Abstract We experimentally investigated the kinematics and suspension of particles in the near-wall region of a horizontal turbulent channel flow of water. The particles were glass beads with a diameter of 0.014H, where H is the full channel height. The experiments involved dilute particle suspensions at bulk volumetric concentrations (ϕ) of 0.05, 0.12, and 0.27%, and at Reynolds numbers (Re) of 20,200, 40,400, and 60,500. Measurement of Lagrangian position and velocity of the particles was carried out using 3D particle tracking velocimetry. At the lowest Re, the results showed a large near-wall accumulation of particles due to gravitational settling at all three bulk concentrations. The analysis of turbulence statistics suggested negligible effect due to inter-particle collisions even when the local volumetric particle concentration reached 2%. With increasing Re to 40,400 and 60,500, different concentration profiles were observed for ϕ = 0.05% with respect to the profiles of ϕ = 0.12 and 0.27%. A bi-model particle concentration distribution, with an inner and outer peak, was present for ϕ = 0.05% at Re = 40,400 and 60,500. In contrast, the particles at ϕ = 0.12 and 0.27% had a wall-peaking profile. The autocorrelation function of the streamwise Lagrangian velocity and wall-normal dispersion of the particles showed greater stability of particle motions in the near-wall region for ϕ = 0.12 and 0.27% with respect to ϕ = 0.05% at the two higher Re. The observations are associated with a stronger particle-wall lubrication at the higher volumetric concentrations of ϕ = 0.12 and 0.27%.

中文翻译：

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稀悬浮液湍流通道流中颗粒的空间分布

摘要 我们通过实验研究了水的水平湍流通道流的近壁区域中颗粒的运动学和悬浮。颗粒是直径为 0.014H 的玻璃珠，其中 H 是全通道高度。实验涉及体积体积浓度 (ϕ) 为 0.05、0.12 和 0.27% 以及雷诺数 (Re) 为 20,200、40,400 和 60,500 的稀释颗粒悬浮液。使用 3D 粒子跟踪测速法测量粒子的拉格朗日位置和速度。在最低 Re 下，结果表明，由于在所有三种体积浓度下的重力沉降，颗粒在近壁处大量积累。湍流统计分析表明，即使当局部体积粒子浓度达到 2% 时，由于粒子间碰撞的影响也可以忽略不计。随着 Re 增加到 40,400 和 60,500，对于 ϕ = 0.05% 观察到不同的浓度分布，相对于 ϕ = 0.12 和 0.27% 的分布。在 Re = 40,400 和 60,500 处，φ = 0.05% 存在具有内部和外部峰值的双模型粒子浓度分布。相比之下，φ = 0.12 和 0.27% 处的颗粒具有壁峰轮廓。粒子的流向拉格朗日速度和壁面法向色散的自相关函数表明，对于 φ = 0.12 和 0.27%，在两个较高 Re 下，相对于 φ = 0.05%，粒子在近壁区运动的稳定性更高。这些观察结果与 ϕ = 0.12 和 0.27% 的较高体积浓度下更强的颗粒壁润滑有关。05% 相对于 ϕ = 0.12 和 0.27% 的剖面。在 Re = 40,400 和 60,500 处，φ = 0.05% 存在具有内部和外部峰值的双模型粒子浓度分布。相比之下，φ = 0.12 和 0.27% 处的颗粒具有壁峰轮廓。粒子的流向拉格朗日速度和壁面法向色散的自相关函数表明，对于 φ = 0.12 和 0.27%，在两个较高 Re 下，相对于 φ = 0.05%，粒子在近壁区运动的稳定性更高。这些观察结果与 ϕ = 0.12 和 0.27% 的较高体积浓度下更强的颗粒壁润滑有关。05% 相对于 ϕ = 0.12 和 0.27% 的剖面。在 Re = 40,400 和 60,500 处，φ = 0.05% 存在具有内部和外部峰值的双模型粒子浓度分布。相比之下，φ = 0.12 和 0.27% 处的颗粒具有壁峰轮廓。粒子的流向拉格朗日速度和壁面法向色散的自相关函数表明，在两个较高 Re 下，对于 ϕ = 0.12 和 0.27%，在近壁区粒子运动的稳定性更高，而 ϕ = 0.05%。这些观察结果与 ϕ = 0.12 和 0.27% 的较高体积浓度下更强的颗粒壁润滑有关。12% 和 0.27% 具有壁峰轮廓。粒子的流向拉格朗日速度和壁面法向色散的自相关函数表明，对于 ϕ = 0.12 和 0.27%，在两个较高 Re 下，相对于 ϕ = 0.05%，粒子在近壁区的运动稳定性更高。这些观察结果与 ϕ = 0.12 和 0.27% 的较高体积浓度下更强的颗粒壁润滑有关。12% 和 0.27% 具有壁峰轮廓。粒子的流向拉格朗日速度和壁面法向色散的自相关函数表明，对于 ϕ = 0.12 和 0.27%，在两个较高 Re 下，相对于 ϕ = 0.05%，粒子在近壁区的运动稳定性更高。这些观察结果与 ϕ = 0.12 和 0.27% 的较高体积浓度下更强的颗粒壁润滑有关。