Speed and structure of turbulent fronts in pipe flow
采用广泛的直接数值模拟，研究了雷诺数介于$Re=2000$和$5500$之间的管流层流湍流锋面的动力学。在这里，我们调查的物理区别弱和强段塞的前都通过分析湍流的动能预算，并通过比较的下游前运动的平流速度散装湍流结构。我们的研究表明，弱下游锋的速度比湍流结构的散装和对应的衰减湍流在前面。在$Re\simeq 2900$，下游锋速度变得比平流速度快，标志着强锋的开始。与弱锋面相反，湍流涡旋是在强锋面上通过对下游层流的馈送而产生的。我们的研究还表明，在下游层流湍流锋的生产和耗散的时间波动驱动的动态开关之间的两种类型的前观察到$Re\simeq 3200$。
2017-01-05 physics.flu-dyn
A multi-layer model for turbulent kinetic energy in pipe flows
利用作者最近的结果，发展了一个能量长度函数的多层模型。该理论预测完整的，平均流向湍流动能剖面（MKP），在很宽的雷诺数（Re）范围内的经验数据吻合得很好。特别地，预测了临界$Re_τ$，超过该临界$Re_τ$，出现标度异常，并且MKP发展第二个峰。
2012-09-23 physics.flu-dyn
Dynamics of propagating turbulent pipe flow structures. Part II: Relaminarization
本文研究了由Karhunen-Lo`eve分解确定的湍流管流向层流逆转变过程中传播结构的动力学行为。湍流数据是通过直接数值模拟生成的，该数值模拟从完全湍流雷诺数Re_τ=150开始，然后缓慢降低直至Re_τ=95。在此低雷诺数下，高频模式首先衰减，只留下衰减的流向涡。流动经历一个chugging现象，在那里它开始重新层化和平均速度增加。其余的传播模式，然后不稳定的流向涡，重建的能量谱，并最终流恢复其湍流状态。我们的结果捕获三个chugging周期之前，流完全relaminarizes。存在于外层的高频模式首先衰减，建立在壁约束湍流的自持机制的外部区域的重要性。
2007-01-23 physics.flu-dyn
Large-eddy simulation of turbulent separated and reattached flow in enlarged annular pipe
本文对环形扩径管内湍流分离与再附流动进行了大涡模拟。涡环周期性地从突扩部脱落。在涡环周围产生纵向涡，使流动成为三维的。结果，涡环在下游变得不稳定并分裂成小涡。在再附着点下游靠近内管侧壁面处出现管状纵向涡结构。在每个管径比处发生低频波动。管径比越小，小尺度涡和低频脉动对流场的影响越明显。管径比越小，再附着点下游的压力恢复越慢。与外管侧相比，内管侧的压力恢复延迟。由于涡环崩溃产生的小尺度涡，在再附着点的上游湍流最大。该最大值随着管道直径比的减小而减小。管径比越小，再附着点下游的湍流度越高。
2022-06-20 physics.flu-dyn
Revealing the state space of turbulent pipe flow by symmetry reduction
本文将对称性约化方法应用于管流中，以商化湍流态的流向平移对称性和方位旋转对称性。在简化的状态空间中，所有的行波解都简化为平衡态，所有的相对周期轨道都简化为周期轨道。这些解决方案和他们的不稳定的流形从他们的$\infty$维简化状态空间到适当选择的2-或3-维子空间的投影揭示了他们的相互关系和他们在组织湍流壁有界剪切流中发挥的作用。可视化的切片内的流动和其在平衡的线性化，使我们能够跟踪出不稳定的流形，确定密切递归，确定不同的行波解之间的连接，并发现，第一次为管流，相对周期性的轨道，嵌入在混沌吸引子，捕获湍流动力学在过渡雷诺数。
2012-03-16 physics.flu-dyn
Measurement of local dissipation scales in turbulent pipe flow
局部耗散尺度是湍流间歇性小尺度性质的一种表现。本文首次对雷诺数为2.4x10^4<=Re_D<=7.0x10^4的圆管湍流中的局部耗散尺度分布进行了实验研究。我们的测量在近各向同性管中心线和各向异性对数层内显示出良好的协议与分布，以前计算的均匀各向同性盒湍流的数值模拟和理论预测。报道的结果表明，最小尺度波动的经典Kolmogorov耗散长度周围的普遍性。
2009-06-29 physics.flu-dyn
On the missing link between pressure drop, viscous dissipation and the turbulent energy spectrum
我们提出了令人信服的证据之间的直接联系的压力降，粘性耗散，和湍流能量谱。我们用这一发现来解释Nikuradse的实验结果的压力降的湍流在粗糙的管道，在一个修改后的Kolmogorov长度尺度，随表面粗糙度。此外，我们使用劳弗的测量湍流能谱在管流计算-一个很好的近似-湍流分量的压降直接从平均湍流能谱。我们还表明，不可压缩性假设，导致的结论是，在充分发展的（层流和湍流）管流的粘性耗散，不能通过粘性加热增加流体的温度。
2021-04-25 physics.flu-dyn
