Subcritical transition to turbulence in quasi-two-dimensional shear flows
本文通过稳定性分析和直接数值模拟，揭示了由非线性 Tollmien--Schlichting 波驱动的准二维剪切流动中亚临界向湍流转变的新机制，为控制旋转装置和核聚变反应堆中的湍流转变提供了新思路。
2023-05-22 physics.flu-dyn
The universality class of the transition to turbulence
湍流是自然界中最常见的非平衡现象之一，然而，描述引起湍流的转变仍然是一项难以捉摸的任务。虽然在最近的研究中，已经确定了标志着持续湍流开始的临界点，但无法解释过渡的物理性质。在广泛的实验和计算研究中，我们显示的Couette流的例子，湍流的发生是一个二阶相变，并落入定向渗流普适类。因此，复杂的层流-湍流模式的剪切流中的过渡独特的结果，从最近的邻居的相互作用的湍流域，其特征在于通用的临界指数。更一般地说，我们的研究表明，即使是远离平衡的高维系统，如湍流，在开始时也表现出普适性，这里的集体动力学服从简单的规则。
2015-10-16 physics.flu-dyn
Taylor particle dispersion during transition to fully developed two-dimensional turbulence
我们报告了新的测量单颗粒分散在湍流二维（2D）流。在电磁驱动和法拉第波驱动的湍流实验中，发现随着流动能量的增加，湍流从弱分散超扩散区向强分散布朗扩散区过渡。过渡到充分发展的二维湍流的特征在于流体粒子轨迹的拓扑变化和自相似扩散的发展。二维湍流发展的程度可以通过描述单颗粒分散与泰勒分散的偏差的参数来量化。
2014-02-06 physics.flu-dyn
Subcritical transition to turbulence of a precessing flow in a cylindrical vessel
本文对旋进圆柱容器内的湍流转捩进行了实验研究。我们的测量进行了{近共振}配置与初始层流占主导地位的惯性模式与方位波数$m=1$叠加在固体旋转。通过增加的进动比，我们观察到从层流过渡到一个非线性的政权，然后打破湍流更大的进动比。我们的测量结果表明，过渡到湍流是亚临界的，与壁面压力的不连续性和功耗在阈值$ε_{LT}$。湍流是自我维持低于这个阈值，描述了一个具有滞后的分岔图。在该控制参数范围内，湍流可在有限持续时间后突然崩溃，导致流动的确定性再层化。当$ε$趋于$ε_{LT}$时，湍流的平均寿命$\langle τ\rangle$迅速增加。
2015-09-21 physics.flu-dyn
Transition to turbulence in ferrofluids
众所周知，在经典流体中，湍流通常发生在高雷诺数下。但是湍流能在低雷诺数下发生吗？在这里，我们调查的过渡到湍流的经典泰勒-库埃特系统中的旋转流体制造的磁性流体与磁化纳米颗粒嵌入在液体载体。我们发现，在存在的磁场湍流可以发生在雷诺数是至少一个数量级小于那些在传统的流体。这是建立了广泛的计算铁流体力学通过详细的分叉分析和表征的行为的物理量，如能量，波数，和角动量通过分叉。一个惊人的发现是，随着磁场的增加，可以准确可靠地确定湍流的开始。我们的研究结果表明，湍流的实验研究可以大大方便，通过使用铁磁流体，开辟了一个新的途径，探讨湍流的基本原理和具有挑战性的问题，湍流控制。
2015-01-08 physics.flu-dyn
Fundamental and subharmonic transition to turbulence in zero-pressure-gradient flat-plate boundary layers
在这段流体动力学视频中，突出显示了最近对可压缩（M = 0.2）、零压力梯度平板边界层中由Tollmien-Schlichting波的基本（Klebanoff K型）和次谐波（Herbert H型）二次不稳定性触发的湍流过渡的模拟。
2011-10-16 physics.flu-dyn
Transition from turbulence-dominated to instability-dominated combustion regime in lean hydrogen-air flames
通过关闭湍流强迫，对贫氢-空气火焰在受迫湍流中的传播进行了复杂化学直接数值模拟。结果表明，湍流衰减引起的燃烧速度U_T（t）的降低在湍流减弱时发生逆转，出现一个U_T（t）峰值，两种情况下的峰值大小和相应的Karlovitz数相似。这些结果（i）归因于层流火焰不稳定性的激活，而层流火焰不稳定性已被强湍流抑制，并且（ii）被认为表明不稳定性仅在足够弱的湍流中才能显著影响U_T。
