚合物拉伸细长形状相比，虚张声势的游泳者。游泳者的长宽比为2被认为是最有效的流体动力学。
2012-11-30 physics.bio-ph physics.flu-dyn
