Universal Behaviour of Settling and spreading of particle clusters in quiescent fluids in confined vessels
在这里，我们报告的颗粒团沉降在高雷诺数的静态流体中的容器中的实验。观察到颗粒以接近圆形的形状沉降，而与容器横截面的形状和颗粒形状、尺寸和类型无关。研究了不同参数如颗粒的质量、类型和纵横比、高度和液体粘度的影响。形成半球形底盖的集群，反弹后击中容器的底部表面被发现是负责最终的圆形形状的解决结构。从簇中的颗粒泄漏被视为尾部的形式。在粘度超过100 cP的液体中，观察到簇断裂，这导致最终沉降颗粒的受阻沉降和不对称形状。这些观测结果有助于了解可以观察到此类集群沉降的总体区域。
2020-03-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Theory for the effect of fluid inertia on the orientation of a small particle settling in turbulence
通过湍流云沉降的冰晶被湍流速度梯度旋转。同样，湍流影响着海洋中沉积的有机物聚集体的方向。事实上，自然界中遇到的大多数固体颗粒都不是球形的，它们的方向会影响它们的沉降速度以及颗粒之间的碰撞率。因此，了解非球形颗粒在湍流中沉降的取向分布是非常重要的。在这里，我们研究的角动力学的小长椭球体解决均匀各向同性湍流。我们认为，由于对流惯性流体扭矩占主导地位的问题的限制，使杆解决基本上水平。湍流导致的沉降颗粒的取向波动，我们计算其取向分布的长椭球体任意纵横比为大沉降数SV（沉降速度的无量纲措施），假设小斯托克斯数St（粒子惯性的无量纲措施）。该过阻尼理论预测，在大Sv下取向分布非常窄，方差与${\rm Sv}^{-4}$成比例。通过考虑质点惯性的作用，分析了过阻尼理论的局限性，确定了其适用范围。我们的预测与湍流简化模型的数值模拟非常吻合。最后，我们将我们的结果与另一种理论预测的方向方差尺度为${\rm Sv}^{-2}$在大Sv。
2019-03-31 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
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
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
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
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
Diffusion-limited settling of highly porous particles in density-stratified fluids
本文研究高孔隙率颗粒在密度分层流体中的扩散限制沉降，推导出稳态沉降速度公式，揭示小颗粒沉降更快的反直觉现象，并通过实验验证及提出由颗粒轨迹反演背景密度剖面的方法。
2024-09-04 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
Dynamics of Ball-Chains and Very Elastic Fibres Settling under Gravity in a Viscous Fluid
我们实验研究的动态的一个和两个球链沉降在重力下在一个非常粘滞的流体在雷诺数远小于单位。我们证明，在大多数情况下，单球链不倾向于平面，经常旋转，不保持在同一水平水平的两端。较短的球链通常形成类似扭曲U的形状，而较长的球链在演化的早期阶段形成类似扭曲W的形状，并且后来非对称地变形并且显著地偏离平面。这种行为是重现在我们的数值模拟一个单一的非常有弹性的细丝，与使用珠模型和多极展开的斯托克斯方程，校正润滑和实施的精确Hydromultipole数值代码。在我们的实验中，两个球链，最初一个在另一个上面，后来移动远离或接近对方，一个更大或更小的初始距离，分别。
2023-03-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of particle sedimentation in a Bingham fluid
通过改变固体体积分数$ϕ$和屈服数$Y$的直接数值模拟，研究了无限长圆柱体在静止粘塑性流体中的稀悬浮液的沉降效率和沉降稳定性。对于足够大的$Y$，我们发现增加$ϕ$的沉降效率更高，类似于在剪切稀化流体中发现的，而与在牛顿流体中发现的相反。悬浮液在载液中保持静止的临界屈服数被发现与$ϕ$单调增加，而过渡到沉降被发现是扩散的：在相同的悬浮液中，颗粒簇可能会沉降，而更多的孤立颗粒保持被捕。在这个制度中，复杂的流动功能中观察到的沉降悬浮液，包括附近的沉降集群的孤立粒子的动员。了解这一制度，并过渡到一个完全逮捕的状态，是相关的许多工业和自然的问题，涉及静态流动条件下的粘塑性悬浮液的沉降。
2018-06-12 physics.flu-dyn