2023-03-13 physics.flu-dyn
Linear Stability and Subcritical Turbulence in Rotating Shear Flows
阐明了旋转平面Couette流动与Taylor-Couette流动之间的关系。通过考虑旋转坐标系中科氏力的影响，解释了它们的线性稳定极限的一致性。实验数据被用来量化的行为的最小雷诺数的亚临界湍流的旋转和曲率的函数。这最后的依赖性是理解通过现象学分析，这也意味着科里奥利力降低了效率的亚临界湍流运输相对于非旋转流，数值观察。
2003-05-28 astro-ph physics.flu-dyn
Threshold amplitudes for transition to turbulence in a pipe
本文研究了圆管Poillille流向湍流转变的扰动阈值。根据能量梯度理论，我们认为湍流的转变取决于平均流能量梯度和扰动能量的大小。此外，湍流过渡所需的阈值扰动能量表示为能量角的余角的函数，该余角也表征了平均流的能量梯度的行为。通过一些数学处理，得到了扰动阈值能量随雷诺数的变化规律。然后，它被发现，对于一个固定的扰动频率，归一化的扰动振幅的比例与Re的指数为-3/2的过渡发生在管道中。该指数值与文献中报道的几个最近的结果吻合得很好。最后，对不同扰动水平下的湍流转捩机制提出了建议。
2005-06-25 physics.flu-dyn
An optimisation approach for analysing nonlinear stability with transition to turbulence in fluids as an exemplar
本文介绍，并回顾了最近的工作，使用一个简单的优化技术，分析在一个动态系统的状态的非线性稳定性。该技术可用于识别干扰系统的最有效方式，使其从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态。的关键思想是在一个有限维的一组常微分方程（ODE）的框架内，然后说明了一个非常简单的系统2 ODE具有双稳态。然后，在流体力学中的湍流问题的过渡，以显示该技术可以制定一个空间扩展的系统所描述的偏微分方程（著名的纳维-斯托克斯方程）。在这种情况下，优化技术的桥梁之间的差距（线性）最优扰动理论和（非线性）动态系统的方法来流体流动。事实上，该技术最近已被证明在这种非常高维的设置工作，预示着它在其他物理系统的实用性。
2014-08-15 physics.flu-dyn
Transition to turbulence in particulate pipe flow
我们实验研究了悬浮颗粒对湍流转捩的影响。颗粒是单分散的，并且与液体呈中性浮力。颗粒对过渡的作用取决于管道与颗粒直径比和浓度。对于大的管道与颗粒直径比，转变被延迟，而对于小的比率，转变被降低。提出了一种缩放方法，将偏离纯流体临界雷诺数作为浓度的函数压缩成一条主曲线。
2003-01-18 physics.flu-dyn
Transition to turbulence in strongly heated vertical natural convection boundary layers
由于缺乏实验和物理模拟的困难，沿强加热垂直壁的自然对流边界层中向湍流转变的控制机制既不十分清楚，也没有得到很好的理解。我们的测量带来的实验数据集中在静止的空气沿辐射和导电板在整个范围内的2000至8000 W/m2的加热速率的这种转变。通过滑动窗口互相关热风速仪获得的时间序列的分析导致我们指出相干湍流结构在整个薄边界层，这似乎是由传热和时间微观尺度的湍流通过内层的短的高度。物理解释与所观察到的传热相关性和这些湍流过渡结构以及辐射和传导。
2008-12-22 physics.flu-dyn
Transition to turbulence in particle laden flows
悬浮颗粒可以改变流体的性质，特别是还影响从层流到湍流的转变。在目前的实验研究中，我们调查的影响中性浮力，球形惯性颗粒过渡到湍流管流。在低颗粒浓度下，如在单相牛顿流体中，湍流仅在由足够大的扰动触发时发生，并且作为该过渡的特征，局部湍流区域（喷流）与层流共存。与早期的研究一致，随着颗粒浓度的增加，这个转变点最初移动到较低的雷诺数（Re）。然而，在更高浓度下，过渡的性质发生了质的变化：层流在连续的非滞后过渡之后让位于全局波动状态。Re的进一步增加导致二次不稳定性，其中在均匀波动的背景流的顶部出现局部的泡芙状结构。在甚至更高的浓度下，仅发现均匀波动的流动，并且不再观察到牛顿型湍流的特征。
