On the parameters of common settling velocity models for porous sediment aggregates
本研究探讨了渗透率对沉积物团聚体沉降动力学的影响，通过实验数据校准两种沉降模型并利用体积惩罚方法进行数值模拟，发现渗透率在复杂流动条件下显著影响沉降行为，应在确定团聚体性质时予以考虑。
2024-10-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
SediFoam: A general-purpose, open-source CFD-DEM solver for particle-laden flow with emphasis on sediment transport
随着计算资源的不断丰富，计算流体动力学-离散单元法（CFD-DEM）成为泥沙运动研究中一种越来越有前途和可行的方法。现有的几种CFD-DEM求解器在化工和采矿工业中得到了应用。然而，一个强大的CFD-DEM求解器模拟泥沙输运仍然是可取的。在这项工作中，详细介绍了三维，大规模并行和开源CFD-DEM求解器SediFoam的开发。该求解器基于开源求解器OpenFOAM和LAMMPS构建。OpenFOAM是一个CFD工具箱，可以在非结构化网格上执行三维流体流动模拟; LAMMPS是一个用于分子动力学的大规模并行DEM求解器。SediFoam的几个验证测试使用各种复杂的情况下进行。在本模拟中得到的结果是一致的，在文献中，这表明了沉积物输运应用的Sedifoam的能力。除了验证测试之外，还研究了SediFoam的并行效率，以测试代码在大规模和复杂模拟中的性能。并行效率测试表明，SediFoam的可扩展性是令人满意的模拟使用O（10^7）粒子。
2016-01-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
The effects of solid-liquid interfacial tension on the settlement of sediment flocs
本文研究了泥沙固液界面张力对泥沙絮体沉降的影响。通过对机械化学和物理化学的讨论，给出了包含界面张力和初级粒径\textit{etc.}等絮体生长动力学信息的沉降速度表达式。结果表明，泥沙絮体的平均沉降速度随固液界面张力的增大呈幂律增大，随初始粒径的增大而减小。本文提出了一种分析不同絮凝条件下泥沙絮体沉降行为的通用方法，并通过将典型的实验数据拟合到由界面张力与电解质浓度关系建立的依赖于电解质浓度的沉降模型，验证了张力诱导絮凝假设的合理性。
2006-09-21 physics.chem-ph 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
Exact coherent structures with dilute particle suspensions
University of Manchester（曼彻斯特大学）；University of Bristol（布里斯托大学）
研究了剪切作用下悬浮液沉降的物理机制，分析了不可压缩纳维-斯托克斯方程的不稳定性平衡解，结合颗粒扩散-沉降方程，探讨了被动标量和分层两种情形下的颗粒浓度场结构及输运通量公式。
2026-04-04 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
Comparative study on mesh-based and mesh-less coupled CFD-DEM methods to model particle-laden flow
对基于网格和无网格的计算流体动力学（CFD）方法与离散单元法（DEM）的耦合进行了比较研究。作为基于网格的CFD方法，使用有限体积法（FVM）。光滑粒子流体动力学（SPH）方法代表无网格CFD。未解决的流体模型由局部平均的纳维-斯托克斯方程控制。一个新开发的模型应用边界条件的SPH的描述和验证测试进行。通过对比试验，讨论了DEM-FVM和DEM-SPH方法的异同。三个测试用例，包括一个单一的固体颗粒沉降测试，通过一个多孔块和多孔块的沉降流动，使用这两种方法进行。作用在固体颗粒上的拖曳力高度依赖于局部流体分数。出于比较的原因，选择FVM中单元的大小，使得流体分数与SPH中计算的流体分数相匹配。在一般情况下，DEM-FVM和DEM-SPH方法表现出良好的协议与分析参考结果。DEM-SPH和DEM-FVM方法之间的差异主要是由于计算的局部流体分数的差异。
2016-09-27 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
