泰勒-库埃特流中长椭球的强取向排列

我们借助界面分辨数值模拟，报道了泰勒-库埃特流中有限尺寸、中性浮力长椭球（长宽比 $\Lambda=4$）的运动与取向。该构型由旋转内圆柱与静止外圆柱之间的含颗粒流组成。我们模拟了两种颗粒尺寸 $\ell/d=0.1$ 和 $\ell/d=0.2$，其中 $\ell$ 表示颗粒长轴，$d$ 表示圆柱间间隙宽度。体积分数分别为 $0.01\%$ 和 $0.07\%$。初始随机分布的颗粒最终呈现出可归类为四种模式的特征空间分布。模式 $(i)$ 至 $(iii)$ 出现在泰勒涡流转捩区，而模式 $(iv)$ 涵盖波状涡与湍流泰勒涡 regime。模式 $(i)$ 对应于远离涡核的稳定轨道。值得注意的是，在狭窄的 $\textit{Ta}$ 范围内，颗粒被捕获于泰勒涡核中（模式 $(ii)$）。模式 $(iii)$ 是同时观察到模式 $(i)$ 与 $(ii)$ 的过渡状态。对于模式 $(iv)$，由于流动不稳定性，颗粒分布于整个区域。所有四种模式均展现出特征取向统计。我们发现模式 $(ii)$ 的颗粒聚集具有尺寸依赖性，主要有两点观察。首先，$\ell/d=0.2$ 时涡核处的颗粒团聚远高于 $\ell/d=0.1$。其次，观察到聚集现象的 $\textit{Ta}$ 范围取决于颗粒尺寸。对于该模式 $(ii)$，我们观察到颗粒与局部圆柱切线强烈对齐。最显著的颗粒排列出现在 $\ell/d=0.2$ 且 $\textit{Ta}=4.2\times10^5$ 附近。该观察被发现与泰勒涡核处轴向涡量的极小值（$\textit{Ta}=6\times10^5$）密切对应，我们对此作出了解释。