Abstract The present paper develops a new framework to predict the mean flow through an array of cylinders in which the flow around the array (array‐scale) and the flow around individual cylinders (element‐scale) are modeled separately using actuator disc theory and empirical drag models respectively, and then coupled through the net drag force. Applying this framework only requires knowledge of the array geometry and incident flow. The framework is validated using high‐fidelity direct numerical simulations for arrays of between 7 and 109 cylinders having different arrangements (staggered, concentric, random) and bounding shapes (circular, square) in both two‐ and three‐dimensional flows. In general, the framework outperforms existing models which require calibration and are only valid for part of the practical parameter space. The demonstrated scale separation suggests different combinations of element‐scale and array‐scale models/theories may be used for other arrangements of bluff bodies.

Understanding settling motion of coral grains is important in terms of protection of coral reef systems and resotoration of the associated ecosystems. In this paper, a series of laboratory experiments was conducted to investigate the settling motion, using optical microscopy to measure shape parameters of coral grains and the particle-filtering-based object tracking to reconstruct the three-dimensional trajectory. Three characteristic descent regimes, namely, tumbling, chaotic and fluttering, are classified based on the three-dimensional trajectory, the spiral radius variation and the velocity spectrum. It is demonstrated that if one randomly picks up one coral grain, then the probabilities of occurrence of the three regimes are approximately $26\,\%$ , $42\,\%$ and $32\,\%$ , respectively. We have shown that first, the dimensionless settling velocity generally increases with the non-dimensional diameter and Corey shape factor and second, the drag coefficient generally decreases with the Reynolds number and Corey shape factor. Based on this, the applicability of existing models on predicting settling velocity and drag coefficient for coral grains is demonstrated further. Finally, we have proposed extended models for predicting the settling velocity. This study contributes to better understanding of settling motion and improves our predictive capacity of settling velocity for coral grains with complex geometry.

Abstract Although elements in natural and engineered systems, such as patches of aquatic vegetation, groups of pile foundations, and arrays of tidal stream turbines, are arranged in uniform or random configurations, there is a lack of understanding of hydrodynamic differences between these two arrangements. This paper presents results from two-dimensional direct numerical simulations of flow through a circular array of cylinders that have been undertaken to examine the hydrodynamic differences. It is shown that a random array has higher average drag coefficient and lower spatially averaged velocity within the array than these of a uniform array with the same diameter ratio. The lower drag coefficient for the uniform array is associated with the formation of characteristic flow structures, including two-row structure and shear layer reattachment and channelized flow in between adjacent lines of cylinders. As increasing perturbation of the array, these characteristic flow structures and the channelized flow progressively break down and hence the average drag coefficient increases and the spatially averaged velocity decreases. This paper provides guidelines for optimizing hydrodynamics of obstacle arrays through altering arrangement in real systems.