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
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
Particle-Laden Fluid on Flow Maps
本文提出基于粒子流图的含颗粒流体模拟框架，通过 Poisson 耦合物理颗粒与虚拟流图粒子，并用路径积分纳入粘性和阻力，实现高保真墨水扩散等复杂现象模拟。
2024-09-10 cs.GR physics.flu-dyn
Sedimentation of finite-size spheres in quiescent and turbulent environments
分散固体相的沉降在应用和环境流动中广泛遇到，然而对于均匀各向同性湍流中有限尺寸颗粒的行为知之甚少。为了填补这一空白，我们进行直接数值模拟的沉降在静止和湍流环境中使用浸没边界法占分散的刚性球形颗粒。所考虑的固体体积分数为0.5 - 1%，而固体与流体的密度比为1.02。粒子半径被选择为大约6个Komlogorov长度尺度。结果表明，平均沉降速度是较低的，在一个已经湍流比在静止的流体。对于所研究的两种体积分数，相对于静止流体中的单个颗粒的减少约为12%和14%。粒子速度的概率密度函数在湍流中几乎是高斯分布的，而在静止流体中则显示出较大的正尾。这些尾巴与颗粒对在拖曳-亲吻-翻滚运动中的间歇性快速沉降有关。颗粒横向分散在湍流中更高，而令人惊讶的是，垂直分散由于在静止流体中观察到的高度间歇性行为而具有相当的量级。使用的平均相对速度的概念，我们估计的平均阻力系数的经验公式，并表明，非平稳的影响，有关的旋涡脱落，解释在湍流环境中的平均沉降速度的减少。
2015-11-18 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
Inertial settling of an arbitrarily oriented cylinder in a quiescent flow : from short-time to quasi-steady motion
本文研究了任意定向圆柱在重力作用下的惯性沉降。我们关注两种机制：非常短期和长期动态。通过使用广义基尔霍夫方程组来描述粒子的运动，我们证明了在很短的动态范围内，从静止开始的圆柱体的行为与沉降速度和角速度分别与$t$和$t^3$成正比。然后，我们探讨了长期的行为和评估的准稳定的假设下，流体不稳定项可以忽略不计的有效性。使用量纲分析，我们建立了准定常假设只适用于雷诺数远小于1。然而，通过比较最近的实验和直接数值模拟的准定常模型的结果，我们证明了这一假设是有效的雷诺数范围更广，特别是对于长纤维。我们还分析了粒子惯性的影响。结果表明，颗粒惯性对沉降速度和角速度的大小没有显著影响。然而，足够大的惯性，我们揭示了准稳态模型的阻尼振荡器的形式时，粒子接近其平衡位置，这是宽边上的运动方向。我们讨论了直接数值模拟的光这个解决方案的相关性。
2023-03-28 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
A Theory For Particle Settling and Shear-Induced Migration in Thin Film Flow
含颗粒倾斜膜流的实验[Zhou，Dupuy，Bertozzi，and Hoclane，Phys. Rev. Lett. 94（2005）]已经显示出取决于颗粒浓度$ϕ$和倾斜角$θ$的不同沉降行为，其中颗粒积聚在基底上或前进接触线附近，或保持混合。Zhou等人提出了一种润滑模型，该模型捕获了高- $ϕ$、高- $θ$状态的定性行为，其特征在于接触线附近的颗粒富集脊，但无法解释观察到的其他沉降行为。这项工作提出了一个模型，其中$ϕ$通过膜深度变化，不像周等。的模型。计算了液相和颗粒相的平均速度，并讨论了相分离的影响。研究发现，在决定相分离时，$ϕ$的平衡深度剖面比下坡方向的重力沉降更重要。预测的沉降行为直接与周等人。的实验数据。
2007-10-16 physics.flu-dyn
Sedimenting Elastic Filaments in Turbulent Flows
本文研究了均匀各向同性湍流中长弹性细丝的重力沉降。我们表明，流量产生强烈波动的沉降速度，其平均值是适度增强的静止流体的终极速度，其方差具有幂律依赖于长丝的重量，但令人惊讶的是不受其弹性。相反，翻滚的长丝被示出为紧密耦合到其拉伸，并表现为一个泊松过程的翻滚时间，增加与弹性松弛时间的长丝。
2021-01-02 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
