有限尺寸颗粒如何改变 Taylor-Couette 湍流中的阻力

我们通过实验研究了中性浮力、不同长径比的有限尺寸颗粒在 Taylor-Couette（TC）湍流中对阻力的改变。当前雷诺数 $Re$ 范围为 $6.5\times10^3$ 至 $2.6\times10^4$，颗粒体积分数 $\Phi$ 最高达 $10\%$。使用了三种长径比 $\lambda$ 的颗粒：$\lambda=1/3$（扁球）、$\lambda=1$（球形）与 $\lambda=3$（长球）。不同于气泡 TC 流的情形，我们发现悬浮的有限尺寸颗粒无论长径比如何均增大 TC 系统的阻力。此外，归一化摩擦系数 $c_{f,\Phi}/c_{f,\Phi=0}$ 随 $Re$ 增大而减小，原因可能是在当前低体积分数下湍流应力在较高 $Re$ 时占主导。随着 $Re$ 增大，颗粒在整个系统中分布更均匀，这源于较高 $Re$ 下更强的湍流强度与更显著的颗粒有限尺寸效应。 moreover，发现颗粒长径比变化导致不同的颗粒集体效应。悬浮球形颗粒倾向于在壁面附近聚集形成颗粒层，显著 affect 边界层并造成最大阻力改变。最小阻力改变出现在扁球情形，此时颗粒优先聚集于主流区，故无颗粒层。基于光学测量结果可得出结论：在低体积分数范围（此处 $\Phi=0.5\%$ 与 $\Phi = 2\%$）内，更大的阻力改变与近壁颗粒聚集相关。本发现表明颗粒形状在阻力改变中起重要作用。