颗粒的自由沉降问题在自然界及工业生产中都极为常见。本研究使用直接力浸入边界法针对三种不同形状的颗粒在不同情况下沉降做了一系列直接数值模拟。首先,通过单个球形颗粒自由沉降模型验证了该方法的准确性。然后对单个球、椭球和立方体的绕流与沉降特性进行模拟研究,同时讨论了颗粒刚体假设(rigid body assumption—RBA)对结果精确性的影响。接着对不同形状的线形排列双颗粒和三颗粒沉降特性进行模拟研究。模拟结果表明:(1)雷诺数低于300时,单个球形颗粒的沉降在绕流时也会发生尾流不稳定现象。单个椭球沉降雷诺数200左右时颗粒出现旋转。单个立方体颗粒沉降尾流不稳定变化时的雷诺数大于球和椭球。(2)双颗粒模型中牵引前期颗粒间距均会小幅增大,粘度较小的流体中,增大幅度显著。不同形状的双颗粒沉降时的牵引、接触、翻滚行为各有异同。颗粒间的初始间距在一定范围内,线形排列双颗粒模型均能发生牵引、接触、翻滚。(3)从下至上编号依次为1、2、3的不同形状线形排列三颗粒模型中的1号和2号颗粒能够发生牵引、接触、翻滚运动。3号颗粒的引入加速1号与2号颗粒的牵引、接触、翻滚运动。线形排列三颗粒的沉降比双颗粒的沉降更加复杂,每种形状颗粒的三颗粒沉降行受粘度影响不尽相同。相对初始间距在一定范围内时,不同形状三颗粒沉降行为方式基本相同,1号颗粒与2号颗粒先做牵引、接触、翻滚运动,继而两颗粒作为新整体与3号颗粒进行新的牵引、接触、翻滚运动。本研究模拟了三种有代表性的不同形状颗粒的沉降问题,为相关研究及工程应用提供了有益参考。另外,本方法还可直接扩展至任意形状颗粒的沉降问题。