高速运动侵入体在静水颗粒介质中受到的升力与阻力

最近的实验表明，水平拖曳穿过致密静水颗粒堆积的侵入体所受的力主要取决于局部表面取向，并可视为作用在微小表面单元上的力之和。为了更深入地理解这些力，我们在类似的设置下进行了二维软球分子动力学模拟，模拟了一个侵入体被拖曳穿过直径分别为 0.30 和 0.34 cm 的 50-50 双分散颗粒堆积的过程。针对圆形和半圆形两种形状，我们测量了平行（阻力）和垂直（升力）于拖曳方向的力随拖曳速度 (V=10.3-309 cm/s) 和侵入深度 (D=3.75-37.5 cm) 的变化关系。侵入体所受的阻力随 V 和 D 单调增加，且圆形的阻力更大。然而，升力并不随 V 和 D 单调变化，这种关系受侵入体形状的影响。对于半圆形，垂直力为负值，但在小范围的 V 和 D 下，我们测得了正升力。对于圆形，升力始终为正，未发现符号变化。对这种非单调依赖关系的解释与随 V 增加侵入体上的接触点减少有关。这在定性上类似于超声速流从障碍物脱离的现象。侵入体周围速度场的模拟测量及其表面测得的力分布支持了这一脱离图像。