湍流边界层中球形颗粒的平移与旋转

在摩擦雷诺数 $Re_\tau$ 为 700 和 1300 的湍流边界层中进行了三维粒子追踪实验。两个比重分别为 1.003 (P1) 和 1.050 (P2)、直径为 60 和 120 壁面单位的有限尺寸球体从光滑壁面上的静止状态单独释放。球体表面标满圆点，以通过高速立体成像监测其平移与旋转。球体释放后在顺流方向一个边界层厚度的距离内强烈加速，随后接近一个近似终端速度。初始雷诺数 $Re_p$ 为 800 和 1900 的球体 P1 始终从壁面升起。对于初始 $Re_p$ 为 1900 的球体 P2，偶尔也观察到类似行为。升起的球体在高度上达到初始峰值，随后向壁面下降。球体轨迹表现出多种行为，包括跃移、重悬浮和带有小幅随机弹跳的滑动运动，这取决于 $Re_\tau$ 和比重。在 $Re_\tau=1300$ 时，较轻的球体在大部分轨迹期间保持悬浮在壁面之上，以最快的顺流速度传播。相比之下，在 $Re_\tau=700$ 时，较重的球体主要沿壁面滑动，以最慢的顺流速度传播。在球体接近近似终端速度后，许多球体经历了额外的升空事件，据推测这些事件是由发夹涡或相干流动结构驱动的。观察到球体绕所有三个坐标轴旋转。虽然平均剪切可能诱导绕展向轴的旋转，但近壁相干结构和球体的尾迹可能驱动顺流和壁面法向旋转。在球体沿壁面传播的所有情况中，滑动运动而非向前滚动运动占主导地位。