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 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
Sedimentation of a dilute suspension of rigid spheres at intermediate Galileo numbers: the effect of clustering upon the particle motion
在稀相条件下，对有限尺寸颗粒在三周期区域内的重力沉降进行了直接数值模拟。对于一个单一的固体与流体的密度比为1.5，我们已经考虑了两个值的伽利略数对应于稳定的垂直运动（Ga=121）和稳定的倾斜运动（Ga=178）的情况下，一个孤立的球。对于多粒子系统，我们仅在后一种情况下观察到强粒子聚集。与聚类相关的几何形状和时间尺度由Voronoi曲面细分和粒子条件平均确定。作为聚类的结果，平均颗粒沉降速度增加了12%相比，一个孤立的球的值，这样的集体效应是没有观察到在非聚类的情况下。通过定义一个局部（瞬时）的流体速度平均值在附近的有限大小的颗粒，它示出，所观察到的沉降速度的增强是由于这样的事实，即向下的流体运动（相对于全球平均值），这是在集群区域中引起的优先采样的颗粒。它进一步观察到，粒子速度的方差是强烈增强的聚类的情况下。借助于分解的颗粒速度，它表明，这种增加是由于增强流体速度波动（由于聚类）在附近的颗粒。最后，我们讨论了一个可能的解释观察到的一个关键的伽利略数标志着发病的集群稀释条件下。
2014-06-06 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
Derivation of a multilayer approach to model suspended sediment transport: application to hyperpycnal and hypopycnal plumes
本文提出了一种多层方法来模拟有自由表面流动中的高密度和低密度羽流。该模型允许计算流体流动速度的水平和垂直分量的垂直分布。该模型还可以描述形成浊流的每种泥沙的浓度和流速分量的垂向分布。为此，它考虑了颗粒的沉降速度及其与流体的相互作用。这允许比单层方法更好地描述现象。它是在更好的协议与物理问题，并给出了有希望的结果。数值模拟是通过将多层方法重写为紧凑形式（对应于具有非保守产物的系统）并使用路径保守数值格式来进行的。数值结果，以显示该模型的潜力。
2017-05-11 physics.flu-dyn
CFD-DEM Simulations of Current-Induced Dune Formation and Morphological Evolution
了解沉积物输运的基本机制，特别是底形形成和演变过程中的机制，具有重要的科学意义和工程相关性。传统的泥沙输移模拟方法严重依赖于经验模型，无法捕捉到泥沙输移过程中丰富的、依赖于制度的物理行为。近十年来，随着计算资源的增加，CFD-DEM（计算流体动力学-离散元方法）已成为研究泥沙运动的一种可行的高保真方法。然而，利用CFD-DEM对不同沉积物床型的生成和迁移进行全面、定量的研究还很缺乏。在这项工作中，电流引起的泥沙输运问题，在广泛的制度，包括“运动中的平床”，“小沙丘”，“涡沙丘”和悬浮运输进行了模拟。模拟使用SediFoam，一个开源的，大规模并行CFD-DEM求解器开发的作者。这是一个通用的求解器，用于粒子输运问题的含粒子流尾。验证测试进行，以证明CFD-DEM的能力，在整个范围内的泥沙输运制度。模拟结果与实验和数值基准数据的比较表明了CFD-DEM方法的优点。此外，目前的模拟与现有的研究，使用CFD-DEM的改进。本求解器给出了更准确的输沙率的预测，适当考虑颗粒体积分数对流体流动的影响。总之，这项工作表明，CFD-DEM是一个很有前途的粒子分辨方法，用于探测流致泥沙输运的物理。
2016-04-11 physics.flu-dyn
Stochastic Suspended Sediment Dynamics in Semi-Bounded Open Channel Flows: A Reflected SDE Approach
针对明渠湍流中悬移质泥沙运动的随机性，提出基于反射随机微分方程的反射随机扩散粒子跟踪模型（RSDPTM）及改进算法，经实验数据验证，模型能准确预测悬移质泥沙浓度分布。
2024-02-02 physics.flu-dyn
On the settling and clustering behavior of polydisperse gas-solid flows with application to pyroclastic density currents
本研究针对火山碎屑密度流等多分散气固流动，采用Euler-Lagrange框架模拟不同体积分数下的沉降行为，发现多分散性显著影响稀疏流动中的颗粒团聚结构，并提出了预测团聚程度的新指标“表面载荷”及准确的阻力系数模型。
