充满有限尺寸圆柱形颗粒的湍流通道流动

《Journal of Fluid Mechanics》：Turbulent channel flow laden with finite-size cylindrical particles

湍流通道中带有限尺寸圆柱颗粒的界面 resolved 模拟研究表明，不同长径比圆柱与球体在流场中的动态行为存在显著差异：短圆柱因扁平面贴合壁面而呈现独特捕获效应，长圆柱则沿主流方向排列。圆柱颗粒均增强壁面摩擦，短圆柱因近壁堆积导致摩擦增阻最显著。动态行为差异源于惯性矩各向异性导致的旋转与平动偏好

　　

摘要

本研究采用耦合的格子玻尔兹曼（lattice Boltzmann）方法和离散元方法（discrete element method），对含有有限尺寸圆柱颗粒的湍流通道流动进行了界面分辨模拟。研究目的是探讨壁面边界湍流与具有尖锐边缘的非球形颗粒之间的相互作用。颗粒与流体的密度比为1，且忽略了重力作用。实验中比较了长圆柱（长径比为2）、标准圆柱（长径比为1）和短圆柱（长径比为$1/2$）以及球体的行为，并参考了关于椭球体的文献数据。结果表明，圆柱颗粒表现出既相似又不同的动态特性，并对湍流模式产生了影响。值得注意的是，由于短圆柱的平坦表面与壁面紧密贴合，它们容易滞留在壁面附近——这种行为是具有尖锐边缘的颗粒所特有的。长圆柱和标准圆柱以及球体倾向于聚集在高速流动区域，而短圆柱则聚集在低速流动区域，这明显体现了长径比的影响。在靠近壁面的区域，长圆柱的轴线会与流动方向对齐，而短圆柱则垂直于壁面排列。从旋转特性来看，长圆柱主要进行旋转运动，而短圆柱则以翻滚为主。这些现象源于颗粒的定向偏好以及它们的轴向和横向惯性矩的差异。与单相流动相比，圆柱颗粒会增加壁面摩擦阻力，其中短圆柱由于在壁面附近的密集堆积而产生的影响最为显著。总体而言，长径比对圆柱颗粒动态行为和湍流调制的影响比椭球形颗粒更为明显。

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