Vortex topology in the lee of a 6:1 prolate spheroid
本文通过大涡模拟系统研究了6:1长椭球体绕流在多个雷诺数和攻角下的分离与尾流拓扑，归纳出原始涡、相干涡和回流尾流三类状态，并揭示了流动演化与载荷的关联。
2025-07-03 physics.flu-dyn
Turbulence modulations and drag reduction by inertialess spheroids in turbulent channel flow
以往对非球形颗粒与流体相互作用的研究大多局限于细长纤维状颗粒，这些颗粒被观察到诱导湍流减阻。然而，微小的盘状颗粒的存在下，如何壁湍流调制和是否发生阻力减小仍然是未知的。基于这些问题，本文采用欧拉-拉格朗日方法对槽道湍流中的无惯性椭球体进行了双向耦合直接数值模拟。该附加应力解释了来自流体相上的无惯性球体的反馈。结果表明，刚性细长纤维（长球体）和薄盘（扁球体）可以导致显着的湍流调制和阻力降低。然而，盘诱导的阻力减少是不太明显的刚性纤维具有相同的体积分数。在流动统计和湍流拟序结构两个方面观察到添加剂减阻流动的典型特征。此外，与单向模拟相比，双向耦合的结果表现出更强的优先排列和更低的旋转速率。最后提出了无惯性球体的减阻机理，并解释了纤维和圆盘减阻性能的差异。我们发现，球形颗粒削弱了准流向涡通过负功，因此，雷诺切应力降低。然而，由颗粒产生的平均剪切应力，这是形状相关的，部分补偿雷诺剪切应力的减少，从而影响减阻效率。本研究表明，微小的盘状颗粒可以作为壁湍流减阻剂的替代。
2021-02-07 physics.flu-dyn
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
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
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
Mixing induced by a bubble swarm rising through incident turbulence
本文介绍了一组高雷诺数气泡在近均质各向同性湍流中上升引起的混合的实验研究。气泡注入前载流的气体体积分数$α$和速度波动$u'_0$分别在$0\leq α\leq 0.93\%$和2.3 cm/s $\leq u'_0 \leq 5.5$ cm/s范围内变化，导致气泡参数$b$在[0，1.3]范围内变化（$b = \frac{V_r^2 α}{{u'}_0^2}$，其中$V_r$是相对上升速度）。水平方向上的混合可以模拟为扩散过程，具有有效扩散率$D_{xx}$。两种不同的扩散制度的实验观察，根据湍流强度。在低湍流水平下，$D_{xx}$随气体体积分数$α$增加，而在高湍流水平下，$D_{xx}$的增强可以忽略不计。当通过连续气泡通过的时间尺度归一化时，有效扩散率可以被建模为气体体积分数$α^* \equiv α/α_c$的唯一函数，其中$α_c$是理论上估计的临界气体体积分数。目前的探索性研究提供了深入的模拟湍流中的高雷诺数气泡诱导的混合。
2018-12-26 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
Turbulence modulation in channel flow of finite-size spheroidal particles
我们研究了颗粒形状对悬浮液中体积分数为$ϕ= 10\%$的球形颗粒湍流的影响，并显示了近壁颗粒动力学如何随着颗粒纵横比的变化而变化，以及这如何影响全局悬浮行为。当雷诺切应力的显著减小大于固相引起的附加应力的补偿时，湍流随扁颗粒的纵横比减小，导致相对于具有纵横比$\mathcal{AR}\leq1/3$的颗粒的单相流的阻力减小。扁圆形颗粒被发现，以避免接近壁的区域，平行于它以小的角速度，同时优先采样的壁区域中的高速流体。扁长颗粒也倾向于平行于壁取向，并避免其附近。它们绕展向轴旋转的不稳定性降低了流动的壁面法向速度波动，因此降低了湍流雷诺应力，这与扁圆体相似;然而，它们在平行于壁面的平面内进行旋转，这增加了额外的固体应力，因为与扁圆体相比，它们具有相对较大的角速度。这些较大的附加应力补偿了湍流活动的减少，并导致类似于单相流的壁阻力。另一方面，与其他研究形状相比，球体在翼展方向上以大的角速度形成靠近壁的层，这除了在悬浮体上施加最大的固体应力之外还增加了湍流活动。因此，球形颗粒相对于单相流增加了壁阻力。
