颗粒沉降穿过密度跃层时的反弹行为

本工作关注一种特定的反弹行为：颗粒在不存在中性浮力位置的情况下沉降穿过三层分层流体，该现象最初由 Abaid, N.、Adalsteinsson D.、Agyapong A. 与 McLaughlin, R.M.（2004）在盐度诱导分层中发现。我们开展了实验与数值模拟。在实验中，由位于颗粒中心平面的激光片照明，其反弹行为被良好捕捉。我们发现反弹过程在尾流脱离颗粒后开始。PIV 结果显示，尾流破碎后颗粒后方中心轴上产生了向上的射流。通过力分解过程，我们量化了由尾流浮力（$F_{sb}$）与流动结构（$F_{sj}$）引起的增强阻力。注意到 $F_{sb}$ 在初期对增强阻力起主要贡献，其在尾流脱离后变得不那么主导。相反，$F_{sj}$ 在逆转颗粒运动中起关键作用。我们推测射流是反弹运动发生的必要条件。随后，我们通过改变下雷诺数 $Re_l$、弗劳德数 $Fr$ 与上雷诺数 $Re_u$ 在范围 $1 \leq Re_l\leq 125$、$115 \leq Re_u\leq 356$ 与 $2 \leq Fr\leq 7$ 内，考察了颗粒的最小速度（反弹发生时为负值）。我们发现反弹行为主要由 $Re_l$ 决定。在我们的实验中，反弹运动被发现发生于临界下雷诺数约 $Re^ \ast _{l}=30$ 以下。在数值模拟中，该临界数的最高值为 $Re^ \ast _{l}=46.2$，限于当前所研究的参数范围。