Particle settling in turbidity currents: concentration-gradient-driven biased sampling
Imperial College London（帝国理工学院）；Toulouse INP–ENSEEIHT（图卢兹国立理工大学-ENSEEIHT）
通过双向耦合欧拉-拉格朗日直接数值模拟，发现颗粒位置处采样流体速度的向上偏差主导了有效沉降速度的降低，并建立了跨全水深的简单模型。
2026-10-20 physics.flu-dyn
The effect of $Re_λ$ and Rouse numbers on the settling of inertial particles in homogeneous isotropic turbulence
在风洞中对主动网格湍流中稠密亚Kolmogorov粒子的沉降速度进行了实验研究。使用相位多普勒干涉，我们观察到的惯性颗粒的沉降速度的修改，均匀各向同性湍流和稀释条件下$ϕ_v\leq O(10)^{-5}$，是由泰勒为基础的雷诺数$Re_λ$的载体流。相反，我们没有发现流体和重力加速度之间的比率的强烈影响（即，$γ\sim(η/τ_η^2)/g$）对颗粒沉降行为的影响。值得注意的是，我们的研究结果表明，阻碍的沉降速度（即测量的颗粒沉降速度小于其各自的一个在静止流体条件下）的颗粒所经历的增加值的$Re_λ$，逆转沉降增强下发现中间$Re_λ$条件。这一观察结果适用于所研究的所有颗粒尺寸，并且与文献中先前的实验数据一致。在研究的最高$Re_λ$，$Re_λ>600$，粒子增强制度不再存在。我们的数据还表明，对于中等Rouse数，当通过载波相位rms波动将该差异归一化时，测量的颗粒沉降速度与其在静止流体条件下的速度之间的差异与Rouse成线性比例，即，$(V_p-V_T)/u\sim -Ro$。
2020-11-10 physics.flu-dyn
Obstacle-induced lateral dispersion and nontrivial trapping of flexible fibers settling in a viscous fluid
柔性纤维在结构化流体环境中的运动在自然界和工业应用中是普遍存在的。大多数情况下，它们的动力学是由内部弹性应力、接触力和与壁和障碍物的流体动力学相互作用之间的复杂相互作用引起的。通过数值模拟、实验和分析预测，我们研究了柔性纤维在含有任意形状障碍物的粘性流体中的沉降动力学。我们确定和表征两种类型的事件：诱捕和滑翔，我们详细的机制在发挥作用。我们观察到非平凡的陷阱构象尖锐的障碍物，弹性，重力和摩擦之间的微妙平衡的结果。在滑动的情况下，柔性纤维在沿着障碍物滑动后重新定向并侧向漂移。随后的横向位移与纤维长度相比是大的，并且强烈地取决于其机械和几何特性。我们展示了如何利用这些效应提出一种新的策略，根据颗粒的大小和/或弹性对颗粒进行排序。这种方法的主要优点是易于实现和完全被动，因为不需要能量。
2022-09-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Statistical model for the orientation of non-spherical particles settling in turbulence
小的各向异性颗粒在湍流流体中沉降的方向决定了悬浮液的一些基本性质。我们发现，通过湍流沉降的小重球体的取向分布可以准确地预测一个简单的高斯统计模型，考虑到粒子的惯性，并提供了一个定量的理解时，流体惯性可以忽略不计的问题参数的取向分布。我们的研究结果开辟了一条道路的冰晶在云中的分布参数化，并可能导致辐射反射，或粒子聚集通过碰撞在云中的更好的理解。
2017-07-27 physics.flu-dyn
Columnar structure formation of a dilute suspension of settling spherical particles in a quiescent fluid
本文研究了球形重颗粒在静止液柱中的沉降。所执行的实验涵盖了一系列的伽利略数（$110 \leq \text{Ga} \leq 310$）的固定密度比$Γ= ρ_p/ρ_f = 2.5$。在这种情况下，粒子是已知的（M。Jenny，J. Dušek和G. Bouchet，Journal of流体力学508，201（2004）.）来展示各种各样的动作。众所周知，尾流经历了几个转变，以增加$\text{Ga}$，导致粒子运动依次为：垂直，倾斜，倾斜振荡，最后是混沌。这不仅改变了单个的，孤立的，沉降颗粒的轨迹，但它也改变了一群粒子的动态集体效应变得重要，即使是稀释的悬浮液，体积分数高达$Φ_V = \mathcal{O}\left(10^{-3}\right)$，这是在这项工作中进行了研究。沉降颗粒的多相机记录被记录并在3维中随时间跟踪。进行了各种分析，并显示出很强的聚类行为。在水平面中的Voronopartite镶嵌的细胞面积的分布进行比较的随机分布的颗粒，并显示出明确的聚类。此外，Voronoprene面积和颗粒速度之间的负相关性，聚集的颗粒下降更快。此外，两个相邻的颗粒和垂直之间的角度进行了计算，并比较均匀分布的颗粒，颗粒的垂直排列的明确证据被发现。