2018-09-05 physics.flu-dyn
Instabilities in the wake of an inclined prolate spheroid
通过一系列直接数值模拟（DNS），研究了雷诺数（Re）从10到3000范围内的45度倾斜6：1长椭球体尾流的不稳定性、分叉和转捩。我们提供了一个详细的图片，原来的对称和稳定的层流尾迹在低Re逐渐失去其对称性，并成为非定常的Re逐渐增加。几个迷人的流特征已首先被揭示，随后分析，例如，不对称的时间平均流场，一个令人惊讶的强大的侧力等的唤醒部分成为湍流，我们调查了一个占主导地位的相干尾流结构，即螺旋涡流管，在其中的螺旋对称性改变的情况下，在中间唤醒恢复，连同自相似性在远尾流。
2018-04-07 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 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
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
Drag reduction in turbulent channel flow laden with finite-size oblate spheroids
我们研究了不同的颗粒体积分数值的扁圆刚性颗粒在粘性流体中的悬浮液。直接数值模拟已经进行了使用直接强迫浸没边界法来考虑分散相，结合软球碰撞模型和润滑短程颗粒-颗粒和颗粒-壁相互作用的校正。相对于单相流，我们表明，在流中加载扁球体的阻力减少和湍流脉动衰减。特别是，湍流活动降低到较低的值比那些只占有效悬浮液粘度。为了解释所观察到的减阻，我们考虑的颗粒动力学和颗粒与湍流速度场的相互作用，并表明，颗粒壁层，以前观察到的，并发现负责增加耗散的悬浮液中的球体，消失的情况下，扁圆形颗粒。这些旋转明显慢于靠近壁面的球体，并且倾向于保持其主轴平行于壁面，这导致雷诺应力和湍流产生的减少，从而导致整体阻力降低。
2017-01-24 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
Correlations for aerodynamic force coefficients of non-spherical particles in compressible flows
本文通过颗粒解析直接数值模拟研究三种非球形颗粒在不同马赫数、攻角和雷诺数下的气动力与力矩，并建立验证了可提升点颗粒模拟精度的系数关联式。
2024-12-09 physics.flu-dyn
Inertial rotation of a small oblate spheroid in a simple shear flow
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；University of Udine（乌迪内大学）；University of Gothenburg（哥德堡大学）；CNR-IAC（意大利国家研究委员会应用计算研究所）
研究探讨了受限条件下小椭球在简单剪切流中的惯性旋转行为，揭示了限制对椭球定向稳定性的影响，发现限制减缓了向稳定滚动轨道的漂移。
2026-10-30 physics.app-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Dynamics of Freely Suspended Drops Translating through Miscible Environments
我们的工作重点是通过一个可混溶的，更粘稠的液体液滴自由上升的实验研究。我们报告了通过甘油和玉米糖浆上升的水滴的观察，这是常见的家庭成分。液滴形成后，立即呈扁长形，并以恒定的速度上升，而不会扩大尺寸。然而，在我们的理论预测的临界时间之后，液滴不断成长为扁球体，随着它们与周围液体的混合，它们的体积增加，速度降低，最终遵循幂律。我们提出的标度关系，解释主要观察到的现象。然而，控制体积增加率和速度降低率的幂律，即分别为$t^{1/2}$和$t^{-1/2}$，仍然是进一步研究的重点。
2021-01-06 physics.flu-dyn