Dynamics of propagating turbulent pipe flow structures. Part I: Effect of drag reduction by spanwise wall oscillation
本文给出了基于紊流管流的Karhunen-Loève展开式和壁面展向振动减阻紊流管流的比较分析结果。湍流通过雷诺数$Re_τ= 150$下的直接数值模拟产生。壁面展向振动作为速度边界条件施加，振幅为$A^+ = 20$，周期为$T^+ = 50$。当流动由恒定压力梯度驱动时，壁面振荡导致平均速度增加27%。雷诺应力和均方根速度的峰值远离壁面，湍流吸引子的Karhunen-Loève维数从2453减小到102。相干涡度结构被推离壁面进入更高速度的流中，导致它们的平流速度增加34%，如由正常速度轨迹所确定的。这种平流速度的增加使得传播波与滚转模式相互作用的时间更少。这导致更少的能量传递和传播结构的更短的寿命，并且因此导致更少的雷诺应力产生，这导致阻力减小。
2007-01-23 physics.flu-dyn
Persistence of large scale coherent structures in a turbulent pipe flow through an improved lattice Boltzmann approach
本研究采用展开至六阶埃尔米特多项式的多重弛豫时间格子玻尔兹曼方法模拟湍流管流，发现大尺度强迫的记忆效应不影响单点统计，且拓扑模态转变随时间滞后呈现马尔可夫到非马尔可夫的变化。
2024-05-20 physics.flu-dyn
Top-Down Model of Limescale Formation in Turbulent Pipe Flows
我们调查碳酸钙垢形成在高雷诺数在大型管道钻机设施。碳酸钙溶液由在T形接头入口处注入pH稳定的碳酸钠和氯化钙水溶液产生。沿着管道的沉积质量的扫描电子显微镜分析表明，在离子-离子晶体生长的初始瞬态制度后，碳酸钙垢主要由颗粒沉积。虽然水垢形成的区域，更接近管道的入口可以被描述为非均质表面成核的湍流扩散驱动的钙和碳酸根离子，我们依靠turbophoresis现象设计一个特别简单的动力学模型沉积在更远的下游区域。让$Φ$和$R$分别为流速和管道半径，每单位时间和单位面积的质量沉积速率被预测为$Φ^α/ R^β$（对于$α$和$β$参数的某些建模值），并得到我们实验的暗示支持。
2021-07-23 physics.flu-dyn
Drag reduction induced by superhydrophobic surfaces in turbulent pipe flow
在湍流管流中研究了超疏水表面的减阻作用。润湿的超疏水表面被示出为在其粗糙度中捕获气泡。这阻止了液体与该位置的壁直接接触，从而允许流动滑过气泡。我们考虑一个明确的纹理与流向槽的墙壁中的气体预计将被截留。这种配置是模拟交替无滑移和无剪切边界条件的墙壁。相对于经典的湍流管流，观察到显著的减阻，其强烈地取决于凹槽的尺寸和固体分数，即固体壁表面与管的圆周的总表面之间的比率。阻力减小是由于在固定压降下壁面处的平均滑移速度增加了流速。强化的边界条件也会产生特殊的湍流结构，这反而会降低流速。这两个并发的影响提供了一个整体的流量增加，通过平均轴向动量平衡证明。该方程提供了平均压力梯度、雷诺应力、平均流速和平均滑移速度贡献之间的平衡。
2018-09-24 physics.flu-dyn
Hopf fibrations for turbulent pipe flows
我们提出了一个推广的霍普夫纤维化商的流向平移对称性的湍流管流视为动力系统。特别是，我们利用相关联的高维状态空间，这是一个主要的纤维丛的几何结构。本文研究了与束中轨道动力学相位有关的同动帧速度$U_{d}$与泰勒假设之间的关系。作为一个应用，激光诱导荧光技术被用来捕捉平面荧光染料浓度场跟踪湍流管流在散装雷诺数$\mathfrak{\mathsf{Re}}=3200$。对实验数据的对称约化分析表明，染料浓度猝发的速度$u$与纤维束中相应轨道的动力学和几何相位有关。特别是，在简化的框架中，我们揭示了被动标量结构的模式变化动力学，这解释了观测到的速度$u\approx U_{d}+U_{g}$的强烈爆发事件的几何相速度$U_{g}\approx0.43U_{d}$与轨道的捆绑。
2014-07-30 physics.flu-dyn
Karman constant and accurate mean flow prediction in a turbulent pipe
卡门常数κ--广泛用于大气科学和工程湍流模型中，由Prandtl在1925年和von Karman在1930年提出，用于描述湍流壁面边界流的平均速度--导致在壁面附近的重叠区域中的对数分布。80多年来，它的价值被认为是~0.41。但最近，许多人认为它不是一个常数，因为不同流量和不同雷诺数（Re）下的测量变化。在这里，一个多层的分析理论，导致重新解释的κ作为一个整体常数的重叠区和外流，并产生一个新的方法来测量。对于通道和管道，新确定的值均为0.45。结果表明，这个新的κ，连同其他壁常数，产生99%的准确度在预测平均速度数据在所有点在高Re（高达40万）管流。该理论还描述了有限Re效应，并在摩擦Re（即Re_τ）=5000处发现了相变。本文提出了一个精确的管道和槽道湍流输运的预测模型，该模型适用于广泛的一类湍流。
2011-12-30 physics.flu-dyn