2024-08-27 physics.flu-dyn
Asymptotic analysis of chaotic particle sedimentation and trapping in the vicinity of a vertical upward streamline
本文用渐近方法研究了重Stokes粒子在平面层流和轴对称流中的沉降。我们专注于Stommel的保留区的发生，并在分裂他们的separatrices。本文的目的是分析在什么条件下这些保留区可以形成，以及在什么条件下，他们可以打破和诱导混沌颗粒沉降。颗粒在静止流体中的终极速度与流体的典型速度相当，颗粒的响应时间远小于典型的流动时间尺度。据观察，如果流是稳定的，并有一个向上的流线，其中的垂直速度有一个严格的局部最大值，然后惯性粒子轨迹可以采取局部的椭圆形Stommel细胞的形式，提供粒子的终极速度是足够接近当地的峰值流速。这些结构仅依赖于局部流动拓扑，并且不要求流动具有闭合流线或停滞点。如果，此外，流是提交给一个弱的时间周期性扰动，经典的扩展使一个写的粒子动力学作为一个自由度的哈密顿系统，加上扰动包含两个耗散项的粒子运动方程和流动的不稳定性。因此，Melnikov的方法提供了准确的标准来预测上述椭圆细胞的分界线的分裂，导致混沌粒子捕获和混沌沉降。本文讨论了粒子惯性和流动不稳定性对Melnikov函数简单零点出现的影响。然后研究了平面胞状流和垂直管道中的颗粒运动，以说明这些结果。
2010-03-22 physics.flu-dyn
Numerical simulations of a sphere settling in simple shear flows of yield stress fluids
我们进行了$3$ D数值模拟，研究了在具有弱惯性的屈服应力流体中存在和不存在简单的交叉剪切流的情况下单个球体的沉降。在我们的模拟中，沉降流被认为是主流，而线性交叉剪切流是具有主流的振幅$10\%$的二次流。为了研究载流流体的弹塑性对球体阻力及流体动力学的影响，采用\cite{saramito2009new}提出的弹粘塑性（EVP）本构关系对载流流体进行了建模。额外的非牛顿应力张量是完全耦合的流动方程和固体颗粒表示的浸没边界（IB）方法。我们的结果表明，前后不对称的速度是不太明显，负尾流消失时，施加线性横向剪切流。我们发现，在剪切屈服应力流体中的球沉降的阻力显着减少相比，否则静止的流体。更重要的是，由于简单剪切流和均匀流之间的非线性耦合，在存在二次剪切流时，球阻力不能由纯沉降阻力定律导出。最后，我们表明，在较高的材料弹性，主要是由于形式和粘性阻力的减少，在剪切屈服应力流体中的球体上的阻力减少。
2020-05-18 cond-mat.soft 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
Dynamics of the velocity fluctuations in sedimenting suspensions of rigid fibres
研究沉降纤维悬浮液中速度波动的动力学，揭示高伽利略数和低浓度下纤维聚集体的形成及流体各向异性特征。
2025-12-08 physics.flu-dyn
Weakly nonlinear analysis of particle-laden Rayleigh-Bénard convection
本研究通过弱非线性稳定性分析，结合欧拉-欧拉/双流体公式推导三次Landau方程，探究惯性颗粒对瑞利-贝纳德对流的影响，揭示了超临界分岔特性、颗粒优先聚集趋势及热通量差随颗粒浓度的变化规律。
2025-03-19 physics.flu-dyn
Simulations of Particle-Laden Flows with Large Dispersed-Phase Size Disparities Using Scalable Parallel Adaptive Methods
RWTH Aachen University（亚琛工业大学）；Université de Lille（里尔大学）；University of Twente（特温特大学）
本文提出了一种高度可扩展的并行自适应方法，用于模拟具有大分散相尺寸差异的多相流，通过耦合格子玻尔兹曼方法与浸没边界方法，在动态自适应八叉树网格上实现高效并行计算，验证了该方法在气泡-颗粒碰撞等多尺度问题中的准确性和鲁棒性。
2026-10-14 physics.flu-dyn
Fluctuations, Clustering, and Interaction-Driven Dynamics in Sedimenting Particles at Low Galileo Numbers: A Neural Network Approach
