Field investigation of 3D snow settling dynamics under weak atmospheric turbulence
本文利用三维PTV与雪花粒子分析仪开展现场观测，揭示四类雪花在弱湍流中的速度、阻力、蜿蜒轨迹及取向效应，以改进沉降速度和积雪预测模型。
2024-06-13 physics.flu-dyn
Reduced particle settling speed in turbulence
我们研究了有限大小的刚性球体在持续均匀各向同性湍流（HIT）中的沉降，采用浸没边界法来考虑分散的固相。我们研究了不同伽利略数，Ga。伽利略数是浮力和粘性力之间的比率，并且在这里通过固体与流体的密度比而变化。重点是比流体稍重的颗粒。我们发现在HIT中，平均沉降速度小于静止流体中的沉降速度，特别是当静止流体中孤立球的终极速度与湍流速度脉动之比减小时，平均沉降速度比静止流体中孤立球的终端速度减小6%~ 60%.通过对液固相对运动的分析，发现随着密度比的减小，由于颗粒横向流速引起的垂向阻力增大，平均沉降速度逐渐减小。非定常效应对平均总阻力的贡献约为6%-10%。颗粒速度和加速度的概率密度函数表明，它们与湍流的特性密切相关。如果时间按（2a）/u'（其中2a是颗粒直径，u'是湍流速度均方根）缩放，则发现对于所有Ga，在沉降方向上的颗粒均方位移是相似的。
2016-11-28 physics.flu-dyn
Multiscale preferential sweeping of particles settling in turbulence
在一篇开创性的文章中，\citet [J. Fluid Mech.，174：441-465]{maxey 87}提出了一种理论分析，其表明通过优先扫掠机制发生湍流中增强的颗粒沉降速度，这取决于惯性颗粒对流体速度梯度场的优先采样。然而，最近的直接数值模拟（DNS）导致\citet [J. Fluid Mech.，796：659- 711]{Ireland 16 b}表明，即使在不存在这种优先取样的参数空间的一部分中，颗粒仍然表现出增强的沉降速度。此外，有几个突出的问题，关于不同的湍流尺度的作用，对增强沉降，泰勒雷诺数$R_λ$的作用。马克西的分析并没有解释这些问题，部分原因是它仅限于粒子斯托克斯数$St\ll1$。为了解决这些问题，我们已经开发了一个新的理论结果，有效的任意$St$，揭示了多尺度的性质产生的机制增强沉降速度。特别地，它示出了优先扫描机制操作的尺度范围如何取决于$St$。这种分析是由DNS的结果，我们研究的作用，不同的流量尺度上的颗粒沉降速度粗粒化的底层流。结果表明，有助于增强沉降的流量尺度如何取决于$St$，并且与先前的权利要求相反，不可能存在表征增强沉降速度的单一湍流速度尺度。结果解释了颗粒沉降速度对$R_λ$的依赖性，并显示了在足够大的$R_λ$下这种依赖性的饱和如何取决于$St$。结果还显示…
2019-04-20 physics.flu-dyn
Scales of influence on the settling velocities of synthetic, industrial and natural particles in grid turbulence
采用光学测量技术，在网格湍流设施中测量了天然、合成和工业颗粒的沉降速度。采用粒子图像测速技术和二维粒子跟踪技术同时测量了流动的瞬时速度和颗粒的运动轨迹。我们发现，在这项研究中检查的颗粒（Rep = 0.4 - 123），沉降速度是增强或不变的相对于停滞流的范围内调查的湍流条件。最小的粒子最好的缩放与Kolmogorov为基础的斯托克斯数表明耗散尺度影响他们的动态。相比之下，中等大小的颗粒缩放更好的斯托克斯数的基础上的积分时间尺度。最大的颗粒基本上不受流动条件的影响。使用适当的正交分解（POD），流型尺度进行比较，粒子轨迹曲率，以补充通过使用斯托克斯数的量纲分析得到的结果。最小的颗粒被发现具有与小流量尺度（较高POD模式）相似尺度的曲率的轨迹，而中等大小的颗粒轨迹具有与较大流量模式（较低POD模式）相似的曲率。最大颗粒的曲率轨迹不对应于任何特定的流型尺度，这表明它们的轨迹更随机。这些结果提供了实验证据的“快速跟踪”理论的湍流中的沉降速度增强，并表明，颗粒对齐自己的流动尺度成比例的大小。
2015-11-03 physics.flu-dyn
Experimental study of inertial particles clustering and settling in homogeneous turbulence
我们实验研究的空间分布，沉降，亚Kolmogorov惯性粒子与均匀湍流的相互作用。利用零平均流空气湍流室，我们下降的大小选择的固体颗粒，并在多个分辨率的粒子成像和跟踪测速研究他们的动力学。载流同时测量悬浮示踪剂的粒子图像测速，允许分散相和连续相之间的相互作用的表征。基于泰勒微尺度的湍流雷诺数在$Re_λ\approx 200$ - $500$之间变化，而基于柯尔莫哥洛夫尺度的颗粒斯托克斯数在$St_η = O(1)$和$O(10)$之间变化。聚集被证实是最激烈的$St_η \approx 1$，但它扩展到更大的规模较重的粒子。单个的集群形成了一个自相似的、分形状的物体的层次结构，优先与重力和可以达到湍流整体尺度的大小对齐。值得注意的是，$St_η \approx 1$颗粒的沉降速度可以比静止空气的终极速度大几倍，并且团簇甚至可以更快地下落。这是由于向下的流体波动优先扫过颗粒，我们建议，这种机制是由大尺度和小尺度的湍流的影响。颗粒-流体滑移速度具有较大的方差，颗粒的瞬时雷诺数和阻力系数与其标称值相差很大。最后，对于足够的负载，颗粒通常增大小尺度流体速度波动，然而，这可能占湍流动能的有限部分。