Intermediate Scaling and Logarithmic Invariance in Turbulent Pipe Flow
本文提出了一个三层渐近结构的湍流管流，揭示了在中间变量，存在一个不变量的对数区域。它为解决流向平均速度和方差的标度中的重要问题提供了理论基础。从分析中得出的关键见解是，两个相邻层之间的尺度分离与$\sqrt{Re_τ}$而不是$Re_τ$成比例。这表明，为了实现雷诺数渐近不变性，可能需要更高的雷诺数来实现足够的尺度分离。该公式为解释低雷诺数下管流中平均速度的幂律以及高雷诺数下幂律和对数律的共存提供了理论基础。此外，汤森-佩里'常数'的方差显示出系统的哈罗德数的依赖。
2019-09-26 physics.flu-dyn
Multi-fidelity uncertainty quantification of particle deposition in turbulent pipe flow
本文提出一种基于多保真度蒙特卡洛的框架，结合直接数值模拟与一维欧拉低阶模型，量化湍流管道流中粒子沉积的不确定性，发现沉积对静电相互作用最敏感且中等尺寸粒子不确定性最大。
2022-05-10 physics.flu-dyn
Steady streamwise transpiration control in turbulent pipe flow
本文研究了应用于管流的低幅和高幅定常流向壁面发汗的主要特性。在中等湍流雷诺数下，通过直接数值模拟研究了振幅和波数两个发汗参数对流动的影响。的行为的三个确定的机制，在流中的行为：修改雷诺剪切应力，稳定的流和生成的非零平均流向梯度，已被链接到蒸腾参数。所观察到的趋势允许识别能够分别使总流速降低或增加-36.1%和19.3%的壁面蒸发配置。已进行了预解式分析，以获得由蒸腾引起的流动结构的重组的描述。
2016-06-15 physics.flu-dyn
Stochastic Model of Organizational State Transitions in a Turbulent Pipe Flow
湍流管流表现出组织状态（OS），标记的离散方位波数模式，并让人想起低雷诺数制度的行波解决方案。的离散时间演化的OS，通过立体粒子图像测速，所示的非马尔可夫数据采集进行结构分辨采样率。特别是，适当定义的时间-关联函数的OS过渡观察到有趣的幂律衰减，到一个大涡的时间范围内，超过这一点，他们以更快的速度去相关。我们能够建立，依赖于概率描述的创建和湮灭的流向条纹，一个较低级别的{ \it{Markovian} }模型的OS过渡，再现其时间相关的行为与有意义的准确性。这些研究结果表明，在统计相关的数据包的准流向涡结构沿管道分布的OS。
2023-01-13 physics.flu-dyn
Relative periodic orbits form the backbone of turbulent pipe flow
低维系统的混沌动力学，如洛伦兹流或罗斯勒流，是由它们的奇异吸引子中嵌入的无穷多个周期轨道引导的。对于纳维-斯托克斯方程的无限维动力学是否也是这种情况，人们一直在猜测，这是一个正在进行的研究课题。周期解和相对周期解已被证明参与了向湍流的转变。它们与湍流动力学的相关性-特别是，周期轨道在高维非线性系统中是否起着与在低维系统中同样的作用，如纳维-斯托克斯方程-是本研究的重点。我们在这里进行了详细的研究管流的相对周期轨道的能量和平均耗散接近湍流值。我们概述了几种方法来减少系统的平移对称性。我们研究管流在一个最小的计算单元，并报告一个图书馆的不变的解决方案，发现与援助的方法切片。这些解决方案的样本的不稳定流形的详细研究是一致的图片，即相对周期轨道嵌入在混沌鞍，他们引导湍流动力学。
2017-08-03 physics.flu-dyn
Relaminarization of turbulent puffs in pipe flow
本研究通过直接数值模拟分析了管流中湍流团块的再层流化过程，发现流向速度波动总能量呈指数衰减，且后缘界面存在鞍点-结点对碰撞消失现象，其距离随时间呈平方根标度。
2025-09-16 physics.flu-dyn
A critical layer model for turbulent pipe flow
基于模型的描述湍流管流中的湍流波动的缩放和径向位置，并用于照亮非常大的尺度运动的缩放行为。该模型是通过处理的扰动方程（涉及雷诺应力）作为一个未知的强迫，产生的速度场响应和这种非线性之间的线性关系的非线性。我们不假设小的扰动。我们检查传播模式，允许我们的结果与实验数据进行比较，并确定了稳定的组成部分的速度场，只在壁法线方向的湍流平均轮廓的变化。“最佳”强迫形状，给出了最大的速度响应，被假定为导致模式，将占主导地位，因此在湍流管流中观察。在一个给定的波数-频率组合的最放大的速度响应的调查揭示了临界层状的行为，让人想起中性稳定的解决方案的Orr-索末菲方程在线性不稳定流。在流动中，粘度的影响变得重要的两个不同的区域可以被识别，即与$R^{+1/2}$成比例的壁层和与管流中的$R^{+2/3}$成比例的临界层，其中传播速度等于局部平均速度。这个框架似乎是一致的几个缩放结果在壁湍流，并揭示了一种机制，通过这种机制，粘度的影响可以远远超出壁附近。
2010-01-18 physics.flu-dyn
Detecting Turbulent Patterns in Particulate Pipe Flow by Streak Angle Visualization