本研究提出相互作用分解神经网络（IDNN）模拟低伽利略数下沉降颗粒的流体动力学相互作用，揭示了稀相区集体沉降速度增加源于力涨落与颗粒团簇形成，并展示了类似湍流的能量级联现象。
2025-10-27 physics.flu-dyn
A finite-size correction model for two-fluid Large-Eddy Simulation of particle-laden boundary layer flow
本文研究了双折射欧拉-欧拉两相流模型预测单分散有限尺寸固体颗粒在边界层流动中悬浮的能力。对于具有床摩擦速度的量级的沉降速度的比流体小的颗粒，双流体模型显著地低估了颗粒的湍流分散。假设有限尺寸效应是重要的，并提出了阻力定律的修正模型。该模型基于这样的假设，即大于颗粒直径的湍流尺度将有助于两相之间的分辨相对速度，而小于颗粒直径的涡流将具有两种效果：（i）它们将通过向阻力系数增加亚颗粒尺度的涡流粘度来减少颗粒响应时间，以及（ii）它们将有助于增加颗粒温度的产生。整合有限尺寸效应，使我们能够定量预测的浓度分布比流体颗粒没有任何调整参数。所提出的双流体模型的修改扩展了其适用范围，以处理具有属于湍流惯性范围的尺寸的颗粒，并允许我们设想在流动强迫条件方面的更复杂的应用，即片流、波驱动运输、浊流和/或流动几何形状，即波纹、沙丘、冲刷。
2021-03-05 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
Sediment Micromechanics in Sheet Flows Induced by Asymmetric Waves: A CFD-DEM Study
了解振荡流中的沉积物输运对于调查沿海地区的总体沉积物预算至关重要。在工程应用中，海岸线形态变化的预测是至关重要的。由于振荡流中的泥沙输运是稠密的颗粒流，因此颗粒相互作用的适当建模是至关重要的。虽然传统的双流体方法已被应用于振荡流中泥沙输移的研究，但这些方法没有解决颗粒之间的相互作用。振荡水流中泥沙运动的颗粒分辨模型和泥沙颗粒的细观力学研究还很缺乏。在这项工作中，一个并行的CFD-DEM求解器，可以解决颗粒间的碰撞被应用于研究泥沙颗粒在振荡流中的细观力学。利用粗砂和中砂的试验数据对CFD-DEM求解器的计算结果进行了验证。与试验结果的比较表明，用该模型计算的流速、输沙通量和净输沙率是令人满意的。此外，详细介绍了沉积床的微观力学量，包括Voronoi浓度、配位数和颗粒相互作用力。结果表明，这些细观力学量在振荡周期的不同阶段的变化是显着的，这是由于不同的床的响应。为了研究沉积物床的结构特性，Voronoi体积分数和配位数的相关性进行了比较，从流化床模拟的结果。结果表明，尽管流态不同，但输沙和流化床的微观结构相似。
2016-05-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-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
Efficient implementation of immersed boundary-lattice Boltzmann method for massive particle-laden flows Part I: Serial computing
浸没边界-格子玻尔兹曼方法（IB-LBM）是近年来被广泛应用于含颗粒流动模拟的一种方法。然而，它仅限于不超过O（103）粒子的小规模模拟。在这里，我们通过两个连续的工作扩展了IB-LBM的大质量颗粒负载流超过O（104）粒子。首先是第一部分：在单个CPU核心上进行串行计算，然后是第二部分：在多个CPU核心上进行并行计算。在这篇论文的第一部分，提出了一个高效的和本地化的实现IB-LBM串行计算。我们主要从三个方面进行了优化：不可压缩LBM的交换算法、IBM的局部网格到点算法和粒子对短程相互作用的改进网格搜索算法。此外，对LB碰撞项和外力项的半计算提出了对称算法。分析了在单个CPU核上的计算性能。不同尺度的二维（2D）和三维（3D）颗粒沉降在封闭的空腔中用于测试。固体体积分数从0到0.40变化。仿真结果表明，改进后的算法大大减少了计算量.对于无颗粒流，改进算法的每秒MLUPS（Mega Lattice Site Update per Second）可以达到36（2D）和12（3D）。对于含颗粒的流动，在稠密流动的模拟中，MLUPS可以达到不低于15（2D）和7（3D）。最后，我们讨论了新算法在MPI并行技术下实现大规模颗粒流高性能计算的潜力。
