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
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
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
Inertial torque on a small spheroid in a stationary uniform flow
各向异性颗粒在流动中如何旋转和定向取决于它们所经历的流体动力学扭矩。本文通过数值求解纳维-斯托克斯方程计算均匀流中作用在小球体上的力矩。颗粒形状从扁圆（纵横比$λ= 1/6$）到扁长（$λ= 6$）不等，我们考虑低和中等颗粒雷诺数（${\rm Re} \le 50$）。我们表明，角度依赖性的扭矩，理论上预测的小颗粒雷诺数仍然定性正确的雷诺数高达${\rm Re} \sim 10$。然而，扭矩的幅值小于理论预测值，${\rm Re}$增加越小。当Re大于$10$时，扁球体的绕流结构更为复杂，从而导致与理论预测的系统偏差。总的来说，我们的数值结果提供了一个合理的最近的理论的取向统计的湍流中的冰晶沉降。
2021-02-06 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
Perturbation Theory for Translating Oblate-Spheroidal Droplets with Internal Circulation
University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）
本文用微扰理论预测低韦伯数下扁球液滴的变形与内部环流，结合边界层、环偶极子镜像及势流分析，给出速度场和压力场，并比较了精确解与微扰法的计算成本。
2026-09-29 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
Dynamics of spheroids in pressure driven flows of shear thinning fluids
剪切稀化流体的无惯性流动中的颗粒是生物学、生态学和微流体学中几个系统的模型表示。本文分析了椭球体在压力驱动的剪切稀化流体流中的运动。剪切稀化流体的流变学特性可用Carreau模型来描述。我们结合微扰技术和功的互等定理来描述长椭球体和扁椭球体的运动学特性。在此基础上，采用了两种微扰策略，一种在零剪切牛顿平台附近，另一种在无限剪切牛顿平台附近。在这两种情况下，我们发现，在压力驱动流动中，有效粘度的降低减小了球体的旋转时间周期。剪切稀化改变运动学的程度是颗粒形状的函数。对于长球形颗粒，当球体投影器沿速度梯度方向排列时，剪切稀化的效果最显著，而对于扁颗粒，当投影器沿流动方向排列时，该效果最显著。最后，比较了压力驱动流和简单剪切流中球体的翻滚行为，发现压力驱动流中的翻滚时间随Carreau数单调减小，剪切流的趋势是非单调的，在低Carreau数时，时间周期先增加，然后在高Carreau数时减小，剪切稀化不能解决Jefferey轨道的简并。
2023-03-11 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
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
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
Shape, confinement and inertia effects on the dynamics of a driven spheroid in a viscous fluid
Indian Institute of Technology Madras（印度马德拉斯理工学院）；EPCC, The University of Edinburgh（爱丁堡大学 EPCC）；University of Strathclyde（斯特拉斯克莱德大学）
研究了在粘性流体中约束的spheroid动力学，发现粒子长宽比、约束强度和流体惯性影响其运动，非约束情况下，特定长宽比的椭球体具有最大平移速度，约束下最优长宽比转向扁平形状，流体惯性打破闭合轨迹，产生新的稳定点。
2026-03-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Orientation dynamics of a spheroid in the simple shear flow of a weakly elastic fluid
本文通过互易定理和向量球谐函数，研究了弱粘弹性流体中任意长宽比中性浮力球体的取向动力学，发现弱弹性会改变牛顿流体下的闭合轨迹拓扑，并基于多尺度分析揭示了四种不同的取向动力学状态。
2025-05-29 physics.flu-dyn
Active dipolar spheroids in shear flow and transverse field: Population splitting, cross-stream migration and orientational pinning
