Drag force in granular shear flows: regimes, scaling laws and implications for segregation

阻力 物理 机械 惯性参考系 阻力系数 经典力学 雷诺数 寄生阻力 虚拟力 阻力方程 零升阻系数 升力诱导阻力 阻力发散马赫数 湍流
作者
Lü Jing,Julio M. Ottino,Paul B. Umbanhowar,Richard M. Lueptow
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:948 被引量:15
标识
DOI:10.1017/jfm.2022.706
摘要

The drag force on a spherical intruder in dense granular shear flows is studied using discrete element method simulations. Three regimes of the intruder dynamics are observed depending on the magnitude of the drag force (or the corresponding intruder velocity) and the flow inertial number: a fluctuation-dominated regime for small drag forces; a viscous regime for intermediate drag forces; and an inertial (cavity formation) regime for large drag forces. The transition from the viscous regime (linear force-velocity relation) to the inertial regime (quadratic force-velocity relation) depends further on the inertial number. Despite these distinct intruder dynamics, we find a quantitative similarity between the intruder drag in granular shear flows and the Stokesian drag on a sphere in a viscous fluid for intruder Reynolds numbers spanning five orders of magnitude. Beyond this first-order description, a modified Stokes drag model is developed that accounts for the secondary dependence of the drag coefficient on the inertial number and the intruder size and density ratios. When the drag model is coupled with a segregation force model for intruders in dense granular flows, it is possible to predict the velocity of gravity-driven segregation of an intruder particle in shear flow simulations.

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