A three-dimensional scanning stereoscopic particle image velocimetry for large-volume liquid flows
本文提出一种基于薄旋转棱镜的扫描立体粒子图像测速系统，可在100×100×100 mm³大体积内获取约10⁶个三维三分量速度矢量，并通过射流和上升球体实验验证了其有效性。
2025-07-19 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
Vorticity dynamics and drag for flows over a sphere and a prolate spheroid
本文利用Josephson-Anderson关系研究球体和长椭球体绕流中涡量输运与阻力的联系，揭示边界层分离、尾流湍流输运及二次分离机制对阻力的贡献。
2025-07-12 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 Lattice Boltzmann dynamic-Immersed Boundary scheme for the transport of deformable inertial capsules in low-Re flows
在这项工作中，一个动态浸没边界方法结合BGK-格子-玻尔兹曼技术的开发和批判性的讨论。流体演化是在具有19个网格速度（D3 Q19计算分子）的三维晶格上获得的，而浸没的身体表面被建模为响应于弹性势和弯曲阻力的拉格朗日点的集合。一个移动的最小二乘重建被用来精确地插值流量和强制执行的边界条件，浸没机构所需的强迫场。该模型被广泛验证对众所周知的基准数据的刚性和可变形的物体。刚性运输是通过计算在重力作用下的球体在五种不同条件下的沉降来验证的。然后，考虑不同形状的惯性粒子的翻滚，恢复了长椭球的Jefferey轨道。此外，旋转周期的扁球体和盘状颗粒作为雷诺数的函数。证明了存在一个临界雷诺数以上的革命被抑制的两种情况。还考虑了可变形物体的运输。评估了三种不同机械刚度下薄膜在剪切作用下的稳态变形。在此基础上，系统地分析了剪切作用下弱变形椭球体的滚转特性与应变刚度、抗弯刚度和膜质量的关系。
2022-07-13 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Brownian noise effects on magnetic focusing of prolate and oblate spheroids in channel flow
本文研究了布朗噪声对均匀磁场作用下的槽道（Poillille）流中带有永磁偶极子的长扁球磁聚焦的影响。聚焦是由低雷诺数的壁诱导的流体动力学升力，它可以通过调整相对于流动方向的字段的倾斜角的影响。这种机制被纳入一个稳态Smoluchowski方程，我们解决数值分析的噪声影响，通过联合的位置-方向的概率分布函数的通道内的球体。结果功能部分和完整的钉扎的球形取向的场强增加，并揭示显着的，甚至违反直觉的噪声诱导的现象（特别是由于平移粒子扩散）深入到强场制度。这些包括场致散焦，或横向扩大的重点球状层，在加强领域。我们绘制出聚焦“相位”图的基础上的场强和倾斜角，以说明不同的制度的行为，包括集中的聚焦和散焦在横向领域，并在倾斜领域的偏心聚焦。后者包括两个子制度的最佳和肩部聚焦，其中在整个通道宽度的球状密度分布显示一个孤立的偏心峰或一个歪斜的峰与一个明显的肩部拉伸向通道中心。我们证实了我们的结果，通过分析确定性不动点的稳定性和减少一维概率理论，我们引入半定量地解释强场下的钉扎球体的噪声诱导行为。我们还阐明了我们的研究结果的影响，有效的基于形状的排序的磁性球体。
2022-10-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-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
Influence of a vertical-wall leading edge on bouncing and escape bubble rising regimes
Universidad de Extremadura（埃斯特雷马杜拉大学）；Instituto de Computación Científica Avanzada (ICCAEx), Universidad de Extremadura（埃斯特雷马杜拉大学先进科学计算研究所）；Universidad de Jaén（哈恩大学）