我们研究的稳态行为的活性，偶极，布朗椭球体在一个平面通道进行强加的库埃特流和外部横向场，施加在“向下”的正常流动方向。通过假设活动球体（游泳者）具有指向其自推进（游泳）方向的永磁偶极矩，将其上的场致扭矩视为磁性形式。使用一个连续的方法，我们表明，主机的行为出现在参数空间跨越的粒子的纵横比，自推进和剪切/场强度，和通道宽度。跨流迁移的模型游泳者被证明涉及一个政权的线性响应（量化的线性响应因子）在弱场。对于长形游泳者，弱场行为跨越到一个政权的充分游泳迁移到下半部分的渠道在强场。对于扁圆形的游泳者，一个违反直觉的制度，反向迁移出现在中间领域，其中一个宏观部分的游泳者重新定向和游泳的顶部通道的一半，在一个尖锐的“向上”的角度相对于场轴。这里报道的不同行为进行了分析的基础上剪切诱导的人口分裂（双峰）的游泳方向，给两个不同的，相反的极化，游泳亚群（虽然非常不同的扁长/扁圆游泳者）在每个通道的一半。在强磁场中，这两种类型的游泳者都表现出相对于实验室框架的净上游流。完全迁移和净上游电流的开始取决于纵横比，从而实现微流体设置中的有效颗粒分离策略。
2021-08-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Shear-induced bimodality and stability analysis of chiral spheroidal swimmers
本文研究了平面通道中受Poietille流（压力驱动）作用的手征（圆泳）和非手征泳者的剪切诱导行为。游泳者被建模为主动的布朗球体，以固定的速度自推进，沿着对称轴指向。我们认为这两种情况下的扁长和扁圆的游泳者，并主要集中在游泳者，拥有一个内在的，或主动的，逆时针角速度，除了剪切引起的角速度，他们获得的通道内流（杰弗里轨道）。概率的结果是建立使用Smoluchowski方程内的位置取向相空间，数值求解。我们发现，剪切和手性诱导的角速度之间的相互作用，结合由于粒子自推进和空间粒子壁相互作用的影响，导致一个有趣的范围内的效果，包括钉扎，偏心和近壁积累的游泳者在通道内。这进一步伴随着游泳运动员的线性稳定性分析，用于解释概率结果。我们讨论了定性差异的概率结果，出现由于不同制度的旋转动力学的游泳者在通道流，特别是剪切捕获/逃逸的扁长/扁圆形的游泳者和不同的纬度与每个游泳者的形状相关的固定点。我们的研究结果指出，可能的机制，流动驱动分离的活性球状粒子的手征强度的基础上。
2023-02-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Lateral migration and bouncing of a deformable bubble rising near a vertical wall. Part 2. Highly inertial regimes
本研究数值模拟高惯性下近壁气泡行为，发现高伽利略数时气泡经弹跳逃离壁面，低伽利略数时周期性弹跳，并揭示马格努斯效应与壁面捕获机制竞争决定气泡轨迹。
2025-01-28 physics.flu-dyn
Instability of particle inertial migration in shear flow
在剪切流中，颗粒迁移到它们在微通道中的平衡位置。在这里，我们从理论上证明，如果粒子是惯性的，这种平衡可能会变得不稳定，由于萨夫曼升力。我们推导出一个表达式的临界斯托克斯数，确定发病的不稳定平衡。我们还提出了球形粒子和长椭球体的格子玻尔兹曼模拟结果，以验证分析。我们的工作提供了一个简单的解释，在早期的实验和计算机模拟中观察到的几个不寻常的现象，但从来没有解释之前的不稳定平衡。
2021-07-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dynamics of finite-size spheroids in turbulent flow: the roles of flow structures and particle boundary layers
本文利用完全解析的数值模拟方法研究了流体动力学湍流中中性浮力有限大小球体的平移和旋转动力学。我们研究轴对称的形状，从扁长，和粒子的体积依赖性。我们表明，非球形惯性尺度粒子的加速度和旋转所经历的体积过滤的流体力和扭矩的结果，类似于球形粒子。然而，颗粒取向携带与周围的流动结构，这是反映在不同的轴向和横向波动的加速度和旋转速率的优先对齐的签名。即使对于体积当量直径尺寸在惯性范围内的颗粒，也不会发生取向的随机化，此处在$Re_λ=120$下高达60 $η$。此外，我们表明，流体周围的颗粒边界层的作用不能被忽略，以达到定量的理解粒子的统计动力学，因为它们影响的强度的角速度，和相对于旋转旋转翻滚的相对重要性。这项研究带来了在均匀和各向同性湍流的重要性，以及它们对中性浮力体的大小在惯性范围内的运输的影响，惯性尺度的流结构。
2022-02-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