2018-12-10 physics.flu-dyn
Settling of chiral particles in a turbulent flow
研究手性粒子在湍流中的沉降行为，揭示其取向动态和多种沉降模式，并通过理论模型解释其形成机制。
2026-01-05 physics.flu-dyn
Role of settling inertial particles in modulating flow structures and drag in Taylor-Couette turbulence
本研究通过双向耦合欧拉-拉格朗日模拟，发现沉降颗粒对Taylor-Couette湍流阻力调制呈非单调影响，轻颗粒在最优弗劳德数下减阻最大，重颗粒在强沉降下增阻，机制涉及Taylor涡相干性抑制与颗粒诱导湍流主导的转变。
2025-05-26 physics.flu-dyn
Investigating the parametric dependence of the impact of two-way coupling on inertial particle settling in turbulence
本研究针对双向耦合对湍流惯性粒子沉降影响的参数依赖性展开，通过广参数空间模拟明确了低质量载荷下的沉降增强效应，验证了优先扫掠机制的持续作用并揭示了双向耦合的额外流体拖拽效应。
2023-09-14 physics.flu-dyn
Mechanisms governing the settling velocities and spatial distributions of inertial particles in wall-bounded turbulence
本文采用理论和直接数值模拟方法研究了壁面湍流中惯性颗粒的平均垂直速度和空间分布。该理论基于描述粒子位置和速度的概率密度函数的精确相空间方程。这使我们能够确定控制粒子传输的不同物理机制。然后，我们研究了近壁粒子运动的渐近行为，揭示了与引力沉降时产生的近壁行为的根本差异。当平均垂直颗粒质量通量为零时，由于颗粒优先采样流体速度为正的区域，其与向下的Stokes沉降速度平衡，因此远离壁的平均垂直颗粒速度为零。当平均质量通量为负时，湍流和颗粒惯性的组合效应导致平均垂直颗粒速度可以显著超过Stokes沉降速度多达十倍。在离壁面足够远的地方，垂直速度的增加是由于优先扫掠机制。然而，当颗粒接近壁时，来自优先清扫机制的贡献变得很小，并且来自湍流泳动速度的向下贡献占主导地位。靠近壁面，粒子浓度按幂律增长，但这种幂律的性质取决于粒子的斯托克斯数。最后，我们的研究结果突出了如何Rouse模型的颗粒浓度是有限的惯性颗粒进行修改。
2020-10-06 physics.flu-dyn
Settling behaviour of thin curved particles in quiescent fluid and turbulence
本研究通过实验探讨了薄圆柱壳在静水与湍流中的沉降动力学，提出单摆模型解释速度波动，发现湍流降低了平均下降速度并引发独特的二次运动，同时增加了径向分散。
2021-04-21 physics.flu-dyn
On the influence of forced homogeneous-isotropic turbulence on the settling and clustering of finite-size particles
Institute for Hydromechanics, Karlsruhe Institute of Technology (KIT)（卡尔斯鲁厄理工学院水力学研究所）
研究强制湍流对有限大小粒子沉降和聚集的影响，发现湍流可降低聚集强度，但非单调衰减，且可能引发与湍流谱能量涡旋的共振。
2026-01-26 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
Sedimentation of elongated non-motile prolate spheroids in homogenous isotropic turbulence
浮游植物是水生食物网的基础。通过光合作用，浮游植物吸收相当于森林和其他陆地植物的二氧化碳，并将其转化为有机物质，然后由其他营养级较高的浮游植物生物体消耗。影响局部浓度和速度的机制对浮游生物中许多基于捕食者的过程具有重要意义，包括捕食者-捕食者相互作用、施肥和聚集体形成。我们报告的结果，从模拟下沉的浮游植物，被认为是细长的球体，在均匀的各向同性湍流回答的问题，下沉的浮游植物的轨迹和速度是否被湍流改变。我们特别表明，沉降的球状体的物理特性类似的硅藻弱集群和优先样品区域的下涌流，对应于平均沉降速度相对于平均沉降速度在静态流体中的增加。我们解释了不同的参数如何影响沉降速度以及可能涉及的潜在机制。有趣的是，我们观察到，在长球体的纵横比的增加可以通过两种机制影响颗粒的聚集和平均沉降速度：首先是纵横比对颗粒的旋转速率的影响，其饱和速度比第二种机制增加阻力各向异性。
2016-11-30 physics.flu-dyn