2018-09-17 physics.flu-dyn
Reynolds Number of Transition as a Dynamic Constraint on Statistical Theory of Turbulence
基于Wyld摄动展开的迭代粗粒化方法被应用于Navier-Stokes湍流问题。它表明，低阶计算给出的固定点雷诺数$ Re_{fp}$（耦合常数）几乎相同的雷诺数最近发现的过渡到异常标度的时刻{ \bf“速度导数”}。使用这个结果作为动态约束，有人认为，在附近的不动点（积分尺度）的高阶非线性，所产生的程序，是无关紧要的。红外发散并没有消失，而是包含在所导出的大尺度湍流（湍流模型或“凝聚物”）方程中，这些方程是小尺度湍流的来源。
2013-08-20 physics.flu-dyn
A critical point for bifurcation cascades and featureless turbulence
在这封信中，我们表明，分叉级联和充分持续的湍流可以共享流体流动系统的相空间，从而导致竞争的稳定吸引子的存在。我们分析了环形管流，它经历了亚临界过渡到湍流在低管曲率和超临界过渡在高曲率，如前所述。我们提供了决定性的证据表明，超临界过渡的性质是Ruelle-Takens型，并在一个狭窄的范围内的中间曲率，其动态竞争与持续的湍流出现通过亚临界过渡机制。
2019-12-04 physics.flu-dyn
The laminar flow instability criterion and turbulence in pipe
将直管中的流识别为柔性杆，可以给出确定层流状态转变为湍流状态的准则表达式，即管中流的平移运动的直线静态结构的失稳，以及其转变为平移运动的弯曲-涡动动态结构，就像柔性杆屈曲一样。引入的标准允许考虑入口几何形状、管道长度、流速以及任何物理因素对直线流动结构的稳定性的影响。确定了雷诺数是局部水动力相似数，并指出雷诺数是引入的稳定性判据的组成部分。所发展的稳定性问题的求解方法也适用于内流和外流场的问题求解。
2003-03-19 physics.flu-dyn
Transition from Weak Wave Turbulence to Soliton-Gas
我们报告了一个实验调查的影响有限深度的统计特性的波动湍流在水面上的重力毛细范围。我们分别通过改变水深和强迫来调节波的色散和非线性程度。我们使用时空分辨轮廓术来重建变形的水面。当减小水深时，我们观察到在最弱强迫下的弱湍流和在较强强迫下的孤波状态之间的剧烈转变。我们通过研究它们的傅里叶光谱来表征这两种状态之间的转变。我们还研究了弱湍流区的能量传递效率。我们报告的角度传输的效率损失的波的色散减少，直到系统分叉到孤子制度。
2017-09-14 physics.flu-dyn
Transition and self-sustained turbulence in dilute suspensions of finite-size particles
本文研究了低体积分数下有限尺寸颗粒悬浮液（$Φ\approx 0.001$）槽道流向湍流的转变。在存在少量颗粒的情况下，与初始条件无关，维持湍流的临界雷诺数降低到$Re \approx 1675$，该值低于相应的单相流，即$Re\approx1775$。在稀悬浮液中，颗粒的初始排列对于在固定的雷诺数和颗粒体积分数下触发转变是重要的。在单相流中，最初在流动中诱导流向细长扰动。如果粒子在一定时间内产生足够高能量的斜向扰动，则条纹将被破坏，流动将经历向湍流的转变，粒子的运动轨迹将变得混沌。否则，条纹随时间衰减，并且颗粒以层流向通道芯迁移。
2015-01-26 physics.flu-dyn
Turbulence closure in the light of phase transition
Bangladesh University of Engineering and Technology（孟加拉国工程与技术大学）
本文基于湍流作为连续相变现象，推导了新的湍流闭合方程，并通过数值求解验证了其有效性，同时揭示了湍流应力的奇偶对称性。
2026-04-21 physics.flu-dyn
The lift-up effect: the linear mechanism behind transition and turbulence in shear flows
横向扰动引起的流向速度扰动的形成和放大在剪切流中是普遍存在的。1975年Ellingsen和Palm明确指出的扰动增长机制是向湍流和自持湍流转变的关键过程。在这篇综述中，我们首先介绍了原始的推导和早期的研究，然后讨论了非模态增长的条纹，结果的提升过程中，在过渡和湍流剪切流。在第二部分中，对流体中的添加剂和第二相的提升过程的影响进行了讨论，并提出了新的结果，重点是颗粒负载的剪切流。对于所考虑的所有情况，我们认为提升过程是一个非常稳健的过程，总是作为亚临界转变的第一步。