2020-02-20 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Spherical particle sedimenting in weakly viscoelastic shear flow
Gothenburg University（哥德堡大学）
研究弱粘弹性剪切流中球形颗粒的沉降动力学，推导了运动和阻力的解析解，发现升力和阻力的量级与剪切方向有关，提出新的张量基集用于扰动计算。
2017-05-11 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
Turbidity current flow over an obstacle and phases of sediment wave generation
本文研究了带颗粒的浊流沿斜坡向下和越过障碍物的流动。采用基于Navier-Stokes方程的高分辨率二维计算机仿真模型。它包括电流和基板中的多分散颗粒粒度。特别注意的是支付给基板颗粒的侵蚀和沉积，包括应用程序的活性层模型。多个流是从一个锁释放，可以显示沉积物波（SW）的发展建模。这些是由障碍物下游侧坡度增加触发的流向波。初始障碍物被几个流动后的再悬浮完全消除，导致自洽和自生SW，弱依赖于初始障碍物。这些波浪的增长与浊流的自持性，即净侵蚀大于净沉积有直接关系。发现四个系统参数影响SW生长：（1）斜率，（2）电流锁高度，（3）颗粒锁浓度，和（4）颗粒直径。发现系统的三个阶段：（1）“无SW”，（2）“SW建立”，（3）“SW增长”。第二相由形状保持不变的类孤子SW结构组成。该系统的相图是由隔离区域除以临界坡度角作为电流锁高度，颗粒锁浓度，和颗粒直径的函数定义的。
2011-08-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
A general velocity correction scheme for two-way coupled point-particle simulations
在含颗粒流体流动模拟中采用的欧拉-拉格朗日点粒子模型的准确性取决于通过闭合模型对颗粒力的准确估计。典型的力闭合模型需要计算颗粒位置处的滑移速度，这又需要准确估计未扰动流体速度。然而，当流体和颗粒相是双向耦合的流体速度场被颗粒的存在所干扰。通常的做法是使用扰动速度来计算颗粒力，这可能导致预测颗粒动力学的误差高达100%。在这项工作中，一个通用的速度校正方案的开发，有利于准确估计的未受干扰的流体速度在颗粒负载的流体流动和无滑壁。该模型可以处理不同尺寸的颗粒，任意插值函数，具有大纵横比的各向异性网格，以及有壁流动。本修正方案的动机是Esmaily和Horwitz（JCP，2018）最近对无界颗粒流的研究。壁有界的流动所需的修改开发，以便在任何壁距离的不受干扰的流体速度准确地恢复，渐近接近无界计划远离墙壁的颗粒。详细的一系列验证试验进行了平行和垂直运动的颗粒的无滑移壁的沉降速度。一系列的流动参数和网格配置，涉及各向异性网格的纵横比通常遇到的颗粒负载的湍流槽道流，被详细考虑。当考虑壁面效应时，与无界修正方案相比，本修正方案将预测近壁粒子运动的误差减小了一个数量级。
2020-04-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Settling dynamics of non-Brownian suspension of spherical and cubic particles in Stokes flow
本研究通过刚性多团簇方法模拟 Stokes 流中球形与立方体颗粒的沉降，发现水动力作用主导稀相沉降，碰撞抑制浓相波动，且球形颗粒沉降更快，立方体颗粒各向异性更低并更易逆重力运动。
2025-03-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Slumping regime in lock-release turbidity currents
通过倾斜底部闸门释放系统实验，研究浊流 slump 机制，发现沉降与惯性比控制 3 种流态，流速随坡度增加，流头形状独立于参数，水卷入系数与 Reynolds 数线性相关。
2023-10-25 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Accurate calculation of Stokes drag for point-particle tracking in two-way coupled flows