Orientation dynamics of a settling spheroid in simple shear flow: bifurcations and stochastic alignment
Indian Institute of Technology Madras（印度马德拉斯理工学院）
研究沉降椭球体在简单剪切流中的取向动力学，结合确定性动力系统分析与随机福克-普朗克处理，探讨剪切与沉降扭矩竞争对旋转运动与平衡态转变的影响，并分析噪声在不同沉降条件下的作用。
2026-04-15 physics.flu-dyn
Settling and clustering of particles of moderate mass density in turbulence
本文对均匀各向同性湍流中惯性小颗粒的沉降和聚团进行了数值研究。颗粒的密度比流体大，但不会比被置换的流体重得多。在固定的雷诺数和斯托克斯数，我们改变流体与颗粒的质量比和重力加速度。改变一个或另一个的效果是相似的，但不完全相同。我们报告的非单调行为的粒子的速度偏度和峰度与第二个参数，以及相关的异常行为的沉降速度相比，自由落体的斯托克斯速度，包括游荡的情况下。聚集增加重力加速度的增加，并为减少流体与颗粒的质量比。
2021-11-01 cond-mat.soft 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
Local analysis of the clustering, velocities and accelerations of particles settling in turbulence
使用三维Vorono \text{ï}分析，我们探讨了小，沉降，惯性粒子在各向同性湍流的局部动力学，使用直接数值模拟（DNS）。我们独立地改变泰勒雷诺数$R_λ\in[90,398]$，弗劳德数$Fr\equiv a_η/g\in[0.052,\infty]$（其中$a_η$是柯尔莫哥洛夫加速度，$g$是重力加速度），和柯尔莫哥洛夫尺度斯托克斯数$St\equivτ_p/τ_η\in[0,3]$。在协议与以前的结果，使用全球措施的颗粒聚类，如径向分布函数（RDF），我们发现，小Vorono \text{ï}卷（对应于最群集的颗粒），该行为强烈依赖于$St$和$Fr$，但只有弱依赖于$R_λ$，除非$St>1$。然而，较大的Vorono \text{ï}体积（空隙区域）表现出对$R_λ$的更强的依赖性，即使当$St\leq 1$，我们表明，这，而不是在小体积的行为，是Vorono \text{ï}体积的标准偏差的敏感性的原因，已被报道。我们还表明，颗粒沉降速度的最大贡献是与越来越大的Vorono \text{ï}体积的沉降参数$Sv\equiv St/Fr$增加。我们对沉降惯性颗粒的加速度统计的局部分析表明，聚集的颗粒在重力方向上经历净加速度，而空隙区域中的颗粒经历相反的加速度。然而，粒子加速度方差是Vorono \text{ï}体积的凸函数，有或没有重力，这似乎表明Vorono \…
2019-08-01 physics.flu-dyn
Clustering of Rapidly Settling, Low-Inertia Particle Pairs in Isotropic Turbulence. II. Comparison of Theory and DNS
本研究的第一部分提出了一个随机理论的聚类单分散，快速沉降，低斯托克斯数粒子对均匀各向同性湍流。该理论涉及发展封闭近似的漂移和扩散通量的概率密度函数（PDF）方程对相对位置。在这第二部分的论文中，理论进行定量分析，通过比较其预测的颗粒聚类与数据从直接数值模拟（DNS）的各向同性湍流包含颗粒沉降在重力下。在泰勒微尺度雷诺数$Re_λ= 77.76$下对三个弗劳德数$Fr = \infty,~ 0.052,~ 0.006$进行了DNS。弗劳德数$Fr$被定义为加速度的柯尔莫哥洛夫尺度与重力加速度的大小之比。因此，$Fr = \infty$对应于零重力，而$Fr = 0.006$对应于三种DNS情况中的最高重力值。对于每个$Fr$，在DNS中跟踪范围$ 0.01 \le St_η\le 0.2$内的六个斯托克斯数的颗粒，并且将颗粒聚类量化为分离和球极角的函数。其中$St_η$ ~是颗粒粘性弛豫时间与柯尔莫哥洛夫时间尺度的比率。我们比较了DNS和理论值的幂律指数$β$特征的依赖于分离的聚类。$Fr = 0.006$情况下的DNS $β$与使用第二个漂移闭合（称为DF 2）获得的理论预测之间存在合理的一致性。此外，与DNS一致，理论表明$St_η\ll 1$颗粒的聚集仅是弱各向异性的。
2018-08-15 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
An experimental study on the settling velocity of inertial particles in different homogeneous isotropic turbulent flows
