振荡流中规则基底上单颗粒的起动运动

我们采用力学方法研究并建模了振荡边界层流中结构化基底上单颗粒的运动启动。通过将作用在颗粒上的力和力矩与瞬时环境流场确定性地关联，捕捉了流动非定常性的影响，揭示了丰富的颗粒动力学行为。在振荡流隧道中的实验室实验表征了运动启动及早期阶段，通过粒子图像测速测量获得了运动阈值处的流动条件。实验验证并补充了颗粒分辨直接数值模拟的结果，该模拟结合了浸入边界法和包含静摩擦接触模型的离散元方法。在略高于运动阈值的参数范围内，可移动颗粒在基底上滚动而不滑动，表明运动启动由不平衡力矩而非力主导。实验和数值结果均与解析力矩平衡（包括由理论斯托克斯速度剖面导出的水动力力矩，以及升力、附加质量和外部施加压力梯度的贡献）表现出极好的一致性。除了静态和滚动颗粒状态外，我们还识别出一种摆动状态，其中颗粒移动但不离开其原始凹坑。我们的确定性方法能够预测振荡周期内颗粒开始运动的相位，无需依赖经验阈值估计，并且可以推广到广泛的流动和基底条件，只要湍流不存在且与其他可移动颗粒的相互作用可忽略。