研究超纯水中垂直壁附近可变形气泡上升，探讨壁前缘位置对其近壁动力学的影响。通过两种配置实验，发现壁前缘位置影响气泡动力学模式转变及频率，表明气泡动力学受多种因素制约。
2026-07-28 physics.flu-dyn
Drag reduction in numerical two-phase Taylor-Couette turbulence using an Euler-Lagrange approach
采用欧拉-拉格朗日方法模拟了两相湍流泰勒-库埃特（TC）流，以研究第二相分散到湍流载体相（此处气泡分散到水中）中的影响。载体相的动态使用直接数值模拟（DNS）在欧拉框架中计算，而气泡通过模拟有效阻力，升力，附加质量和作用于它们的浮力以拉格朗日方式跟踪。在分散相和载体相之间实现双向耦合，允许两相之间的动量交换，并研究分散相对载体相动力学的影响。TC装置的半径比固定为$η=0.833$，并且达到最大内圆柱雷诺数$Re_i=8000$。我们改变弗劳德数（$Fr$），这是分散相的向心力与重力加速度之比，并研究其对驱动TC系统所需的净扭矩的影响。对于两相TC系统，我们观察到阻力减小，即，与单相系统相比，驱动内圆筒所需的转矩较小。净减阻随着雷诺数$Re_i$的增加而减小，这与之前的实验结果一致（Murai等人，2005，2008）。阻力减小与弗劳德数密切相关：对于固定雷诺数，我们观察到$Fr < 1$比$ Fr > 1$具有更高的阻力减小。这种浮力效应在低$Re_i$系统中更为突出，并随着雷诺数$Re_i$的增加而减小。我们追溯到阻力减少的角动量携带泰勒卷的上升气泡的减弱。
2016-05-22 physics.flu-dyn
The high-Re far wake of a slender body and the effects of density stratification
采用混合模拟方法研究了细长体高雷诺数尾迹的湍流边界层特性。尾流发生器是一个6：1的长球体，基于直径$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
Turbulence induced by a swarm of rising bubbles from coarse-grained simulations
本文采用欧拉-拉格朗日粗粒化模拟研究 Re=760、体积分数1%–10%的上升气泡群湍流，结合条件平均与能谱分析揭示尾流、剪切及 k^-3 能谱机制。
2024-03-05 physics.class-ph physics.flu-dyn
The rotation of a sedimenting anisotropic particle in a linearly stratified ambient
我们推导出任意纵横比$κ$在线性分层环境中沉积的椭球体上的扭矩。分析划分区域在参数空间中对应的宽边和沿边（长边）解决的限制$Re, Ri_v \ll 1$，其中$Re = ρ_0UL/μ$和$Ri_v =γL^3g/μU$，雷诺数和粘性理查森数，分别是无量纲措施的重要性，惯性和浮力相对于粘性的。这里，$L$是球体半长轴，$U$是适当的沉降速度标度，$μ$是流体粘度，以及$γ\,(>0)$是表征稳定分层环境的（常数）密度梯度，其中$ρ_0$是在Boussinesq框架内被视为常数的流体密度。互等定理公式确定了对扭矩的三个贡献：（1）已经存在于均匀环境中的$O(Re)$惯性贡献，并且使球体侧向定向;（2）由于环境线性分层引起的$O(Ri_v)$流体静力贡献，其也使球体侧向定向;和（3）流体动力学的贡献所产生的扰动的环境分层的球状体，其性质取决于$Pe$ ; $Pe = UL/D$是Peclet数，$D$是分层剂的扩散率。对于$Pe \gg 1$，在以$Re \ll Ri_v^{\frac{1}{3}}$为特征的Stokes分层状态中，流体动力学贡献是$O(Ri_v^{\frac{2}{3}}$），并且使球体沿沿边定向而不管$κ$。惯性和大- $Pe$流体动力分层扭矩的不同方向依赖性意味着宽边和沿边沉降状态由$Ri_v/Re^{\frac{3}{2}}-κ$平面中的两个不同的$κ$依赖性…