本文对不同背景湍流下稠密亚Kolmogorov惯性颗粒的重力沉降速度进行了实验研究。我们报告相位多普勒粒子分析仪测量在低速风洞均匀播种微米尺度的水滴。湍流由三种不同的网格生成（两种由不同的主动网格协议组成，而第三种是常规的静态网格），使我们能够涵盖基于泰勒尺度的雷诺数（$Re_λ\in [30-520]$），劳斯数（$Ro \in [0-5]$）和体积分数（$ϕ_v \in[0.5\times10^{-5} - 2.0\times10^{-5}]$）方面的非常广泛的湍流条件。我们发现，在协议与以前的工作，增强的沉降速度发生在低的Rouse数，而阻碍的沉降发生在较高的Rouse数为降低湍流能级。广泛的流动参数的探索，使我们能够观察到，增强显着降低与泰勒雷诺数，并显着影响的体积分数$ϕ_v$。我们还研究了大尺度强迫对沉降速度修正的影响。通过使用不同的网格来改变流入条件的可能性使我们能够测试具有固定$Re_λ$和湍流强度但不同积分长度尺度的情况。最后，我们评估了二次流的存在，在风洞和颗粒沉降的作用。这是通过表征两个不同位置（中心线和靠近壁）的沉降速度来实现的，具有相同的流向坐标。
2022-07-14 physics.flu-dyn
Role of boundary conditions and wall orientation on the transport of settling inertial particles in wall-bounded flows
本文通过直接数值模拟研究了边界条件和壁面取向对垂直通道中颗粒输运的影响，发现沉降效应在小$Sv$时可忽略，但当$Sv\geq O(1)$时变得显著。
2025-12-02 physics.flu-dyn
Settling and Clustering of Snow Particles in Atmospheric Turbulence
湍流对降雪的影响在目前的天气预报模式中没有考虑。在这里，我们证明了湍流实际上是对降雪速度和空间分布的关键影响。我们考虑三个降雪事件下的大气湍流水平有很大的不同。我们表征的雪颗粒的大小和形态，我们同时成像的速度，加速度和相对浓度超过垂直平面约30平方米的面积。我们发现，顺磁驱动的沉降增强解释否则颗粒尺寸和速度之间的矛盾趋势。Stokes数的估算以及垂向流速与局部浓度的相关性表明，优先扫掠机制是强化沉降的根源。当雪的垂直速度比特征湍流速度大时，交叉轨迹效应导致强烈的加速度。当满足优先扫掠条件时，浓度场高度不均匀，在很大尺度范围内出现聚集现象。这些集群，第一次在自然发生的流中识别，显示在规范设置中看到的签名特征：幂律尺寸分布，分形形状，垂直伸长，以及随集群大小增加的大下降速度。这些研究结果表明，粒子负载湍流的基本现象可以被利用到一个更好的预测了解雪降水和地面积雪。他们还演示了如何环境流量可以用来调查分散的多相流在雷诺数在实验室实验或数值模拟中无法访问。
2020-06-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Collision efficiency of rapidly settling particle pairs in a turbulent flow
Indian Institute of Technology Madras（印度理工学院马德拉斯分校）；Cornell University（康奈尔大学）
本研究探究均匀各向同性湍流中快速沉降颗粒对的碰撞动力学，建立相关扩散模型与方程，得出理想碰撞率随重力与湍流相对强度增加而递增、碰撞效率则递减的结论。
2026-08-18 physics.flu-dyn
Settling dynamics of an oloid: experiments and simulations
本文通过实验与数值模拟研究橄榄体颗粒在静止流体中的沉降动力学，发现其存在稳定与翻滚两种下落模式，并揭示了伽利略数和初始取向对取向及旋转行为的影响。
2025-11-07 physics.flu-dyn
Evidence of preferential sweeping during snow settling in atmospheric turbulence
我们提出了一个现场研究雪沉降动力学的基础上同时测量的大气流场和雪粒子轨迹。具体而言，超大规模粒子图像测速（SLPIV）系统使用天然雪粒子作为示踪剂部署到量化的速度场，并确定在一个22米$\times$ 39米的视野中心18米以上的地面上的涡结构。同时，我们跟踪单个雪粒子在3米$\times$ 5米的样品区域内的SLPIV使用粒子跟踪测速（PTV）。结果揭示了大气湍流涡旋结构、雪粒子浓度空间分布及其沉降动力学之间的直接联系。特别是，在近临界斯托克斯数的雪湍流相互作用，雪颗粒的沉降速度增强是多倍的，并大于在以前的实地研究中观察到的。SLPIV测量结果表明，较高浓度的雪粒子优先位于在大气流场中确定的涡旋的下侧。PTV，在重建的漩涡周围的高分辨率图像上进行，证实了后一种趋势，并提供了雪粒子加速的统计证据，因为它们向漩涡的下侧移动。总的来说，这里提出的同时多尺度粒子成像使我们能够直接量化优先扫描的显着特征，支持它作为大气表层雪沉降增强的潜在机制。
2021-09-10 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Settling of two rigidly connected spheres
结合实验与粒子解析模拟，研究不等径刚性连接双球在不同纵横比和 Galileo 数下的沉降方位、速度及尾流机制，并给出终端特性的经验标度律。
2024-06-14 physics.flu-dyn