2016-11-17 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
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
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
A single oblate spheroid settling in unbounded ambient fluid: a benchmark for simulations in steady and unsteady wake regimes
我们已经进行了光谱/光谱元素模拟的一个单一的扁球体与小的几何纵横比解决在一个无界的环境流体，伽利略数的范围内涵盖了各种制度的运动（稳定的垂直，稳定的倾斜，垂直周期和混乱）。所提供的高保真数据包括颗粒数量（混沌情况下的统计数据），以及流量剖面和压力图。参考数据可用作其他数值方法的额外基准，其中对特定目标参数点进行仔细的网格收敛研究通常是有用的。我们进一步描述了一个特定的浸入边界法（Uhlmann，J. COMPUT. Phys，209（2）：448- 476，2005），以使得能够跟踪非球形颗粒。最后，参考情况下，计算与此沉浸边界方法在不同的空间和时间分辨率，网格收敛性讨论了各种制度的球体粒子运动。交叉验证的结果可以作为一个指导方针的设计与类似的非一致性方法的帮助下，涉及球形粒子的伽利略数${\cal O}(100)$的模拟。
2020-11-15 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
Break-up of suspension drops settling under gravity in a viscous fluid close to a vertical wall
在Stokes流态下，采用点力模型，对粘性流体中悬浮液滴在重力作用下靠近垂直壁面的沉降过程进行了实验研究和数值模拟。水滴内外的液体是一样的。悬浮固体重粒子的初始分布在球形体积内是均匀的。在实验和模拟中，悬浮液滴以与无界流体相同的方式定性地演变。然而，通过实验和数值计算都观察到，平均而言，液滴中心距壁的距离h越近，液滴的不稳定时间T和直到破碎所行进的距离L越小，对于大于或相当于液滴直径D的h，T和L与D/h近似线性相关。由于粒子动力学的混沌性质，具有不同随机配置的粒子的单个液滴的去稳定时间和长度被证明彼此显着不同。
2011-02-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
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
Clustering and relative velocities of heavy particles under gravitational settling in isotropic turbulent flows
重力会强烈地影响在湍流中沉降的相同尺寸的重颗粒的相对速度的空间聚集和不稳定性。我们提出了一个模型的时间尺度的流体速度梯度所看到的粒子对，并提出了一个有效的Kubo数的基础上，这个时间尺度来解释重力增强集群的机制。我们探讨了重力引起的粒子径向相对速度（RRV）在不同的斯托克斯数的基础上，在时间上向后的相对色散和流体场的优先采样的不稳定性的减少或增强的机制。这些影响的重力集群和RRV必须参数化的几何碰撞内核。
2015-07-27 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
A lattice Boltzmann study of particle settling in a fluctuating multicomponent fluid under confinement
我们提出了介尺度数值模拟的基础上耦合的波动格子玻尔兹曼方法（FLBM）的多组分系统与润湿有限尺寸颗粒模型。这种新的耦合方法被用来研究在一个固定的正方形截面的受限通道中的恒定体积力驱动的球形颗粒的运动。在热波动的作用下，通道充满两种液体的混合物。在没有波动的情况下经过一些验证步骤后，我们研究了在改变热能、施加的力、颗粒尺寸和颗粒润湿性时颗粒速度的波动。相对于平均沉降速度的波动的重要性进行定量评估，特别是在比较无约束的情况下。结果表明，约束的预期效果是非常好的捕获的数值模拟，其中的约束强烈地提高了速度波动的重要性，这可以是一个数量级大于预期的无约束域。所观察到的结果强调了所提出的方法的多功能性，在突出的约束的存在下的热波动的粒子的运动的影响。
2022-12-02 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
When is settling important for particle concentrations in wall-bounded turbulent flows?