2014-03-19 physics.flu-dyn
Transition to turbulence in slowly divergent pipe flow
本文通过实验与数值模拟研究缓慢扩张管道中的流动，发现轴对称锥形回流区及临界速度，并揭示其湍流转捩是突扩与直圆管流动中多个阶段的组合。
2013-11-30 physics.flu-dyn
Transition Prediction for Scramjet Intakes Using the γ-Re_θ_t Model Coupled to Two Turbulence Models
由于高超声速绕流中存在较厚的边界层，边界层的状态对整个流场以及表面热载荷有很大的影响。因此，对于工程应用而言，层流到湍流转捩的有效数值预报是一项具有挑战性的重要任务。在雷诺平均纳维-斯托克斯方程的框架内，Langtry/Menter [1]提出了$γ$ - $Re_{θ_t}$转捩模型，该模型使用两个传输方程计算湍流度，并结合剪切应力传输湍流模型（SST）[2]提出了$γ$ - $Re_{θ_t}$转捩模型。过渡模型包含两个经验的相关性的开始和过渡的长度。Langtry/Menter [1]设计并验证了亚音速和跨音速流态的相关性。对于我们在高超音速流态中的应用，即使使用相同的SST湍流模型，也证明有必要发展一套新的关联式[3]。在本文中，我们提出了下一步，并将转捩模型与SSG/LRR- $ω$雷诺应力湍流模型[4]耦合，我们发现该模型非常适合于超燃冲压发动机进气道模拟。首先，我们说明了必要的修改雷诺应力模型和高超音速内部的相关性使用高超音速平板测试情况。接下来，成功地验证了过渡模型的使用耦合到两个湍流模型使用高超声速双坡道测试情况。与实验数据相比，无论湍流模型如何，转捩模型都能够正确地预测转捩过程。此外，我们将转捩模型与两种湍流模型相结合，应用于三种不同的全三维超燃冲压发动机进气道构型，并在风洞设施中进行了实验研究。与现有的实验数据的协议也显示。
2014-10-15 physics.flu-dyn
Experimental scaling law for the sub-critical transition to turbulence in plane Poiseuille flow
本文对平面Poillille流向湍流的转变进行了实验研究。使用一个良好的控制扰动，我们分析了使用广泛的粒子图像测速和流动可视化（使用激光诱导荧光）测量的流量，并使用变形的平均速度配置文件作为一个标准，以表征流动的状态。从一个大的参数研究，四个不同的状态被定义取决于雷诺数的值和扰动的幅度。我们讨论了相干结构的作用，如发夹涡，在过渡。我们发现触发跃迁的微扰的最小振幅为Re^-1。
2011-11-30 physics.flu-dyn
Understanding the sub-critical transition to turbulence in wall flows
与自由剪切流的速度分布曲线的拐点级联湍流在一个相对温和的方式，壁有界流被剥夺了（惯性）不稳定模式在低雷诺数，并成为湍流在一个更狂野的方式，最常见的标志是在中间雷诺数的层流和湍流域的共存，远低于范围（粘性）不稳定性可以显示。甚至可以根本没有不稳定模式，如平面库埃特流（pCf）或Poiffille管流（Ppf），目前是深入研究的主题。虽然壁面流中向湍流转捩的机理现在已得到较好的理解，但转捩本身的统计特性还没有得到令人满意的评价。对情况进行了审查。提出了一种替代的时间理论的过渡到湍流的混沌瞬变在这样的全球亚临界流，这调用时空不稳定性和一阶（热力学）相变的理论。
2008-11-18 physics.flu-dyn
Phase-symmetry breaking as a mechanism for subcritical transition in shell models of turbulence
Tokyo University of Science（东京科学大学）
本文通过壳模型湍流展示了一个分析框架，通过外部强迫破坏守恒律，抑制层流线性不稳定性，同时保持湍流能量级联和谱特性，揭示亚临界转变机制。
2026-03-26 physics.flu-dyn
Leray-alpha model and transition to turbulence in rough-wall boundary layers