Thermal behaviour of settling heavy inertial particles in turbulent natural convection
University of Torino（都灵大学）
本研究通过直接数值模拟，探讨了湍流热对流中沉降重惯性粒子的动力学与热行为，量化了动态和热惯性效应，并揭示了粒子速度与温度波动与流体变量的相关性及沉降与优先集中的相互作用。
2026-09-25 physics.flu-dyn
Fluid inertial torque is an effective gyrotactic mechanism for settling elongated micro-swimmers
海洋浮游生物通常被建模为沉降细长的微型游泳者。第一次，我们考虑的扭矩引起的流体惯性对这样的游泳者，我们发现，他们自发地游泳的方向与重力相反。我们使用直接数值模拟分析了静止流体中游泳者的平衡取向和湍流中的平均取向。类似于众所周知的回转机制，流体惯性扭矩的影响可以通过有效的重定向时间尺度来量化。我们发现，游泳者的方向强烈依赖于重定向的时间尺度，和游泳者表现出强烈的优先对齐向上的方向时，时间尺度是相同的顺序Kolmogorov时间尺度。我们的研究结果表明，流体惯性力矩是一种新的回转机制，稳定的微型游泳者，如浮游生物的向上方向。
2022-04-19 physics.bio-ph physics.flu-dyn
History effects in the sedimentation of light aerosols in turbulence: the case of marine snow
我们分析了近中性浮力颗粒的沉积上的巴塞历史力的效果，例如海洋雪，在三维湍流。颗粒的特征在于斯托克斯数远小于1，静水沉降速度，以柯尔莫哥洛夫速度为单位测量，为一阶。Maxey-Riley方程中历史力的存在导致与没有这种力的惯性粒子和理想沉降示踪剂的动力学强烈不同的个体轨迹。然而，当考虑一个大的粒子系综时，所有三种动力学的统计特性变得更加相似。历史力的主要影响是一个相当缓慢的，幂律型收敛到一个渐近的沉降速度的质心，这是发现在静止流体中的沉降速度的数值。系综的空间扩展扩散增长后，最初的弹道式增长持续到约。一个大涡流的周转时间。我们证明，这种轻的聚集体的质心的沉降最好近似的沉降动力学在静止流体中发现的历史力，在其顶部的波动出现，非常密切地遵循那些湍流速度场。
2016-01-06 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Orientation Dynamics of Sedimenting Anisotropic Particles in Turbulence
我们研究了小的各向异性颗粒（球体）通过均匀的各向同性湍流沉降的动力学，使用直接的数值模拟和理论。重力引起的惯性力矩作用于亚柯尔莫哥洛夫球体导致发音非高斯取向分布局部化的宽边（重力）方向。取向分布和平均沉降速度在很宽的范围内的球体的长宽比，斯托克斯和佛劳德数。模拟的定向力矩与分析预测的惯性快速稳定极限比较好，两者都表现出非单调依赖于球体的纵横比。偏差出现在斯托克斯数的顺序统一由于空间不均匀的颗粒浓度场产生的优先清扫效果，因此，时间平均的颗粒沉降速度超过取向平均的估计。
2020-07-18 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Two regimes of dilute turbulent settling suspensions under shear
本文数值研究了剪切流中稀释非惯性沉积物的湍流沉降，发现根据沉降速度可分为均匀弱分层湍流和顶部湍流底部间歇边界层两种状态，中等沉降速度下流动层流化。
2025-05-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Pair statistics of oblate spheroids settling in a turbulent flow
本文通过直接数值模拟研究湍流中沉降扁球体的聚集与配对统计，发现各向异性越强聚集越显著，且接近速率偏离球形颗粒极限，为云中冰晶碰撞模型提供关键输入。
2025-04-09 physics.flu-dyn
Settling of an asymmetric dumbbell in a quiescent fluid
本文研究小而有限雷诺数下不对称哑铃在静止流体中的沉降，通过计算水动力扭矩揭示球体尺寸差异与流体惯性对其稳态取向的竞争影响。
2016-08-06 physics.flu-dyn
Preferential concentration of free-falling heavy particles in turbulence
本文提出了重力作用下重粒子在湍流中输运的一种扫杆机制。直接的数值模拟表明，这些粒子优先探索区域的流动接近零拉格朗日加速度。然而，颗粒聚集的流体元件的实际拉格朗日加速度不是零，并且依赖于斯托克斯数、重力加速度和颗粒的沉降速度。
2020-07-27 physics.flu-dyn
Forcing homogeneous turbulence in DNS of particulate flow with interface resolution and gravity