本文提出一种基于低成本激光与相机装置的条纹角可视化方法，用于在低颗粒浓度下检测颗粒管流中的层流、过渡流和湍流模式，并利用条纹角统计分布和Kullback-Leibler散度识别临界雷诺数，为实验室及工业多相流表征提供了新途径。
2025-01-03 physics.flu-dyn
The vanishing of strong turbulent fronts in bent pipes
过渡直管中的孤立湍流补丁由其上游前缘的强烈不稳定性维持，其中湍流动能（TKE）的产生比核心高五倍。本文提出的直接数值模拟表明，没有证据表明，如果管道弯曲，这种强锋。我们研究了在几个亚临界雷诺数下，管环直径比为$δ= D/d = 0.01$的环形管道中的泡芙和段塞的时间和空间演化。结果表明，TKE生产的上游超调量最多是核心值的1.5倍，并且如果与直管相比，则前部的平均横流波动最多低三倍，同时在核心中获得类似的值。局部湍流可以通过平均流的面内Dean运动对湍流波动和旋涡结构进行重新分布，在较小的能量下维持。这种不对称性决定了TKE生产在外部弯曲附近的强烈局部化，其中线性和非线性机制最佳地放大扰动。我们进一步观察到的雷诺数的范围内的长寿命的间歇性湍流，与文献中的实验数据一致的大幅减少。此外，在所考虑的参数范围内，没有通过分裂检测到斑点成核的发生。基于目前的研究结果，我们认为，这种机制逐渐成为边缘的管道的曲率增加和过渡方案接近从亚临界到超临界的动态切换。
2019-02-06 physics.flu-dyn
Laminar-to-Turbulent Transition of Yield-Stress Fluids in Pipe and Channel Flows
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）
本研究通过DNS揭示了Herschel-Bulkley流体在管道和通道中从层流到湍流转变的完整机制，明确了屈服应力在转变过程中的作用。
2026-03-11 physics.flu-dyn
Experimental and Numerical Investigation of Turbulent Jets Issuing Through a Realistic Pipeline Geometry: Asymmetry Effects for Air, Helium, and Hydrogen
本文通过实验和数值模拟研究了实际管道中湍流射流的弥散特性。研究了射流密度和雷诺数对垂直浮力射流的影响，当它们从圆管侧壁通过圆孔时。同时采用粒子图像测速技术（PIV）和平面激光诱导荧光（PLIF）技术，以提供时间平均的流速和浓度场。大涡模拟（LES）被应用于提供关于空气、氦气和氢气射流的三维性的进一步细节。这些真实的射流总是不对称的，并发现围绕垂直轴偏转。这种偏转受到浮力的影响，较重的气体比较轻的气体偏转得更多。在近场也观察到显著的湍流混合。因此，与圆形射流相比，真实射流经历了更快的速度衰减和不对称射流扩散。这些研究结果表明，传统的圆形射流假设，在某种程度上，不足以预测气体浓度，夹带率，因此，实际气体泄漏的可燃性包络线的程度。
2017-12-08 physics.flu-dyn
Turbulent pipe flow with spherical particles: drag as a function of particle size and volume fraction
针对含中性浮力球形颗粒的湍流管道流动，研究结合MRV和DNS技术探究了颗粒尺寸与流量对压力降、整体阻力及颗粒分布的影响，并构建了一条比传统修正粘度方法更准确的阻力变化主曲线。
2024-11-15 physics.flu-dyn
Coherent structures in localised and global pipe turbulence
最近在管流中发现的不稳定行波（TW）被誉为一个重大突破，希望他们填充湍流吸引子。我们证实了存在的相干态与内部的快速和缓慢条纹相称的结构和能量与已知的TW在一个长管道中使用数值模拟。然而，这些只发生在低雷诺数（Re=2000-2400）时（局部）“喷流”湍流的低能量区域内，而在Re=2800时（均匀）“段塞”湍流中根本不发生。这强烈表明，所有目前已知的TW坐在层流和湍流状态之间的相空间的中间区域，而不是被嵌入在湍流吸引子本身。具有强烈减速核心的新相干快条纹态似乎取代了湍流吸引子。
2008-02-20 physics.flu-dyn
One-point statistics for turbulent pipe flow up to $Re_τ \approx 6000$
本文用直接数值模拟方法（DNS）求解纳维-斯托克斯方程，研究了光滑直管中的湍流流动，圆管截面为$Re_τ \approx 6000$。DNS结果突出了与普朗特摩擦定律的系统偏差，约为$2\%$，在极端雷诺数下可外推至约$4\%$。DNS摩擦系数的数据拟合产生了一个估计的冯卡门常数$k \approx 0.387$，它很好地符合平均速度的配置文件，并支持规范的壁有界流动的普遍性。相同的常数也适用于管道中心线速度，从而为极端雷诺数下管流的渐近状态应该是塞流的主张提供了支持。在仔细检查的雷诺数下，没有发现轴向速度方差内峰对数增长饱和的证据。尽管在我们的DNS中没有直接出现速度方差的外峰，但我们提供了强有力的证据，表明它应该出现在$Re_τ \gtrsim 10^4$，这是由于外壁层的大部分湍流产生超过耗散的结果，从而使经典的均衡假设失效。