我们探讨了重力沉降对壁面湍流中惯性颗粒浓度的作用。虽然可以认为，可以忽略沉降时，沉降参数$Sv\equiv v_s/u_τ$是小的（$v_s$ -斯托克斯沉降速度，$u_τ$ -流体摩擦速度），我们表明，即使在这种制度的沉降可能会作出领先的顺序贡献的浓度分布。这是因为沉降的重要性不是由$v_s$与$u_τ$或任何其他流体速度尺度相比的大小决定的，而是由$v_s$相对于控制垂直颗粒速度和浓度分布的其他机制的大小决定的。我们解释这一点的上下文中的粒子的平均动量方程，并表明，在一般情况下，总是存在一个区域的边界层中的沉降不能被忽略，无论多么小的$Sv$（只要它是有限的）。直接数值模拟证实了这一论点，并表明，近壁浓度是高度依赖于$Sv$，即使当$Sv\ll 1$，并可以减少一个数量级时，$Sv$从$O(10^{-4})$和$O(10^{-2})$增加。结果还表明，当$Sv=0$随着$Sv$的增加而发生深刻变化时，惯性粒子对边界层中喷射事件的优先采样，并由于优先扫掠机制的开始而被扫掠事件的优先采样所取代。
2021-09-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Particle Shape Influences Settling and Sorting Behavior in Microfluidic Domains
我们提出了一个新的数值模型来模拟静态流体中离散的单个颗粒或不同几何形状颗粒混合物的沉降轨迹及其在流动流体中的流动轨迹。模拟揭示了不同的颗粒沉降轨迹作为其几何形状和密度的函数。数值模拟了回飞棒颗粒的表面粗糙度和矩形颗粒的长径比对其沉降轨迹振荡周期和振幅的影响。使用替代的圆形颗粒的沉降或流动的非圆形颗粒的混合物被证明是错误的颗粒速度的0.9 - 2.2倍，并不准确地确定颗粒的轨迹。在具有不同形状和尺寸的颗粒的微流体室中，模拟显示稳定的涡流不一定总是控制颗粒截留，较大的颗粒也不选择性地和一致地截留在稳定的涡流中。引人注目的是，大颗粒形状从圆形到椭圆形的变化导致较小圆形颗粒的更强捕获，但增强了较大颗粒的流出，这可能是一种基于微流体的分选和分离不同尺寸和形状颗粒的替代方法。
2020-06-25 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Modelling a Hydrodynamic Instability in Freely Settling Colloidal Gels
有吸引力的胶体分散体，即聚集并经常形成跨越空间的弹性凝胶的细颗粒的悬浮液是社会中普遍存在的材料，具有广泛的应用。当网络重量超过其压缩屈服应力时，这些材料中的胶体网络可以以自由沉降的模式存在。当网络保持固定在适当位置并用作悬浮流体被泵送通过的过滤器时，出现等效状态。在任何一种情况下，流体动力学不稳定性导致网络完整性的损失发生。实验观察表明，完整性的丧失与侵蚀通道的形成有关，即所谓的拖缆，流体通过拖缆快速流动。然而，增长的动力学和随后的崩溃机制仍然知之甚少。在这里，提出了一个唯象模型，动态地描述了一个流光的径向增长，由于网络的快速流体回流的侵蚀。该模型表现出有限的时间爆破-在凝胶中的灾难性故障的发病-由于激活的胶体间键断裂。采用布朗动力学模拟稀凝胶中流体动力学相互作用和沉降的胶体来研究这种不稳定性的引发和传播，这与理论吻合得很好。模型动力学也被证明准确地复制测量的流光生长在两个不同的实验系统。该模型的预测能力和未来的改进进行了讨论，并提出了一个稳定状态图提供深入了解工程策略，以避免解决网络的不稳定性意味着有很长的保质期。
2018-04-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Internal stresses in low-Reynolds-number fractal aggregates
University of California, Merced（加州大学默塞德分校）
本文提出了一种数值模型，研究低雷诺数流动中分形结构聚集体的内部应力，通过计算不同分形维度聚集体的内部应力分布，揭示其破碎机制。
2024-11-20 physics.flu-dyn
Effects of permeability on hindered settling of porous particles
Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学）
采用粒子分辨直接数值模拟研究高孔隙率可渗透颗粒悬浮液在粘性区的沉降行为，发现渗透率越高沉降越快，并通过反向流和微观结构分析解释了该机制。
2026-06-16 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
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