我们考虑的情况下，有限大小的球形颗粒是在重力作用下，在均匀的湍流背景流。湍流是被迫与援助的随机强迫方法Eswaran和教皇[计算。Fluids，16（3）：257-278，1988]，而固体颗粒用浸没边界方法表示。强迫计划是用来产生各向同性湍流在垂直细长的盒子，以保证更好的去相关的拉格朗日信号在重力方向。由于只有有限数量的傅立叶模式被强制，因此可以直接在物理空间中评估强制场，从而避免全尺寸变换。从受迫动量方程出发，导出了箱平均动能的收支。中等规模的模拟稀悬浮液在低泰勒尺度雷诺数$Re_λ=65$，小密度比$ρ_p/ρ_f=1.5$和两个伽利略数$Ga=0$和120进行了长时间间隔，以排除缓慢发散的可能性。结果表明，在零重力下的结果是完全符合以前的实验测量和可用的数值参考数据。有限重力情况下的具体特点进行了讨论，相对于减少的平均沉降速度，加速度统计和拉格朗日自相关。
2015-11-26 physics.flu-dyn
Effects of particle size and background rotation on the settling of particle clouds
我们的实验研究的行为的瞬时局部释放的重粒子下降的湍流云在静止的水，有和没有背景旋转。我们提出了514个系统的实验结果，没有旋转和三个旋转速率$Ω= 5,10,20$ rpm，并在$5μm$到$1mm$范围内的颗粒大小，探索四十年的劳斯数$\mathcal{R} \in [6\times 10^{-4},4]$，它量化了颗粒的惯性。在Morton \textit{et al.}所描述的湍流热气流的正则框架中，[Proc.R.数学、物理、科学\textbf{234}，1（1956）]，我们比较粒子云与盐水热气流，突出的特殊性，由于颗粒的湍流强迫的性质。在没有旋转的情况下，粒子云最初表现为咸热气流与调制的夹带能力，这是最佳的增强有限的惯性$\mathcal{R}\simeq 0.3$由于颗粒的影响。然而，由于湍流涡流和颗粒之间的惯性解耦，这种湍流状态在时间上是有限的。对于这里探讨的三个值的$Ω$，颗粒增强夹带被抑制。此外，当科里奥利力克服其惯性时，云的膨胀被中断，迫使云转变为旋涡柱状流，这大大增加了颗粒的停留时间。
2023-01-17 physics.flu-dyn
Dynamics of small heavy particles in homogeneous turbulence: a Lagrangian experimental study
研究了微观重粒子在均匀湍流中的沉降行为。这些机制与尘埃和液滴的空气传播有关：泰勒微尺度雷诺数为Re = 289 - 462，柯尔莫哥洛夫尺度斯托克斯数为St = 1.2 - 13，柯尔莫哥洛夫加速度与重力加速度相当（即，因此，Frude数Fr = O（1）。我们使用高速激光成像来跟踪颗粒，同时表征空气速度场，解决所有相关的时空尺度。由粒子采样的流的作用是突出的。在本参数范围内，颗粒沉降速度与湍流速度尺度成比例地提高。与流体相比，重力和惯性都降低了颗粒的速度波动;而它们分别通过交叉轨迹和惯性过滤机制对颗粒加速度产生竞争作用。高应变/低涡度区域的优先采样是可测量的，但其对全球统计的影响是中等的。惯性粒子在小的分离处具有大的相对速度，这增加了它们的配对分散;然而，重力通过使它们经历与示踪剂相比在时间上更快地去相关的流体速度来抵消这种效应。根据观测结果，我们推导出一个分析模型来预测任意St，Fr和Re的粒子速度和加速度方差。这与目前的观察和以前的模拟结果一致，并捕捉到了惯性和重力的各自影响，这两者在运输中起着至关重要的作用。
2021-03-11 physics.flu-dyn
Development and application of a multiphase Lagrangian structure function model in anisotropic turbulence
University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；University of Notre Dame（圣母大学）
研究壁面边界湍流中流动各向异性对欧拉尺度上沉降惯性拉格朗日粒子相能量学的作用，用欧拉-拉格朗日直接数值模拟，揭示尺度粒子能量学与湍流强度等的复杂关系，推导守恒定律并讨论相关影响。
2026-07-07 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Effects of settling on inertial particle slip velocity statistics in wall bounded flows
本研究通过统计框架推导壁面湍流中沉降惯性颗粒滑移速度矩的连续方程，结合直接数值模拟明确滑移方差的主导机制，对比现有加速度方差模型并分析误差来源，为大气粗尘输运建模提供参考。
2024-06-19 math-ph math.MP physics.ao-ph
Assessment of the point-wise approach for the Turbulent Settling of finite-size particles
本文通过单向耦合直接数值模拟评估点式方法在有限尺寸颗粒湍流沉降中的有效性，结果表明该方法能准确捕捉沉降速度及高阶统计量，且与颗粒解析模拟结果吻合良好。
2025-03-09 physics.flu-dyn