2021-06-21 physics.flu-dyn
Experimental investigation of laminar turbulent intermittency in pipe flow
在剪切流中，湍流首先以被层流包围的局部结构（喷/点）的形式出现。我们在这里调查这种空间上的间歇性流动的管道实验表明，湍流泡芙有一个明确的相互作用的距离，它设置的最小间距泡芙以及最大可观察到的湍流分数。这里采用了两种方法。从层流开始，可以通过局部喷射流体射流穿过管壁来产生抽吸。当扰动周期性地施加在低频率，如预期的那样，观察到一个规则的序列的喷烟，其中喷烟间距是由平均流速的比值扰动频率。另一方面，在大频率下，发现喷流相互作用并相互湮灭。改变扰动频率，可以确定相互作用距离。在第二组实验中，雷诺数突然从充分发展的湍流降低到间歇状态，由此产生的流动重新组织成一系列恒定尺寸的喷流，这些喷流与Couette和Taylor Couette流动不同，是随机间隔的。湍流斑之间的最小距离与喷烟相互作用长度相同。在平面Couette和Taylor-Couette流动中，烟团相互作用长度与规则条纹和螺旋图案的波长非常一致。我们建议，相同的相互作用机制是存在于这些流量。
2011-03-31 physics.flu-dyn
Bayesian minimisation of energy consumption in turbulent pipe flow via unsteady driving
针对湍流管道流动的能量损耗问题，提出基于贝叶斯优化与直接数值模拟的无梯度黑盒框架，求解最优脉动驱动波形以降低能耗与阻力，揭示了非定常驱动优于传统定常运行模式的机理。
2025-08-20 physics.flu-dyn
Symmetry reduction in high dimensions, illustrated in a turbulent pipe
平衡解被认为是构造动力系统中遍历轨迹的路径。然而，平衡对于具有连续对称性的系统是非典型的，即对于具有均匀空间维度的系统，而相对平衡（行波）是通用的。为了可视化这种解决方案的不稳定的流形，一个实用的对称性减少的方法是必要的，转换相对平衡到平衡，和相对周期轨道到周期轨道。在这篇文章中，我们扩展了固定傅立叶模式切片的方法，以前应用的1维偏微分方程，在空间上的3维流体流动，并表明，是更有效的比我们以前的方法切片。应用这种方法的最小流量单位管导致许多相对周期轨道的发现，似乎填补了状态空间的湍流区域。我们进一步证明了这种方法的价值，对称性减少通过投影（投影只可能在dily-reduced空间），揭示了这些相对周期轨道之间的相互关系和它们的形状的湍流吸引子的几何形状的方式。
2017-05-03 physics.flu-dyn
Particle transport in turbulent curved pipe flow
直接数值模拟（DNS）的颗粒负载的湍流在直，轻度弯曲和强烈弯曲的管道中进行，其中的固相被建模为小而重的球形颗粒。共七个人口的稀释粒子与不同的斯托克斯数，单向耦合其载波相位，进行了模拟。目的是研究曲率对微粒输运和累积的影响。结果表明，即使是轻微的非零曲率的流动配置强烈影响的颗粒浓度图，使惯性颗粒的浓度与体积斯托克斯数0.45（基于体积速度和管道半径）在轻度弯曲的管道的内弯曲壁变得比在直管的粘性子层的12.8倍。近壁螺旋粒子条纹观察到在弯曲的配置与它们的倾斜度变化的强度的二次运动的载体相。反射层，如先前在载有颗粒的湍流S形通道中观察到的，在具有重颗粒的强烈弯曲的管道中也是明显的。此外，根据曲率，平均迪恩涡流的中心区域似乎完全耗尽了颗粒，正如在内部弯曲处的部分再层化区域中所观察到的那样。的颗粒的湍流漂移示出的载体相和几何形状引起的离心力的弱和强的二次运动的影响。在同一作者的一篇配套论文中，讨论了相同配置中颗粒相的速度和加速度的一阶和二阶矩。当前的数据集对于建模壁界湍流中平流的颗粒非常有用，其中曲率的影响不可忽略。
2016-02-11 physics.flu-dyn
Symmetry reduction of turbulent pipe flows
我们提出并应用基于傅立叶的对称性约简方案，以消除或商，流向的平移对称性的激光诱导荧光测量湍流管流被视为动力系统在高维状态空间。本文还解释了泰勒假设与湍流轨道在状态空间中的同动标架速度$U_{d}$之间的关系。特别是，在物理空间中，我们观察到变形的流动结构，因为它们平流下游的速度，显着不同的$U_{d}$。实际上，在雷诺数$\mathfrak{\mathsf{Re}}=3200$下平面染料浓度场的对称性约化分析揭示了高浓度峰平流的速度$u$大约是$U_{d}$的1.43倍。在物理上有意义的简化的坐标系中，超速度$u-U_{d}\approx0.43U_{d}$可以根据与状态空间中的轨道相关联的所谓几何相速度$U_{g}$来解释。“自推进速度”$U_{g}$是由被动标量结构的形状变化动力学引起的，在低雷诺数下观察到的被动标量结构类似于游泳者。
2015-07-05 physics.flu-dyn
Homage to Bob Brodkey at 85: Ejections, Sweeps and Reynolds Shear Stress Generation in Turbulent Pipe Flow