Estimating the settling velocity of fine sediment particles at high concentrations
本文提出了一个分析模型和一个简单的实验方法，以估计高浓度的非常细的沉积物的有效沉降速度。从泥沙质量平衡方程出发，导出了一个描述床高和悬沙浓度随时间变化的耦合常微分方程组。该系统的解决方案取决于沉降速度，然后可以通过将解决方案与实验室实验的观察结果进行比较来估计沉降速度。这些实验涉及使用普通物理实验室中常见的低技术设备及时测量床的高度。这种方法适用于流体和土壤物理学的入门课程，并说明了许多环境系统中常见的沉积物输运动力学。
2018-12-04 physics.flu-dyn
A Scalable OpenLB LAMMPS Framework for Fully Resolved Simulations of Hindered Settling of Arbitrary Non-Spherical Particles
State University of New York（纽约州立大学）；Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）；Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research（贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心）
该研究开发了耦合OpenLB与LAMMPS的可扩展FSI框架，模拟含最多10万立方体的系统沉降，发现立方体与球形颗粒沉降差异，为大规模颗粒流模拟提供鲁棒工具。
2026-08-27 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
On the clustering of low-aspect-ratio oblate spheroids settling in ambient fluid
本研究通过粒子解析直接数值模拟，探究了低长宽比扁球体在环境流体中沉降时的聚集行为，发现其多粒子柱状聚集现象与单粒子路径差异无关，且形状引起的相互作用增强是聚集趋势增加的关键原因。
2023-03-21 physics.flu-dyn
Clustering and increased settling speed of oblate particles at finite Reynolds number
本文采用界面分辨直接数值模拟方法研究了刚性扁球在静止流体中的沉降。特别是，使用浸入边界方法来解释分散的固相，并结合润滑校正和碰撞模型来解释短程颗粒-颗粒相互作用。我们考虑半稀悬浮液的扁颗粒的纵横比AR=1/3和固体体积分数$ϕ=0.5\%-10\%$。固体与流体的密度比$R=1.5$和伽利略数（即浮力和粘性力之间的比率）基于具有等效体积$Ga=60$的球体的直径。通过这种参数选择，一个孤立的扁圆体垂直下落，其宽边垂直于重力方向，并带有稳定的尾流。在此$Ga$下，球体的平均沉降速度是体积$ϕ$的递减函数，并且总是小于孤立颗粒的终端速度$V_t$。相反，我们在这里表明，在稀释条件下，扁形颗粒的平均沉降速度随着$ϕ$的增加而增加，并且$33\%$大于$V_t$。在较高浓度下，平均沉降速度降低，变得小于$ϕ=5\%$和$10\%$之间的终速$V_t$。平均沉降速度的增加是由于颗粒簇的形成，对于$ϕ=0.5\%-1\%$，颗粒簇表现为柱状结构。从粒子对分布函数中，我们观察到最有可能找到几乎垂直排列的粒子对。然而，对分布函数在参考颗粒周围都是不可忽略的，这表明在2和$6c$之间的径向距离处存在大量的聚类（$c$是扁圆的极半径）。
2017-11-13 physics.flu-dyn
Particle-resolved simulations of settling particles: A methodology for long time-integration intervals
TU Wien（维也纳工业大学）；Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）
本文提出一种方法，用于模拟在重力作用下稀释颗粒悬浮液的沉降，以克服三重周期配置的限制，特别是强垂直相关性对簇动态研究的阻碍。该方法通过去除垂直周期性并采用移动参考系，实现了单颗粒和多颗粒案例的高效模拟。
2026-04-22 physics.flu-dyn
Topology Optimization of Fluid-Structure Interaction Problems with Total Stress Equilibrium
