Drag force and torque of a stationary sphere in a uniform laminar open channel flow
静止球体在均匀层流明渠流中的拖曳力和力矩
谢琳-张庆河-张金凤-及春宁
摘要：给出了静止球体浸没在稳定均匀的层流明渠流中，周围流体缓慢通过时的解析解。该解通过使用无滑移的底部壁面和自由滑移的顶部来满足明渠边界条件，并通过收敛配置方法来实现球体表面上的无滑移条件。计算了球体在流场中不同位置处的水动力阻力和力矩。结果表明，与斯托克斯曳力定律相比，球体靠近底壁时曳力较大，靠近滑移顶端时曳力较小。在明渠水流中，随着距底部距离的增加，扭矩逐渐由正值变为负值。当顶部边界设置得足够远离球体时，数据结果与静止球体在单壁面附近线性剪切流中的结果一致。利用本解的计算结果拟合了拖曳力和力矩关于相关长度尺度的近似表达式，当水深为无限大时，该表达式可简化为关于球底距与球体半径之比h / a的单变量函数，并具有足够的精度。
原文链接：https://doi.org/10.1063/1.5051789
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