大约50年前，Bob Brodkey和他的学生Corino设想并进行了湍流管流的非常近壁区域的可视化实验，该实验与Kline等人的湍流边界层可视化一起，令湍流研究界兴奋不已。使用安装在车床床上的高速电影摄像机，记录随流动移动的参考系中的放大图像，他们观察了亚微米颗粒在子层、缓冲层和日志层中的运动。令人惊讶的是，这些运动并不像当时对湍流的普遍看法那样是局部随机的。相反，近壁流动的连接区域减速，然后在他们所谓的“喷射”中从壁面爆发。这些减速的运动之后是从上方朝向墙壁的更大规模的连接运动，他们称之为“扫描”。他们估计，在$Re_d = 20,000$处，喷射导致雷诺剪切应力的$70\%$，而在大约$18\%$的时间内仅发生喷射。这个流体动力学视频显示了来自原始Corino和Brodkey视觉研究的三个雷诺数的短序列。在接下来的几十年里，它激发了许多实验室和模拟研究，旨在解开有界湍流的结构，并了解其中的湍流输运过程。
2013-12-13 physics.flu-dyn
SPH simulations of turbulent flow in curved pipes with different geometries. A comparison with experiments
采用弱可压缩光滑粒子流体动力学（WCSPH）方法，结合新的无反射出流边界条件，研究了三维空间弯管内的二次旋流。用已有的实验数据对湍流的大涡模拟（LES）模型进行了基准测试。经过验证本模型对实验结果的90级弯管，详细的数值研究，旨在再现实验流量测量范围广泛的雷诺数已进行了不同的管道几何形状，包括U形管弯头，S形管和螺旋盘管。在所有情况下，SPH计算的行为表现出相当好的协议与跨和下游的弯曲在流向速度分布和横截面轮廓方面的测量。实验得到的配置文件的最大均方误差始终小于1.8%。这与SPH和实验横截面轮廓之间非常好的匹配相结合，显示了本方案处理具有流线曲率的工程应用的能力，例如弯曲和歧管中的流动。
2021-07-29 physics.flu-dyn
Experimental assessment of drag reduction by traveling waves in a turbulent pipe flow
我们通过实验评估了Quadrio等人最近引入的用于湍流壁流中的减阻的主动开环技术的能力[J. Fluid Mech.，v.627，161，（2009）]。该技术包括在壁面产生展向速度的流向调制波，沿流向传播。设计了一个原理验证实验来测量管流中湍流摩擦的减少，其中壁被细分为在方位角方向上独立旋转的薄板。虽然在离散设置中，但附近板的不同速度提供了横向速度的所需流向变化。我们的实验证实了可用的DNS结果，特别是证明了在湍流状态下实现摩擦大幅度减少的可能性。对于缓慢向前的行波，可获得高达33%的减阻率;向后的行波总是产生减阻，而对于向前行进的波，其相速度与近壁湍流结构的对流速度相当，则会出现减阻的大幅下降。傅立叶分析表明，由近似于正弦波的离散空间波形引入的第一谐波是导致实验测量中确实观察到的显著效应的原因。与此控制方案的物理实现及其能量效率有关的实际问题进行了简要讨论。
2010-08-16 physics.flu-dyn
Friction factor for turbulent flow in rough pipes from Heisenberg's closure hypothesis
本文指出，G。Gioia和P.Chakraborty（GC），Phys.Rev.Lett. 96，044502（1996）可以恢复假设海森堡封闭假设的湍流谱。这凸显了GC分析所依据的湍流光谱的结构特征。
2009-04-17 cond-mat.other nlin.CD physics.flu-dyn
Kolmogorovian turbulence in transitional pipe flows
打开过厨房水龙头的人都知道，管流在低流速时是层流，在高流速时是湍流。在中等速度下，存在一个过渡，其中层流的堵塞沿着管道与一种波动的、非层流的“闪光”交替，这种“闪光”仍然知之甚少。我们的实验表明，闪流的流体摩擦是湍流的诊断。我们还表明，闪流的统计与Kolmogorov的湍流唯象理论是一致的（因此，例如，闪流和湍流的能谱都满足小尺度普适性）。我们的结论是，过渡管流是两相流，其中一个相是层流，另一个，由闪光携带，在柯尔莫哥洛夫意义上的湍流。
2017-01-15 physics.flu-dyn
Transition from laminar to turbulent pipe flow as a process of growing material instabilities
本研究采用在本构方程中引入有限黏性强度的修正 NS 模型，通过与经典 NS 模型对比模拟，证明材料不稳定性的增长可触发圆管层流向湍流的转捩。
2024-05-10 physics.flu-dyn
Coherent Organizational States in Turbulent Pipe Flow at moderate Reynolds numbers
本文利用立体PIV在中等雷诺数圆管湍流中识别出十种相干流动模式，发现其出现概率和主导模态数基本不随Re变化，并符合Poisson分布。
2023-01-26 physics.flu-dyn
