[论文解读] Particle resuspension from complex surfaces: current knowledge and limitations

Christophe Henry|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2018

Particle Dynamics in Fluid Flows参考文献 59被引用 12

一句话总结

本综述通过分析三种关键机制——起始运动、表面迁移（滚动/滑动）以及重新卷入流场——建立了一个统一的复杂表面颗粒再悬浮框架。它指出了关键的知识空白，特别是在粗糙表面的附着力分布、颗粒迁移动力学以及非球形或柔性颗粒的作用方面，并呼吁开展先进实验与模拟，以改进环境、医疗和工业背景下再悬浮过程的预测建模。

ABSTRACT

This review explores particle resuspension from surfaces due to fluid flows. The objective of this review is to provide a general framework and terminology for particle resuspension while highlighting the future developments needed to deepen our understanding of these phenomena. For that purpose, the manuscript is organized with respect to three mechanisms identified in particle resuspension, namely: the incipient motion of particles (i.e. how particles are set in motion), their migration on the surface (i.e. rolling or sliding motion) and their re-entrainment in the flow (i.e. their motion in the near-wall region after detachment). Recent measurements and simulations of particle resuspension are used to underline our current understanding of each mechanism for particle resuspension. These selected examples also highlight the limitations in the present knowledge of particle resuspension, while providing insights into future developments that need to be addressed. In particular, the paper addresses the issue of adhesion forces between complex surfaces - where more detailed characterizations of adhesion force distributions are needed - and the issue of particle sliding/rolling motion on the surface - which can lead to particles halting/being trapped in regions with high adhesion forces.

研究动机与目标

• 在不同科学与工程领域中建立一致的术语和概念框架，用于颗粒再悬浮。
• 识别并阐明控制再悬浮的三种主要机制：起始运动、表面迁移（滚动/滑动）以及脱离后的重新卷入。
• 突出当前对复杂、粗糙或多层表面的附着力与内聚力理解的局限性。
• 解决缺乏整合所有再悬浮阶段（起始运动、迁移、重新卷入）的预测模型的问题，特别是针对非球形或柔性颗粒。
• 通过识别关键知识空白并建议采用先进实验与模拟技术，为未来研究提供指导。

提出的方法

• 系统回顾近期关于不同流动与表面条件下颗粒再悬浮的实验与模拟研究。
• 将再悬浮机制划分为三个阶段：起始运动（脱离时的力平衡）、表面迁移（滚动/滑动动力学）和重新卷入（脱离后在湍流近壁流中的运动）。
• 使用颗粒-流体、颗粒-表面及颗粒-颗粒间作用力的基本方程（如范德华力、DLVO力、毛细力、水动力力）分析再悬浮阈值。
• 分析颗粒迁移的空间与时间尺度及其在高附着力区域导致颗粒停顿的作用。
• 评估跳跃动力学及重新撞击后的结果（重新沉积、弹跳、飞溅、破碎）。
• 强调需要发展能够处理任意形状或柔性颗粒的数值模型，尤其在复杂多层沉积物中。

实验结果

研究问题

• RQ1 粗糙或复杂表面上的附着力分布如何影响颗粒的起始运动？
• RQ2 颗粒在脱离前的迁移（滚动/滑动）受哪些空间与时间尺度控制，这些尺度如何影响再悬浮效率？
• RQ3 为何颗粒在迁移过程中有时会停止或被困在高附着力区域，这种现象如何预测？
• RQ4 颗粒的非球形性或柔性如何改变其在再悬浮和重新卷入过程中的附着力与水动力相互作用？
• RQ5 颗粒重新撞击后结果（重新沉积、弹跳、飞溅或破碎）由什么决定，这些结果如何依赖于颗粒与流体的性质？

主要发现

• 颗粒的起始运动由附着力（包括毛细力和范德华力）与水动力力之间的平衡决定，其中附着力分布的尾部（最大值）对长期再悬浮起决定性作用。
• 颗粒在表面的迁移（通过滚动或滑动）可能导致在高附着力区域停顿，从而造成长时间的捕获，显著影响长期再悬浮速率。
• 重新卷入动力学对近壁湍流结构和颗粒形状高度敏感，非球形或柔性颗粒表现出复杂行为，如部分附着和不规则反弹模式。
• 现有模型未能将所有三种再悬浮机制（起始运动、迁移、重新卷入）整合进单一预测框架中，尤其在多层或非均质沉积物中更为明显。
• 颗粒形状在附着力与水动力力中的作用仍不明确，特别是对柔性颗粒或任意形状非球体，需依赖先进模拟技术。
• 重新撞击后跳跃颗粒的结果（如飞溅或破碎）尚未得到定量表征，其对颗粒与流体性质的依赖关系仍是开放性挑战。