2021-02-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Optimal propulsive flapping in Stokes flows
游泳的鱼和飞行的昆虫利用鳍和翅膀的拍打来产生推力。相比之下，微生物的附肢通常以波浪状变形。由于具有两个自由度的扑翼运动在理论上能够在所有雷诺数下从时间周期驱动产生净力，因此本文计算了Stokes流中刚性球体的最佳扑翼运动学。准确地求解了扑翼运动的力产生和能量学的流体力学问题。然后，我们分析计算的梯度的扑翼效率在空间中的所有扑翼步态，并利用它来获得数值的最佳扑翼运动学作为一个函数的形状的挡板和运动的幅度。最佳扑翼的运动学被观察到弱地依赖于挡板的形状，并且非常类似于在昆虫翅膀的运动中观察到的8字形运动。我们的研究结果表明，扑翼可以作为一种有效的推进机制，在整个雷诺数范围内的实验利用。
2014-06-17 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Effect of a downstream vertical wall on the rise regime of an isolated bubble: an experimental study
实验研究了超纯水中可变形氮气气泡与下游垂直壁面的相互作用，发现壁面接近性显著改变气泡上升路径，并划分出四种相互作用流态，为改进工业与环境应用中的计算模型提供了高质量数据。
2025-07-16 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
Microbubbly drag reduction in Taylor-Couette flow in the wavy vortex regime
通过直接数值模拟的方法研究了微气泡对Taylor-Couette流动的影响。我们采用欧拉-拉格朗日方法与气-液力偶合器的基础上的点力近似。在对单个气泡的运动建模时，考虑了附加质量、阻力、升力和重力。我们发现，非常稀的悬浮液的小的不可变形的气泡（体积空隙率低于1%，零韦伯数和气泡雷诺数<10）诱导一个强大的统计稳定的阻力减少（高达20%）在所谓的波涡流区（Re = 600-2500）。归一化扭矩的雷诺数依赖性（所谓的扭矩减小比（TRR），其对应于阻力减小）与Murai等人（J.Phys.14，143（2005））最近进行的一系列实验测量一致。我们的分析表明，在这个政权的扭矩减少的物理机制是由于局部轴向力，引起的气泡上升，这是能够打破系统中的高耗散泰勒波涡。我们最终表明，在这个过程中，升力作用在气泡上是至关重要的。当忽略它时，气泡优先聚集在内筒附近，并且整体流动的修改效率较低。
2007-07-18 nlin.CD physics.flu-dyn
Drop impact on a heated pre-wetted wall: deposition-on-crater splash regime
本研究通过高速摄像和红外测温实验，发现高雷诺数液滴撞击加热湿壁时，液滴沉积于弹坑底部而仅壁面膜形成冠状飞溅，并建立了冷点直径、特征时间和接触温度的验证模型，可用于喷雾冷却建模。
2025-06-24 physics.flu-dyn
The effective diffusivity of ordered and freely evolving bubbly suspensions
我们调查的被动标量，如化学物质的浓度，或温度，在均匀的气泡悬浮液中的分散体，通过确定一个有效的扩散系数张量。定义的纵向和横向分量的这个张量相对于平均气泡上升速度的方向在零混合物速度的参考框架，我们专注于对流的贡献，这是预计将占主导地位，在常见的气泡流。我们首先扩展了Koch等人（1989）的理论（该理论用于Stokes流下固体颗粒固定床中的分散），以考虑有序悬浮体情况下的弱惯性效应。在低和高的Péclet数的限制下，包括流动的惯性效应不影响有效扩散率相对于Péclet数的缩放。这些结果证实了在不同的流态，球形或非常变形的气泡和从消失的小到中等的雷诺数值进行直接的数值模拟。标量输运的阵列中的自由上升的气泡被认为是由我们随后，使用数值模拟。在这种情况下，色散被发现是对流增强在低Péclet数，像在有序阵列。在高Péclet数下，有序结构的泰勒色散标度被表征纯机械色散的标度所取代，就像在随机介质中一样，即使无序程度很低。
2022-12-30 physics.flu-dyn