Conjugate heat transfer in turbulent pipe flow with azimuthally non-uniform heating
Institute of Fluid Mechanics, Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院流体力学研究所）
本文针对周向非均匀加热湍流管流的共轭传热问题，结合谱分析与高分辨率数值模拟，明确了低普朗特数流体的全局努塞尔数特性及共轭传热对温度场的影响，揭示了湍流普朗特数的各向异性与周向波数相关性。
2026-10-12 physics.flu-dyn
Propagation speed of turbulent fronts in pipe flow at high Reynolds numbers
采用直接数值模拟方法研究了高雷诺数下圆管湍流锋面的传播。我们使用了一种技术相结合的移动参考系和人工阻尼，以隔离短周期性管道中的前，这使我们能够探索批量雷诺数Re = $10^5$与负担得起的计算能力。我们测量了下游锋的传播速度，并观察到$1.971-(Re/1925)^{-0.825}$（以体积速度为单位）的拟合很好地捕获了高于$Re\simeq 5000$的速度。速度随着Re的增加而单调增加，这与Wygnanski和Champagne（1973）报告的超过$Re\simeq 10000$的下降趋势形成鲜明对比。上游锋的速度总体上与以前的研究一致，$0.024 + (Re/1936)^{-0.528}$很好地拟合了我们的数据和文献中的数据。基于对锋面动力学的分析，我们提出，随着雷诺数的进一步增加，两种锋面速度将保持各自的单调趋势。我们发现，在高雷诺数，在上游前端的局部过渡是通过高方位角波数结构的高剪切区域附近的管壁，而在下游前端是通过低方位角波数结构的低剪切区域附近的管道中心。这种差异可能是造成上游和下游锋之间的不对称速度缩放的原因。
2021-11-10 physics.flu-dyn
Turbulent puffs in transitional pulsatile pipe flow at moderate pulsation amplitudes
本文研究了中等脉动幅度下过渡态脉动管流中的湍流结构，发现puffs和slugs利用层流剖面的线性不稳定性存活，并扩展低阶模型成功重现了这些动力学。
2025-06-02 physics.flu-dyn
On The Critical Reynolds Number For Transition From Laminar To Turbulent Flow
在这种可视化中，从层流到湍流的转变的特征在于壁面流体间歇地喷射到外部流中。粘性流层的归一化厚度达到渐近值，但物理厚度在过渡后呈指数下降。临界过渡管雷诺数可以简单地通过将其与粘性流层归一化厚度的渐近值相等来获得。关键词：转捩，临界稳定雷诺数，临界转捩雷诺数，非牛顿管流
2010-07-14 physics.flu-dyn
Recurrence of Travelling Waves in Transitional Pipe Flow
最近的理论发现的家庭的行波解决方案在管流在雷诺数低于过渡范围自然提出的问题，其相关性的湍流过渡过程。在这里进行了一系列的数值实验，我们寻找这些行波在过渡流的空间签名。工作在一个周期性的管道的5D（直径）的长度，我们发现，行波低壁切应力（下分支解决方案）是在一个表面上分离的初始条件，顺利relaminarise和那些导致湍流的演变。在5D和10D长周期管道中发现了经常性行波访问的证据，但仅适用于具有低至中等壁面剪应力的行波，并且在湍流中不到10%的时间。考虑到这一点，似乎不太可能的平均湍流特性，如壁面剪应力可以预测为一个扩展的行波，其中他们的个人属性是适当的加权。相反，进一步的动力学结构，如周期轨道，需要被隔离，并包括在任何这样的扩展。
2006-11-01 physics.flu-dyn
Net drag reduction in turbulent pipe flow by airfoil-section grids concentrated near the wall
National Institute of Technology, Yonago College（米子工业高等专门学校）
本研究采用NACA0006翼型格栅作为整流器，通过数值模拟证实近壁集中的同心环格栅可在5×10^4至2×10^5雷诺数范围内实现最高9.0%的湍流管流净减阻。
2026-10-09 physics.flu-dyn
A streamwise-constant model of turbulent pipe flow
本文提出了一个流向常数模型来研究管流过渡过程中平均流量变化的基本机理。使用一个单一的强迫动量平衡方程，我们表明，速度分布的形状是强大的强迫配置文件的变化，需要捕捉的平均流量的变化与过渡到湍流的线性非正常和非线性效应。该模型的形式特别简单，可以直接通过检查方程来研究动量传递。由我们的模型产生的管道的横截面上的高速和低速条纹的分布是非常相似的，在附近的喷烟结构的后缘在管流过渡的速度场中观察到的。在随机强迫下，该模型表现出准周期性的自我维持的周期，其特征在于由创建和随后的衰减的“流向恒定的泡芙”，所谓的，由于其速度场的时间演化和投影的速度场与三维泡芙在一个参考系中的整体速度移动之间的良好协议。我们建立的流动动力学是相对不敏感的再生机制调用产生近壁流向涡，并使用小的，非结构化的背景扰动再生的流向涡是足以捕捉的形成的高速和低速条纹和他们的隔离导致钝化的速度分布特性的湍流管流。
