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Lift on Janus and stick spheres in laminar channel flow: a computational study
Theoretical and Computational Fluid Dynamics ( IF 2.2 ) Pub Date : 2021-08-10 , DOI: 10.1007/s00162-021-00579-7
Manish Dhiman 1 , Raghvendra Gupta 1 , K. Anki Reddy 1
Affiliation  

The instantaneous motion of a spherical particle in a channel flow is governed by the forces experienced by the particle. The magnitude and direction of the forces depend on the particle to channel size ratio, particle position, nature of the sphere surface (sticky/slippery), fluid properties and relative velocity between the fluid and the particle. In this work, we report the lift, the force component directed normal to the streamwise direction, on two classes of spheres, sticky and Janus, in a channel of square cross-section. The Janus spheres considered have both sticky and slippery hemispheres with the boundary between the two hemispheres parallel to the channel midplane. The effect of particle to channel size ratio, dimensionless particle position and particle Reynolds number on the lift are studied. The Janus sphere placed at the channel centerline is observed to experience the lift directed from the sticky to the slippery hemisphere. A correlation is proposed to predict the lift on the Janus sphere placed at the centerline of the channel. A sticky sphere positioned close to the channel wall experiences a significant lift directed away from it. For the Janus sphere placed at an off-center position two possibilities arise—slippery hemisphere facing the channel centerline (case A) or sticky hemisphere facing the channel centerline (case B). For case A, the lift is always directed away from the wall. For case B, the direction of lift depends on the particle position as well as particle Reynolds number. The moment coefficients for the sticky and Janus sphere are also presented.



中文翻译:

层流通道流中 Janus 和粘球的升力:一项计算研究

球形颗粒在通道流中的瞬时运动受颗粒所受力的控制。力的大小和方向取决于颗粒与通道的尺寸比、颗粒位置、球体表面的性质(粘性/光滑)、流体特性以及流体与颗粒之间的相对速度。在这项工作中,我们报告了升力,即垂直于流向方向的力分量,在方形横截面的通道中,粘性和 Janus 两类球体上。考虑的 Janus 球体具有粘性和滑性半球,两个半球之间的边界平行于通道中平面。研究了颗粒与通道尺寸比、无量纲颗粒位置和颗粒雷诺数对升力的影响。观察放置在通道中心线的 Janus 球体体验从粘性半球到光滑半球的升力。提出了一种相关性来预测位于通道中心线的 Janus 球体上的升力。靠近通道壁的粘性球体经历了远离它的显着升力。对于放置在偏离中心位置的 Janus 球体,出现了两种可能性——面向通道中心线的光滑半球(案例 A)或面向通道中心线的粘性半球(案例 B)。对于情况 A,电梯始终远离墙壁。对于情况 B,升力方向取决于粒子位置以及粒子雷诺数。还提供了粘性球和 Janus 球的力矩系数。提出了一种相关性来预测位于通道中心线的 Janus 球体上的升力。靠近通道壁的粘性球体经历了远离它的显着升力。对于放置在偏离中心位置的 Janus 球体,出现了两种可能性——面向通道中心线的光滑半球(案例 A)或面向通道中心线的粘性半球(案例 B)。对于情况 A,电梯始终远离墙壁。对于情况 B,升力方向取决于粒子位置以及粒子雷诺数。还提供了粘性球和 Janus 球的力矩系数。提出了一种相关性来预测位于通道中心线的 Janus 球体上的升力。靠近通道壁的粘性球体经历了远离它的显着升力。对于放置在偏离中心位置的 Janus 球体,出现了两种可能性——面向通道中心线的光滑半球(案例 A)或面向通道中心线的粘性半球(案例 B)。对于情况 A,电梯始终远离墙壁。对于情况 B,升力方向取决于粒子位置以及粒子雷诺数。还提供了粘性球和 Janus 球的力矩系数。对于放置在偏离中心位置的 Janus 球体,出现了两种可能性——面向通道中心线的光滑半球(案例 A)或面向通道中心线的粘性半球(案例 B)。对于情况 A,电梯始终远离墙壁。对于情况 B,升力方向取决于粒子位置以及粒子雷诺数。还提供了粘性球和 Janus 球的力矩系数。对于放置在偏离中心位置的 Janus 球体,出现了两种可能性——面向通道中心线的光滑半球(案例 A)或面向通道中心线的粘性半球(案例 B)。对于情况 A,电梯始终远离墙壁。对于情况 B,升力方向取决于粒子位置以及粒子雷诺数。还提供了粘性球和 Janus 球的力矩系数。

更新日期:2021-08-10
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