静止流体与湍流中薄曲粒子的沉降行为

薄曲下落粒子的运动在自然界与工业中普遍存在,但尚缺乏广泛研究。此处,我们描述一项关于类似破碎瓶片的薄圆柱壳在静止流体与均匀各向异性湍流中沉降动力学的实验研究。粒子基于平均下降速度的阿基米德数为 $0.75 \times 10^4 \lesssim Ar \lesssim 2.75 \times 10^4$。在水槽中使用共面配置的随机射流阵列产生达到雷诺数 $Re_\lambda \approx 100$ 的湍流。待流动达到统计定常后,释放一粒粒子,并使用两台正交放置的高速相机记录其三维运动。我们提出一个简单摆模型,可准确刻画粒子在静止流体中的速度涨落,并发现下落方式的差异可由粒子俯仰角与其速度矢量间更紧密的对齐来解释。通过比较背景湍流下与静止流体中的轨迹,我们测得在所测条件下湍流中平均下降速度减小。我们还研究了粒子的次级运动,并识别出湍流特有的下降事件,如“长滑翔”与“快速旋转”事件。最后,我们展示了背景湍流下粒子径向弥散的增加,并将下降事件的时间尺度与局部沉降速度相关联。