具有质心偏移的二维圆柱上浮与沉降

在考虑自由上浮或沉降的各向同性颗粒动力学时，旋转效应通常被忽略。本文中，我们证明当系统中引入质量偏心从而引入新的摆动力学时间尺度时，颗粒旋转对圆柱的上浮与沉降均起着重要作用。我们采用二维模拟研究静止无界不可压缩牛顿流体中单个圆柱的运动。这使我们能够系统地、且在实验不可及的范围内改变伽利略数、密度比、相对转动惯量和质心偏移（COM）。对于某些浮力密度比，颗粒动力学表现出共振模式，期间通过马格努斯升力的耦合导致平动与转动运动间的正反馈。该模式产生截然不同的轨迹，具有显著更大的转动与平动幅值，且阻力系数增加轻易超过两倍。我们提出一个简单模型，刻画了由 COM 偏移诱导的共振区间随其他输入参数（具体为密度比、伽利略数和相对转动惯量）的变化情况。值得注意的是，取决于输入参数，质心偏移小至颗粒直径的几个百分点时即可观察到共振，表明颗粒动力学对该参数可能高度敏感。