本研究将流固耦合拓扑优化中的力耦合从静水压力扩展到总应力，引入黏性应力分量，采用超收敛片恢复技术消除速度导数不连续，并解析推导灵敏度分析，数值算例显示两种耦合方式在不同流动特性下产生差异化设计。
2023-05-09 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Investigating the Settling Dynamics of Cohesive Silt Particles With Particle-Resolving Simulations
粘性沉积物的沉降在水环境中是普遍存在的。在沉降过程中，由于颗粒间cohesion内聚力的影响，粉土颗粒表现出与非粘性颗粒不同的特性。虽然凝聚行为取决于沉积物颗粒的特性（例如，键数，粒度分布），很少有人知道这些特性的确切影响的凝聚行为。本文采用CFD-DEM（Computational流体动力学-Discrete Element Method）对三维沉降过程进行了数值模拟。考虑了颗粒间碰撞力、范德华力和流体-颗粒相互作用力。在前人试验装置的基础上，利用数值模型对粉土的受阻沉降过程进行了模拟。在模拟中得到的结果，包括床层的结构密度，特征线，和颗粒终极速度，是在文献中的实验观察符合得很好。据作者所知，这是第一次分别研究了无因次Bond数和颗粒多分散性对粉土床层结构密度的影响。结果表明，粉土在沉降过程中的粘聚行为是由粉土颗粒间的粘聚作用和颗粒的多分散性共同作用的结果。为了指导粘性粉土沉降的宏观模拟，基于颗粒细观力学，给出了数值模拟中得到的碰撞频率函数。利用CFD-DEM得到的结果表明，二元碰撞理论高估了高固体体积分数下絮凝过程中颗粒碰撞频率。
2017-06-20 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Wake instability past a sphere settling in a strongly stratified flow
Xi'an Jiaotong University（西安交通大学）
研究球体在强层化流中运动时尾流的不稳定性，揭示其机制源于涡量生成、涡旋倾斜和密度梯度传输的相互作用。
2025-12-17 physics.flu-dyn
Consolidation of freshly deposited cohesive and non-cohesive sediment: particle-resolved simulations
本文采用基于浸没边界法的颗粒分辨直接Navier-Stokes数值模拟方法，分析了新沉积粘性和非粘性泥沙的固结问题。计算模型由材料特性参数化，不涉及任何任意校准。我们从第一性原理得到流体-颗粒混合物的应力平衡，并将其与经典的有效应力概念联系起来。从我们的模拟获得的详细数据集，使我们能够评估所有条款的衍生应力平衡。我们比较了粘性沉积物的沉降与非粘性沉积物的沉降，非粘性沉积物对应于单个初级颗粒的沉降。模拟结果产生一个完整的参数化的吉布森方程，这一直是选择的方法来分析自重固结。
2019-06-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Path instabilities and drag in the settling of single spheres
本文实验研究了单球在静止流体中沉降的路径不稳定性与阻力，在 Γ-Ga 参数空间中验证了平面旋转等状态，并建立了基于 Ga 的阻力与沉降速度估算关系。
2023-09-19 nlin.CD physics.flu-dyn
Clustering of Rapidly Settling, Low-Inertia Particle Pairs in Isotropic Turbulence. I. Drift and Diffusion Flux Closures
在这两个部分的研究中，我们提出了一个随机理论的发展和分析表征的相对位置的单分散，低惯性粒子对，迅速解决均匀各向同性湍流。在小Stokes数和Froude数使得$Fr \ll St_η\ll 1$的限制下，给出了对相对位置的概率密度函数（PDF）方程中漂移通量和扩散通量的封闭式.该理论着重于湍流耗散区中颗粒对的相对运动，即，对于小于柯尔莫哥洛夫长度尺度的对分离。在这种情况下，理论近似的流体速度场在参考系以下的主要粒子作为局部线性。
2018-08-15 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
Settling velocity of quasi-neutrally-buoyant inertial particles
本文研究了不可压缩零平均流体流中准中性浮力惯性粒子的沉降特性。我们得到通用的终极速度在一般的空间和时间周期性（或稳定）流的通用公式，随着进一步的信息流赋予一定程度的空间对称性，如奇奇偶校验在垂直方向。这些表达式包括在时空积分的辅助量，满足对流-扩散-反应型的偏微分方程，可以解决至少在数值上，因为我们的计划意味着一个巨大的减少问题的维数从全相空间的经典物理空间。