The effect of tilt on turbulent thermal convection for a heated soap bubble
本文采用直接数值模拟（DNS）方法研究了倾斜对赤道加热的半肥皂泡上二维湍流热对流的影响。在DNS中，气泡倾斜一个角度$δ\in[0^{\circ},90^{\circ}]$，Rayleigh数在$Ra\in[3\times10^6, 3\times10^9]$之间变化，Prandlt数固定在$Pr=7$。DNS揭示了两种性质不同的流动状态：动态羽流区（DPR）和稳定羽流区（SPR）。在DPR中，小的动态羽流不断地从赤道上的随机位置出现并在气泡上消散。在SPR中，流动由从气泡下缘上升的单一大而稳定的羽流控制。Nusselt数$Nu$和雷诺数$Re$在这两个区域中是不同的，其中$Nu\propto Ra^{0.3}$用于DPR，而$Nu\propto Ra^{0.24}$用于SPR。关于$Re$，DPR中的缩放取决于$Ra$和$δ$而位于$Re\propto Ra^{0.48}$和$Re\propto Ra^{0.53}$之间，而在SPR中，缩放取决于$δ$而位于$Re\propto Ra^{0.44}$和$Re\propto Ra^{0.45}$之间。（$ε_{T^{\prime}}$和$ε_{u^{\prime}}$，的概率密度函数（PDF）也有很大的不同。对于小的波动，归一化的$\logε_{T^{\prime}}$和$\logε_{u^{\prime}}$接近于高斯PDF，但是…
2022-08-05 physics.flu-dyn
Inertial migration of spherical and oblate particles in straight ducts
本文用数值方法研究了单个刚性球体和扁球体在正方形和矩形管道中的惯性迁移。一个高精度的界面分辨数值算法分析整个迁移动力学的扁颗粒，并比较它与球。类似于球体的惯性聚焦，扁球形粒子到达四个面心平衡位置之一，然而它们与展向方向上的对称轴垂直对齐。此外，球体和扁球体的横向轨迹在终止于平衡位置之前坍缩成平衡流形，平衡流形与球体和扁球体粒子的恒定背景剪切线相切。还提出了扁圆和球体之间的迁移的差异，特别是扁圆可能集中在管道横截面的对角对称线上，靠近其中一个角，如果其直径大于一定的阈值。此外，我们表明，最终的取向和旋转的扁圆表现出的雷诺数超过一个临界值的混沌行为。最后，我们的文件，扁颗粒的横向运动是不均匀的球形颗粒，由于其明显的翻滚运动在整个迁移。在方形管道中，在迁移的第一阶段中扁球体的强烈翻滚运动导致较低的横向速度，因此相对于球形颗粒的聚焦长度较长。相反的是，在一个矩形管道中，在迁移的第二阶段中，扁球体的横向速度较高，翻滚可以忽略不计，引起较短的聚焦长度。这些结果可以帮助微流体系统的生物应用的设计。
2017-03-16 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
Settling of inertial particles in turbulent Rayleigh-Benard convection
小惯性颗粒在湍流对流中的沉降行为是从物理学到冶金学等多个学科的基本问题。在地球物理背景下，致密晶体的沉降控制着岩浆房和行星规模岩浆海洋的凝固模式，而挥发物的轻气泡的上升则驱动着火山放气和原始大气的形成。受这些地球物理系统的启发，我们对Rayleigh数为10^12，Prandtl数为10 ~ 50的矩形二维Rayleigh-Benard系统中的颗粒沉降速率进行了系统的数值研究。在小雷诺数球形颗粒的理想条件下，沉降速度存在两种极限行为。一方面，斯托克斯定律适用于响应时间小但有限的颗粒，导致恒定的沉降速率。另一方面，具有消失的响应时间的颗粒预期以指数速率沉降。基于我们的模拟，我们提出了一个新的物理模型，通过将惯性粒子的沉降描述为具有两个关键组成部分的随机过程来弥合上述限制行为之间的差距：i）将颗粒从强对流区域输送到在系统的水平边界处自然形成的缓慢、低速“堆”中，以及ii）颗粒逃离这种低速区域而不沉降在其底部的概率。此外，我们确定了四个不同的沉降制度，并分析了沉积颗粒的水平分布。对于这些制度的两个沉降是特别缓慢的，分布是强烈的不均匀，与致密的颗粒被沉积优先低于主要集群的upprone。
2020-05-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
