流体饱和颗粒床中柱状固体的阻力各向异性

我们研究了长度为 L、直径为 D 的柱状固体侵入体在水饱和颗粒床中定深运动时所受的方向依赖性阻力。采用直径 d 的聚苯乙烯与水凝胶颗粒分别探究高接触摩擦与近无摩擦材料。在准静态到率相关 regime 下，测量侵入体轴向垂直（F_⊥）与平行（F_∥）取向时随速度 U 变化的阻力。我们发现阻力各向异性 ξ = F_⊥/F_∥ 并非恒定，而在两种介质中均随驱动速率与 L/D 显著增大。特别地，对 L/D = 40，当无量纲 Froude 数 Fr = U/√(g(D+d)) 在 10^{-4} 与 2×10^{-2} 之间变化时，ξ 在高摩擦与低摩擦床中分别从 2.6 增至 4.5、从 7.0 增至 8.2。平均而言，观测到 ξ 随 L/D ≫ 1 而对数增长。利用水凝胶颗粒在水中的折射率匹配特性，我们进一步表明两取向下方柱体周围的沉积物流与表皮摩擦主导的阻力一致。利用薄圆盘估算柱侧面与圆形平端面对 ξ 的相对贡献，以理解所观测到的阻力随长宽比与表面摩擦的变化。