Settling of cohesive sediment: particle-resolved simulations
我们开发了一个物理和计算模型进行完全耦合，颗粒分辨直接数值模拟粘性泥沙，浸没边界法的基础上。该模型将cohesion内聚力分布在围绕每个颗粒的薄壳上，从而允许颗粒-颗粒相互作用期间的cohesion内聚力的空间和时间分辨率。cohesion内聚力的影响是由一个单一的无量纲参数的凝聚数的形式，它表示的比例的凝聚力和重力作用在一个颗粒上。我们测试和验证的cohesion内聚力模型的牵引接吻翻滚（DKT）配置的二元粒子相互作用。DKT模拟表明，粘性颗粒对以优选的取向沉降，具有非常不同尺寸的颗粒优先在垂直方向上排列，使得较小的颗粒在较大颗粒的尾流中被起草。为了在更复杂的系统中测试这种机制，我们从静止开始对1，261个多分散沉降颗粒进行了大型模拟。这些模拟重现了其他作者的几个早期实验观察结果，例如由于颗粒结合而加速了沙子和淤泥颗粒的沉降。模拟表明，cohesion内聚力加速了整个沉降过程，主要是因为较小的颗粒附着在较大的颗粒上并在其尾流中沉降。对于本内聚力数值，我们观察到沉降可以加速高达29%。我们提出了物理为基础的参数化的经典受阻沉淀功能提出的早期作者，为了考虑到cohesion内聚力。能量收支的研究表明，碰撞力的功可以大大改变相关的能量转换过程。
2018-09-18 physics.flu-dyn
Dispersed Phase of Non-Isothermal Particles in Rotating Turbulent Flows
我们提出了旋转和重力与湍流结构之间的相互作用对旋转湍流流动中非等温颗粒分散相的冷却/加热的某些影响。这些效果是通过推导基于粒子的宏观方程的动力学或概率密度函数获得的。在这样做时，对于单向温度耦合，我们还表明，均匀的，各向同性的非等温流体湍流不影响平均温度（虽然它影响平均速度）的分散相的颗粒沉降由于重力在各向同性湍流。
2015-04-04 physics.flu-dyn
Transport by waves and turbulence: Dilute suspensions in stably stratified plane Poiseuille flow
本文通过数值模拟研究稳定分层平面泊肃叶流中被动稀沉积物的输运，揭示强分层与大尺度混合导致梯度扩散模型失效。
2025-01-08 physics.flu-dyn
How two-way coupling modifies the multiscale preferential sweeping mechanism
对于单向耦合（1 WC）流，Tom & Bragg（J. Fluid Mech.，871，pp. 244-270，2019）推进了Maxey的分析（J. Fluid Mech.，174，pp. 441-465，1987），其适用于弱惯性颗粒，适用于任意惯性的颗粒，并且新的理论结果揭示了不同尺度在导致湍流中增强的颗粒沉降的优先清扫机制中所起的作用。蒙绍-德琼（Phys. Rev. Fluids，2，104302，2017）使用直接数值模拟（DNS）表明，虽然对于低颗粒负载，双向耦合（2 WC）对全局流动统计的影响很弱，但2 WC使颗粒能够将其附近的流体拖下，从而显著增强其沉降，他们认为2 WC抑制了优先扫描机制。我们进一步探讨这一点，考虑2 WC的影响，由不同大小的涡流对颗粒沉降的贡献。与Monchaux和Dejoan的协议，我们表明，即使在低负荷，2 WC强烈增强颗粒沉降，我们展示了2 WC如何修改不同的流量尺度的贡献。然而，与他们的研究相反，我们发现，优惠清扫仍然是重要的2 WC流量。特别地，对于1 WC和2 WC流，由于湍流引起的沉降增强由来自流的应变区域中的颗粒的贡献主导，但是对于2 WC情况，这些区域中的颗粒还将流体与它们一起向下拖曳，导致与1 WC情况相比它们的沉降增强。
2022-02-02 physics.flu-dyn
Inertia induces strong orientation fluctuations of non-spherical atmospheric particles
该研究通过实验与理论分析揭示，空气中亚毫米非球形颗粒因高颗粒-流体密度比产生惯性取向振荡，为大气颗粒建模提供关键依据。
2024-10-01 physics.flu-dyn
A Rational Model of Large-Scale Motion in Turbulence
提出了一个合理的理论来描述湍流中的大尺度运动。提出了将具有内取向结构的流体单元作为流体动力学的基本单元。取向结构的变化，然后构成新的领域，适合于描述湍流中的旋涡状态。当流体元为开子系统时，应建立湍流的可微流形描述，并由所构造的拉格朗日耗散能量密度的变分法导出完整的流体动力学。导出的动力学方程表明，涡旋的演化与角动量平衡有着天然的联系。
2011-05-30 physics.flu-dyn
Dynamics of two disks settling in a two-dimensional narrow channel: From periodic motion to vertical chain in Oldroyd-B fluid
