关于蠕动流中粗糙颗粒阻力系数的普适性
流体动力学
2024-11-14 v1 地球物理
摘要
关于颗粒形态是减小还是增强蠕动流中单个颗粒的阻力存在争议；当非球形颗粒的取向依赖性发挥作用时，情况进一步复杂化。为量化形状不规则性和取向的影响，本研究对由球谐函数描述的粗糙分形颗粒在蠕动流中的阻力进行了数值研究。随着颗粒表面因相对粗糙度和分形维数增加而变得更加棱角分明，观察到更强的减阻效果；这种依赖于形态的减阻现象表明斯托克斯公式是不充分的。旋转依赖性有助于解释地球物理学中常见的沉降颗粒实验中总是遇到阻力增强这一悖论。对于给定粗糙颗粒在不同取向下的阻力，提取的整体阻力及其两个分量（即表面摩擦阻力和压差阻力）的分布普遍遵循威布尔模式。此外，我们确定了阻力系数与一个新提出的面积相关数之间的普适幂律，该幂律充分考虑了由表面积表示的颗粒粗糙度和由垂直于流动方向的投影面积表示的取向依赖性。该定律主要受相对粗糙度控制，对分形维数的敏感性较低。所确定的表达式能够在升尺度模拟中精确估计流体-颗粒相互作用。
引用
@article{arxiv.2411.08225,
title = {On the Drag Coefficient Universality of a Rough Grain in Creeping Flow},
author = {Si Suo and Deheng Wei and Budi Zhao and Chongpu Zhai and Yixiang Gan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2411.08225},
year = {2024}
}