在本研究中，我们使用一个五阶常微分方程，一个概括的Blasius方程来自Leray-alpha模型，研究过渡到湍流粗糙壁边界层流动。这个方程，结合一个较弱的制定冯卡门对数法修改，包括表面粗糙度的影响，提供了一个家庭的湍流速度分布与两个自由参数：动量厚度为基础的雷诺数和粗糙度函数。结果得到了表面摩擦系数的关联式，并根据粗糙度函数预测了过渡雷诺数和最大表面摩擦系数。
2007-07-03 physics.flu-dyn
Deterministic and stochastic aspects of the transition to turbulence
这篇文章的目的是总结和讨论最近的进展，关于剪切流中的湍流的发病。没有一个明确的不稳定机制，时空间歇性的特点和极长的寿命瞬变是在这些流动中遇到的一些主要困难，并阻碍了理解过渡过程的进展。对于管流，我们将证明非线性动力学和统计物理学的概念有助于解释湍流的发生。特别是湍流结构（“泡芙”）观察到接近发病空间局部混沌瞬态和它们的寿命增加超指数与雷诺数。同时，单个湍流喷流的波动可能（尽管很少）导致新喷流的成核。这两个随机过程之间的竞争引起非平衡相变，其中湍流从超瞬态变为持续状态。
2014-03-18 physics.flu-dyn
An assessment of turbulence models for linear hydrodynamic stability analysis of strongly swirling jets
线性稳定性分析已被证明是一个有用的工具，在分析占主导地位的相干结构，如冯卡门涡街和全球螺旋模式与旋涡破裂的旋转射流。近年来，线性稳定性分析已成功地应用于湍流时均流，而不是层流基流，\textcolor{black} {这需要考虑湍流场与相干结构相互作用的湍流模型。为了保持层流的稳定性方程，通常采用具有空间非均匀但各向同性涡粘性的Boussinesq近似。在这项工作中，我们评估这一概念的适用性湍流强旋流射流，一类流量是特别不适合各向同性涡粘性模型。事实上，我们发现，非定常RANS模拟只匹配与雷诺应力模型，占各向异性涡粘性实验。然而，线性稳定性分析的平均流量准确地预测的全球模式的增长率和频率，如果采用各向同性的涡流粘度表示最小二乘近似的各向异性的涡流粘度。从$k-ε$模型得出的粘度不能很好地预测平均流量，也不能进行准确的稳定性计算。我们的结论是，从这项研究中，线性稳定性分析可以准确的流动具有强烈的各向异性的湍流粘度和能力的Boussinesq近似的URANS为基础的平均流量预测是不是一个先决条件。
2016-05-02 physics.flu-dyn
Universal continuous transition to turbulence in a planar shear flow
我们研究了在Waleffe流湍流的发病-由正弦体力驱动的无应力边界之间的平面剪切流。通过截断壁法线表示为四个模式，我们能够模拟系统的大小比任何以前模拟的大一个数量级，从而攻击平面剪切流的普遍性的问题。我们证明了平衡湍流分数从零开始连续增加超过临界雷诺数和湍流结构的统计表现出幂律缩放的（2+1）-D定向渗流普适类。
2017-08-15 physics.flu-dyn
A novel subcritical transition to turbulence in Taylor-Couette flow with counter-rotating cylinders
在泰勒-库埃特流中，向湍流的转变通常通过一系列的超临界分叉发生，逐渐变得更加复杂，但仍然稳定。我们描述了一个亚临界层流湍流过渡的轴向纵横比为$Γ=5.26$和半径比为$η=0.905$的系统中的不稳定的中间状态介导的反旋转制度。在这种情况下，流动可视化实验和数值模拟表明，中间状态对应于具有互穿螺旋的非周期性流动。此外，在返回到方位角对称的层流之前，从湍流的反向过渡首先导致相同的中间状态，该中间状态现在是稳定的。时间分辨层析粒子图像测速技术被用来表征实验流，这些测量比较有利的直接数值模拟与轴向边界条件相匹配的实验。
2019-09-03 physics.flu-dyn
Vertically Sheared Horizontal Flow-Forming Instability in Stratified Turbulence: Analytical Linear Stability Analysis of Statistical State Dynamics Equilibria
