Translating sphere in warm liquid wake transition and melting dynamics

我们利用 fully resolve solid and fluid phases 以及 stefan 条件的尖锐界面仿真方法，研究初始球形颗粒在温暖液体中运动时的三维熔化动力学。广泛的参数空间被探索，涵盖初始雷诺数 ($Re_0$)、斯特凡数 ($St$) 以及里德森数 ($Ri$)。在无浮力情形下 ($Ri=0$)，界面演化受到规范性 wake 分岔的支配。识别出四个不同 regime：轴对称 regime ($Re_0<212$) 伴随圆润前缘和平行后缘；稳定平面对称 regime ($212<Re_0<273$) 特征为倾斜后平面；周期平面对称 regime ($273<Re_0<355$) 表现为 wake 中的涡流 shedding；混沌 regime ($Re_0>355$) 伴随波动的静止点和更圆润的后缘。尽管这些 regime 存在差异，所有情形都表现出随时间推移趋于熔解速率均匀化的倾向。此外，我们引入一种基于横截面积比的表面积公式，构建了精确预测体积演化的模型。流体力学负荷也反映了形状与流动之间的耦合：在 moderate $Re_0$ 时，阻力遵循刚性球体相关性；平面后缘在更高 $Re_0$ 下增大阻力；升力仅在破坏对称性的 regime 中出现且在晚期时间反转；扭矩将后平面重新定向为垂直方向，与 free-body 实验结果一致。当包含浮力时，辅助配置 ($Ri>0$) 抑制回流并维持准球形形状；相反或横向浮力 ($Ri<0$) 则 destabilizes wake 并促进倾斜平面后缘。这些结果为从 laminar、周期到混沌 wake 的对流驱动熔化提供了统一框架，具有地质和工业过程的意义。