在这篇文章中，我们提出了一个数值研究两个磁盘的动态沉降在一个狭窄的垂直通道充满Oldrophil-B流体。得到了两种粒子动力学：（i）两个圆盘之间的周期性相互作用和（ii）两个圆盘的链形成。对于两个圆盘的周期性相互作用，得到了两种不同的运动：（a）两个圆盘保持远离并周期性地相互作用;（b）两个圆盘由于缺乏足够强的弹性力，以周期性的方式紧密地相互作用，然后远离，类似于两个圆盘在牛顿流体中沉降时的拖曳、亲吻和翻滚。对于在弹性数较高时发生的双盘链的形成，它要么是倾斜链，要么是垂直链。无论是弹性数小于垂直链的临界值，还是马赫数大于长体侧面坠落的临界值，都可以得到倾斜链，因此弹性数和马赫数的大小决定了链能否形成以及链的取向。
2016-07-20 physics.flu-dyn
Translational and rotational dynamics of a large buoyant sphere in turbulence
我们报告的平移和旋转动力学的一个大的浮力球在各向同性湍流的实验测量。我们介绍了一种有效的方法，同时确定的位置和（绝对）方向的一个球体从视觉观察。该方法采用最小化算法从绘制到球体表面上的特定图案的2D投影获得取向。这具有以下优点：它不需要参考图像的数据库，使用并行处理可容易地缩放，并且实现精确的绝对取向参考。球体的平移动力学分析揭示了流向和横向方向之间的明显差异。平移自相关和PDF提供了证据，即使在湍流条件下，在粒子的动力学周期性。角自相关显示出弱的周期性。角加速度表现出宽尾，但没有方向依赖性。
2016-03-08 physics.flu-dyn
Effect of particle inertia on the alignment of small ice crystals in turbulent clouds
本文研究颗粒惯性对湍流空气中沉降冰晶取向的影响，通过含惯性理论揭示 St 即使很小也会增大倾角方差，并给出不同 Sv 渐近区间及云况参数预测。
2021-02-04 cond-mat.soft physics.ao-ph physics.flu-dyn
Controlling heat transport and flow structures in thermal turbulence using ratchet surfaces
在这个结合实验和数值模拟研究热驱动的湍流在一个矩形的细胞，全球热传输和相干流结构的控制与不对称的棘轮状粗糙的顶部和底部的板。我们表明，通过对称性破缺由于存在的棘轮结构上的导电板，大规模循环辊（LSCR）的方向可以锁定到一个优选的方向，即使当细胞是完美的水平。通过引入一个小的倾斜系统，我们表明，LSCR的方向可以调整和控制。LSCR的两个不同的方向给出了两个完全不同的热传输效率，表明热传输是敏感的LSCR方向的非对称粗糙结构。通过定量分析热羽流排放的动力学和LSCR在非对称结构上的取向，我们为这些发现提供了物理解释。目前的工作具有重要的意义，被动和主动流动控制工程，生物流体动力学，地球物理流。
2017-12-26 physics.flu-dyn
Prolate spheroids settling in a quiescent fluid: clustering, microstructures and collisions
本文利用颗粒解析直接数值模拟揭示长椭球沉降速度随体积分数的非单调变化，并阐明聚集、尾流、微结构与碰撞率机制。
2024-11-08 physics.flu-dyn
Full rotational dynamics of plastic microfibers in turbulence
本研究针对海洋中微塑料运动受旋转动力学调控的问题，对略大于Kolmogorov长度尺度的细长弯曲塑料微纤维开展光学拉格朗日实验，获得其自旋与翻滚速率的均匀数据并结合湍流特征解释，为微塑料输运研究提供支撑。
2024-08-01 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Capturing Velocity Gradients and Particle Rotation Rates in Turbulence
湍流流体流动表现出复杂的小尺度结构，经常出现极端的速度梯度。粒子探测这种漩涡和应变区域的响应与一个复杂的形状依赖的取向动力学，这敏感地依赖于粒子的历史。在这里，我们系统地开发了一个降阶模型的小尺度动力学的湍流，它捕获沿粒子路径的速度梯度统计。由此产生的随机动力系统的分析，可以精确定位的出现非高斯统计和非平凡的时间相关性的涡度和应变，如先前报道的实验和模拟。基于这些见解，我们使用我们的模型来预测湍流中各向异性颗粒的取向统计，从而实现复杂颗粒流的大量建模应用。
2020-11-27 physics.flu-dyn
Accumulated densities of sedimenting particles in turbulent flows
本文用直接数值模拟的方法研究了湍流对颗粒沉降层的影响。一个拉格朗日模型，其中颗粒被认为是示踪剂与一个额外的向下沉降速度被集成在一起的各向同性均匀湍流。我们研究的空间分布的粒子时，他们被收集在一个平面上的非渐近时间。我们将由此产生的粗粒颗粒密度的拉伸速率沿颗粒轨迹的历史和密度的投影到积累平面上，并分析的雷诺数和沉降速度的均匀性的偏差。我们确定了两个制度，出现在早期和混合阶段的平流。在前一种状态下，随着沉降速度的降低或雷诺数的增加，颗粒分布的不均匀性增加，而在后一种状态下，颗粒分布的不均匀性增加。这两个制度之间的共振交叉，其中不均匀性是最大的。
2020-07-07 physics.flu-dyn