在这项工作中，我们提出并测试了一种方法，用于计算斯托克斯阻力适用于粒子负载的流体流动的双向动量耦合是很重要的。在点粒子公式中，粒子动力学通过出现在相应动量方程中的源项耦合到流体动力学。当颗粒雷诺数较小时，颗粒直径小于流体尺度时，通常将动量耦合源项近似为Stokes阻力。斯托克斯拖曳力取决于在颗粒位置处评估的未扰动流体速度与颗粒速度之间的差异。然而，由于双向耦合，流体速度在颗粒附近相对于其未受干扰的值被修改。这导致在双向耦合点粒子模拟中计算的斯托克斯阻力被低估。我们开发的阻力误差作为相对于网格大小的颗粒大小的函数的估计。然后，我们开发了一种校正方法，估计未受干扰的流体速度从计算的扰动速度场。校正方案进行测试，否则静止的流体中的颗粒沉降，并发现减少计算沉降速度的误差由一个数量级相比，常见的插值方案。
2015-09-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Profile-Preserving Phase-Field Model for Surfactant Transport and Adsorption-Desorption in Two-Phase Flow Systems
本文提出一种保型相场模型，通过迭代细化界面分布和 delta 函数以消除浓度奇点并改善质量守恒，成功模拟了两相流系统中的表面活性剂输运与吸附-脱附动力学。
2025-04-27 physics.flu-dyn
Hydrodynamic Stability Criterion for Colloidal Gelation under Gravity
本文通过布朗动力学与格子玻尔兹曼模拟，研究重力对胶体凝胶形成过程的影响，提出基于新生团簇加速沉降的稳定性判据，并分析了临界体积分数以上凝胶网络力学主导的沉降行为及最终沉积物状态。
2023-03-24 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
A correction scheme for two-way coupled point-particle simulations on anisotropic grids
拉格朗日点粒子模型用于模拟含颗粒流动时，当颗粒和流体动量方程双向耦合时，其精度可能降低。在这些情况下，在颗粒的位置处的流体速度，这通常被用作未扰动速度的估计，被改变的颗粒的存在，修改滑移速度，并产生流体和颗粒之间的耦合力的错误预测。在本文中，我们提出了一种校正方案，以消除这种误差，准确预测原状流体速度。从概念上讲，在该方法中，计算单元被视为浸入流体中的固体对象，该流体受到双向耦合力并以与粒子产生的扰动相同的速度拖动。该方案是通用的，因为它可以适用于非结构化网格与任意几何形状和颗粒，具有不同的尺寸和密度。在各向同性网格的最粗糙形式下，本修正方案简化为将斯托克斯阻力除以$1 - 0.75Λ$，其中$Λ$是颗粒直径与网格尺寸的比率。所提出的计划的准确性进行评估，通过比较计算的沉降速度的个别和对粒子重力各向异性的直线网格对解析解。该比较显示，在颗粒比纵横比可能超过10的网格大5倍的情况下，误差减少了两个数量级。此外，与衰减湍流的粒子分辨模拟的比较表明，所提出的方案具有良好的精度。
2017-11-21 physics.flu-dyn
A Review on Contact and Collision Methods for Multi-body Hydrodynamic problems in Complex Flows
含颗粒流的建模和直接数值模拟在科学和工程中有着广泛的应用范围，从大气中的污染扩散到燃烧过程中的流化，再到喷雾药物中的气溶胶沉积，以及许多其他方面。由于它们的强非线性和多尺度性质，上述复杂现象仍然对大多数计算方法提出了非常严峻的挑战。在这篇综述中，我们提供了全面的覆盖面的多体流体动力学（MBH）的问题，重点是在复杂的流体系统中的颗粒悬浮液，已模拟使用混合欧拉-拉格朗日颗粒流模型。在这些混合模型中，浸没边界-格子玻尔兹曼方法（IB-LBM）为MBH模拟中的固体-流体动力学相互作用提供了数学上简单且计算效率高的算法。本文阐述了各种“简单到复杂”的紧密接触颗粒间相互作用和碰撞方法的数学框架、适用性和局限性，包括短程颗粒间和颗粒-壁空间相互作用、弹簧和润滑力、法向和斜碰撞，基于硬球和软球的可变形粒子碰撞的中尺度分子模型MBH模型中的球体模型，用于模拟不同流体系统中不同几何形状和尺寸的不均匀颗粒的沉降或流动。
2022-11-22 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Light-scattering reconstruction of transparent shapes using neural networks
University of Manchester（曼彻斯特大学）
提出一种单相机高分辨率方法，通过堆叠光片扫描和神经网络自编码器，非侵入式重建透明褶皱薄片在流动中的三维变形，并验证了其对噪声的鲁棒性和实验准确性。
2026-06-19 cond-mat.soft physics.data-an physics.flu-dyn