2011-01-12 physics.flu-dyn
Drag reduction and subcritical turbulence in controlled pipe flows
Politecnico di Milano（米兰理工大学）；Univ. Lille, CNRS, ONERA, Arts et Metiers Institute of Technology, Centrale Lille（里尔大学、法国国家科学研究中心、法国航空发展局、巴黎国立高等工艺学院、里尔中央理工学院）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文通过直接数值模拟研究$Re_b=4900$下受控管流的减阻与亚临界湍流，发现受控管流可层流化，其局地化湍流 puff 性质特殊，为层流控制策略提供了新视角。
2026-09-01 physics.flu-dyn
Transport modeling of sedimenting particles in a turbulent pipe flow using Euler-Lagrange large eddy simulation
采用体积滤波欧拉-拉格朗日大涡模拟方法对水平管内液固两相湍流流动进行了数值模拟。采用基于拉格朗日平均的动态Smagorinsky模型来考虑液相中的子滤波器尺度效应。采用完全保守的浸入式边界方法，在均匀网格上计算管道的几何形状。液相和固相通过体积分数和动量交换项耦合。粒子-粒子和粒子-壁面碰撞采用软球方法建模。通过改变表观液体速度进行了一系列模拟，以与Dahl等人（2003）的实验数据一致。根据液体流速，颗粒床可以形成和发展不同的图案，这是在文献中提出的状态图的光进行了讨论。在液体床界面的高度波动的特点，以了解这些模式的空间和时间的演变。从数值模拟中提取并呈现了工程感兴趣的统计数据，如平均速度、平均浓度和驱动流动的平均流向压力梯度。从模拟结果计算的含砂率表明，这种计算策略是能够准确地预测临界沉积速度。
2014-12-02 physics.flu-dyn
LES-informed resolvent-based estimation of turbulent pipe flow
本研究采用基于预解的方法，利用摩擦雷诺数550的DNS和LES数据库，从壁面剪应力脉动测量中估计湍流圆管流动的时空场，发现用更粗网格的LES统计量构建的估计器能以低计算成本获得与DNS高度吻合的准确结果。
2023-07-07 physics.flu-dyn
Laminar and Turbulent Flow in Wavy Pipes under Strong Wall Modulations
Spanish National Research Council（西班牙国家研究委员会）
研究蜿管中层流、过渡流和湍流流动，通过直接数值模拟分析强正弦壁波动对摩擦因子和平均速度统计的影响，揭示了壁振幅对层流摩擦和临界雷诺数的显著影响，指出传统模型不足，需引入有效水力半径概念。
2026-07-08 physics.flu-dyn
Detection of dominant large-scale coherent structures in turbulent pipe flow
提出用 CDMD 处理直接数值模拟的时空状态序列，在 $Re_τ=181$ 圆管湍流中以约 10 个模态提取主导大尺度相干结构并再现关键流动统计量。
2023-09-26 physics.flu-dyn
Burns turbulent dispersion considers the dispersed phase as a passive scalar
本研究揭示双流体RANS泡状流中常用的Burns湍流弥散力等效于将气相视为跟随湍流涡的被动标量，验证了其适用于低空泡份额压水堆管流的气泡弥散表征。
2024-03-11 physics.flu-dyn
The Role of Vortex Stretching in Drag Reduction of Polymer-Laden Turbulent Flow
本文从聚合物减弱涡拉伸的机制出发，推导出含聚合物湍流的平均速度剖面理论预测，并通过数值实验与管道流动实验数据验证了该理论对减阻现象的描述能力。
2025-08-21 physics.flu-dyn
Asymptotic turbulent friction in 2D rough-walled flows
摩擦力f是壁面流动的特性，它决定了管道的抽水成本、河流的排水能力和其他实际相关的变量。对于高度紊流的粗糙壁管流，f只取决于粗糙度长度标度r，f-r关系可用斯特里克勒经验标度f $\propto$ r $^{\frac{1}{3}}$表示。在这里，我们的实验表明，肥皂膜流是二维（2D）的高度湍流粗糙壁管流，f $\propto$ r和f - r关系是不相同的，在2D中的3D。我们的发现超出了标准摩擦理论的范围，但与一个竞争理论一致，在该理论中，f通过谱指数$α$与湍流谱相联系：在3D中，$α$ = 5/3，理论得出f $\propto$ r $^{\frac{1}{3}}$ ;在2D中，$α$ = 3，理论得出f $\propto$ r。
2021-02-01 physics.flu-dyn
