球形颗粒在粘弹性流体中通过方形通道时的运动聚焦模式

《Journal of Fluid Mechanics》：Focusing patterns of spherical particles in a viscoelastic flow through square channels

中性浮力球体在黏弹性流体中通过方形通道的惯性迁移现象通过实验和数值模拟研究。实验测量不同Re（0-100）和El（0-0.07）下的粒子分布，发现四种聚焦模式及多稳态。数值模拟基于FENE-P模型准确复现实验结果，揭示弹性升力和壁面效应共同作用机制。

　　

摘要

本文通过实验和数值模拟研究了中性浮力球形颗粒在流经方形通道的粘弹性流体中的惯性运动行为。实验中，我们使用了不同浓度的聚合物稀水溶液（这些溶液的粘度几乎保持恒定），测量了在雷诺数（Re）高达100以及弹性数（El）高达0.07的条件下，悬浮颗粒在下游截面的分布情况。颗粒的聚焦模式有多种，例如：在低El值和/或高Re值时，颗粒会在通道中线附近形成四点聚焦；在中等El值时，颗粒会在对角线上形成四点聚焦；在相对较高的El值和较低Re值时，颗粒会在通道中心形成单点聚焦；而在高El值和非常低的Re值时，颗粒会在通道的四个角以及中心形成五点聚焦。在这些聚焦模式中，观察到了多种颗粒分布形态，这表明存在一个位于中线和对角线之间的新的平衡位置，并且存在多种不同的平衡状态。总体而言，随着El值从0开始逐渐增加（Re值保持不变），颗粒的聚焦位置首先会从通道中线向对角线方向移动，随后再向通道中心径向移动。这些聚焦模式及其转变过程可以通过基于FENE-P模型的数值模拟得到良好再现，该模型使用了实测的粘度和松弛时间数据。通过数值结果，我们可以从流体弹性诱导的升力和壁面诱导的弹性升力的角度来解释实验观察到的颗粒聚焦现象。

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