2017-12-04 physics.flu-dyn
Exact solution for the motion of a rigid particle with $\boldsymbol{S_4}$ and $\boldsymbol{C_{2v}}$ symmetry settling under gravity in a viscous fluid
Institute of Fundamental Technological Research, Polish Academy of Sciences（波兰科学院基础技术研究所）
该研究推导了雷诺数远小于1时，具$C_{2v}$和$S_4$对称性的刚性颗粒在粘性流体中沉降的精确解，明确了其准周期运动特性、轨道特征及相关参数的闭式表达式。
2026-08-11 cond-mat.soft nlin.SI 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
Numerical simulations of particle sedimentation using the immersed boundary method
本文研究了固体颗粒在二维通道中的粘性不可压缩流体中的沉降，其中颗粒的质量密度略大于流体的质量密度。流体-结构相互作用问题的数值模拟采用浸没边界法，与一个附加的质量项，采用Boussinesq近似。模拟进行了一个单一的圆形粒子，也与两个粒子在不同的初始配置。颗粒的终端沉降速度与理论和实验结果密切对应，并且单颗粒动力学定性地再现了预期的行为。双粒子模拟显示出与其他实验和数值研究中观察到的相似的绘图-接吻-翻滚动力学。
2013-11-07 physics.flu-dyn
What buoyancy really is. A Generalized Archimedes Principle for sedimentation and ultracentrifugation
颗粒沉降是自然界中普遍存在的过程，离心是一种用途广泛的分离技术。然而，沉降和超离心实验的结果往往似乎与它们所依据的定律相矛盾：阿基米德原理--可以说是最古老的物理定律。本文的目的是深入研究的浮力概念的根本原因，通过结合实验和理论研究胶体混合物中的沉降剖面。我们的分析表明，标准的阿基米德原理只是一个限制性的近似，有效的介观粒子沉降在分子流体中，我们提供了一个普遍的表达式为实际的浮力。这个“广义阿基米德原理“解释了一些意想不到的效应，比如密度更大的粒子漂浮在较轻的流体上，这实际上是我们在实验中观察到的。
2012-05-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Flow of suspensions in a hydraulic fracture consisting of Herschel-Bulkley fluid and spherical particles
本研究建立了Herschel-Bulkley流体与球形颗粒悬浮液在垂直通道中的二维稳态流动模型，揭示了非牛顿流变特性、非均匀颗粒分布及滑移速度对颗粒迁移和通量的影响。
2024-12-27 physics.flu-dyn
Small-scale dynamics of settling, bidisperse particles in turbulence
我们使用直接数值模拟（DNS）来研究各向同性湍流中沉降的双分散颗粒的动力学。与以前的研究一致，我们发现，没有重力（即$Fr=\infty$，其中$Fr$是弗劳德数），双分散性导致相对速度的增强，并抑制其空间聚类。对于$Fr<1$，重力方向上的相对速度被双分散颗粒的差异沉降速度所增强，正如所预期的那样。然而，我们也发现，重力可以强烈地增强在“水平”方向上的相对速度（即在垂直于重力的平面中）。这种非平凡行为的发生是因为快速沉降的颗粒沿着其轨迹经历流体速度场的快速波动，导致增强的颗粒加速度和相对速度。事实上，结果表明，即使当$Fr\ll1$，湍流仍然可以发挥重要的作用，不仅在水平运动，而且在垂直运动的颗粒，具有重要意义的理解的混合率的沉降双分散颗粒在湍流。我们还发现，重力大大减少了bidisperse颗粒的聚类。这些结果是惊人的不同的单分散的情况下，最近的结果表明，当$Fr<1$，重力强烈抑制在所有方向上的相对速度，可以增强集群。然后，我们考虑这些结果的影响，在湍流中的沉降，bidisperse颗粒的碰撞率。我们发现，对于$Fr=0.052$，碰撞核几乎完全预测的双分散颗粒在静态流中沉降的碰撞核，这样的湍流的影响可以忽略不计。
2017-09-02 physics.flu-dyn
