近日，昆明理工大学建筑工程学院“流体－结构互动理论及多场耦合团队”，以郭涛教授为第一/通讯作者，昆明理工大学为第一署名单位，在国际流体力学期刊《Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics》（中科院1区）和 《Physics of Fluids》（中科院2区）上分别发表题为“The effect of relative position on the motion and interactions of particle sedimentation under gravity in a finite-width vertical channel”“Influence of initial relative positions on the square dual-particle sedimentation under free-release conditions”的最新成果，对揭示自然界和工业过程中颗粒悬浮流的沉降机理具有重要意义。罗竹梅教授、岩棒、虎雪洁研究生及浙江大学的鲁鑫涛博士等为本论文作出了重要贡献。该研究工作主要受到国家自然科学基金（52369017、51969009）和云南省自然科学基金重点项目（202401AS070058）的资助。

颗粒悬浮流的运动行为是一种自然界中常见的固-液两相流物理现象，其沉降机制在生物、机械、化工、药物输运和能源等领域有着广泛的工程应用背景。例如，血液微循环中红细胞的变形和运动、流化床中颗粒的团聚特性、工业中的气力输送过程、河流中沙粒的运输和堆积、工业废水中固体颗粒的沉淀和过滤以及特种泥浆泵和水油泵等水力机械中固体颗粒的输送和磨蚀等都是典型的固－液两相流。从更广泛的角度来讲，细颗粒物（PM2.5）或新冠病毒（COVID-19）在空气、人体呼吸道中的传播等都可归类为悬浮流中的颗粒沉降现象。因此，颗粒悬浮流的研究对探索工业过程、揭示自然规律以及设计医学诊疗方法等方面起着极为重要的作用。

颗粒在悬浮流的沉降过程中，上方颗粒被下方颗粒产生的低压尾涡结构捕捉后加速运动并超越下方引导颗粒，会发生经典的追赶－接触－翻滚（Drafting-Kissing-Tumbling, DKT）现象。颗粒与颗粒、颗粒与流体之间的流体动力学相互作用具有较强的非线性和复杂性，难以预测。以往研究并未对初始相对位置的影响做系统的探讨。论文采用直接解析的ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian method）方法系统研究了有限流体惯性条件下，初始相对位置、角度、颗粒大小和雷诺数对DKT现象的内在影响机理。对比了70多种工况，通过对速度、涡量和压力场的深入分析发现颗粒初始布置方式和雷诺数能够显著影响其运动特性，给出了颗粒发生Kissing现象时取向角和间隙比的临界阈值，以及并列排列情况下Magnus效应的影响；对于方形颗粒，由于颗粒边缘上的奇异点/线对旋涡脱落有显著影响，其独特的边缘效应导致沉降行为不稳定，随着雷诺数的增加出现了稳定沉降、弱振荡沉降、强振荡沉降和不规则沉降四种不同类型的沉降过程。另外，在有限通道内边壁的阻碍作用对颗粒群的影响较为显著，导致出现了明显的Rayleigh-Taylor不稳定发展过程，其结果与以往研究结果吻合较好，充分证明了本模型对处理稠密颗粒两相流问题的适用性。

昆明理工大学建筑工程学院“流体－结构互动理论及多场耦合团队”聚焦流体－结构互动理论与技术研究。近年已在Renewable Energy、Ocean Engineering、J. Renewable and Sustainable Energy、Journal of Energy Engineering等国际学术期刊上发表一系列高水平论文，获得了国内外广泛关注。

论文链接：

https://doi.org/10.1080/19942060.2024.2406250

https://doi.org/10.1063/5.0240000