我们研究了在中等摩擦雷诺数

,低颗粒体积分数 (

下湍流边界层中的颗粒优先聚集的现象。我们在空气中使用自然混合粒径沙粒(其平均粒径为

),运用不同释放实验将沙粒释放在湍流边界层中,并采用粒子图像测速(PIV)技术测量边界层中流向和壁面法向的两相流动。本文主要设置了三种不同实验方式,主要考量了不同颗粒释放条件下,边界层内聚集颗粒的空间分布特征以及影响因素。在不可蚀床面上,边界层内沙粒会出现明显的聚集现象;而在可蚀床面上,靠近壁面的特定高度内,沙粒在空间呈随机分布状态,并未出现明显的聚集。出现这种现象,主要是由于近壁颗粒反弹以及壁面效应共同作用的结果。而在远离壁面时,由地表启动的颗粒都会出现明显的聚集效应,聚集程度的强弱随高度变化,这也体现了在大范围斯托克斯数中,优先聚集的多尺度性质。除此之外,在投沙实验中我们还发现,粒子倾向聚集在流体速度与重力方向一致的区域,外在表现为聚集粒子簇呈现垂向的条状,这也表明重力也是影响沙粒在湍流边界层中优先聚集的重要因素。