在弱或非旋转的层结湍流中经常观察到垂直带状的纬向急流，赤道平流层的准两年振荡和海洋的赤道深急流就是两个例子。解释分层湍流中射流的形成是地球物理流体动力学的一个基本问题。统计状态动力学（SSD）提供了强大的方法来分析湍流系统表现出紧急组织，如带状射流。在SSD中，动力学方程被直接写入湍流统计的演变，使得能够直接分析湍流的非相干分量和作为射流形成基础的相干大尺度结构分量之间的统计相互作用。SSD的二阶闭合，称为S3 T，以前已被应用于显示，在正压β-平面湍流中出现的带状射流通过统计不稳定性，被称为纬向不稳定。二维Boussinesq湍流提供了一个简单的非旋转分层湍流模型，类似于行星湍流的β平面模型。被称为垂直剪切水平流（VSHF）的射流经常出现在Boussinesq湍流的模拟中，但其动力学尚未被清楚地理解。在这项工作中，S3 T分析的纬向不稳定性扩展到研究VSHF出现在二维Boussinesq湍流使用的解析公式S3 T服从扰动稳定性分析。VSHF的形成是通过一个不稳定性，这是类似于在分层湍流的纬向不稳定性β-平面湍流。这种不稳定性被证明是惊人的相似的zonostrophic不稳定性，这表明，射流出现在地转和非旋转分层湍流可以被理解为相同的通用现象的实例。
2018-07-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Transition to turbulence in pulsating pipe flow
在自然界和实际应用中，流体流动经常受到周期性的速度调制。令人惊讶的是，即使对于流经直管的一般情况，关于脉动对湍流过渡阈值的影响也几乎没有共识：虽然大多数研究预测阈值随脉动频率单调增加（即Womersley数，$α$），但其他研究观察到相同参数的阈值降低，并且仅在低$α$时观察到阈值增加。在本研究中，我们应用最新进展的了解过渡稳定剪切流脉动管流。对于中等的脉动幅度，我们发现，遇到的第一个不稳定性是亚临界的（即需要有限振幅的扰动），并引起局部补丁的湍流（“泡芙”）类似于稳定的管流。通过监测脉动对湍流寿命的影响，我们在参数空间中映射湍流的发生。脉动流的转捩可分为三种状态。在小Womersley数的动力学是占主导地位的衰减湍流遭受在较低的部分周期，因此过渡显着延迟。如该状态所示，阈值与基于仅考虑喷烟衰减率的准稳定流假设的估计值非常一致。在零$α$极限下预测的转捩点等于由振荡雷诺数偏移的稳定管流的临界点。在高频率极限中，抽吸寿命与稳定管流中的寿命相同，因此过渡阈值似乎不受流量脉动的影响。在中频范围内，过渡阈值从衰减主导（准稳态）阈值急剧下降（随着$α$的增加）到稳态管流水平。
2017-09-12 physics.flu-dyn
An Algebraic Non-Equilibrium Turbulence Model of the High Reynolds Number Transition Region
提出一种基于混合长度并校准于管流的代数非平衡湍流模型，用于捕捉高雷诺数过渡区湍流产生-耗散比增加，并考虑壁面粗糙度，输出面积平均量供CFD使用。
2024-02-02 physics.flu-dyn
The phase transition to turbulence in spatially extended shear flows
定向渗流（DP）最近出现作为一个可能的解决方案的世纪之谜周围的过渡到湍流。多个模型研究报告了DP指数，但是实验证据是有限的，因为最大可能的观测时间比流动的特征时间尺度短几个数量级。一个例外是圆柱Couette流的限制不是时间，而是可实现的系统大小。我们目前的实验库埃特设置前所未有的方位角和轴向纵横比。接近临界点，在小于0.1%，我们确定了五个临界指数，所有这些都是在良好的协议与2 + 1D DP-普适性类。因此，在湍流开始时遇到的复杂动力学可以在统计力学的框架内完全合理化。
2021-11-29 physics.flu-dyn
Uncertainty quantification and stability of neural operators for prediction of three-dimensional turbulence
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；National University of Singapore（新加坡国立大学）
本文提出因子化隐式FNO模型，通过引入隐式因子化提升神经算子在三维湍流预测中的长期稳定性和准确性，优于传统LES和其他FNO模型。
2025-12-25 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Phase transition to turbulence via moving fronts
本文通过平面库埃特流数值实验消除离散结构，发现湍流经移动前沿增殖并自发层流化衰减，并将其映射到随机单变量系统，揭示湍流涨落水平决定相变类型及其对有向逾渗普适性的归属。
2024-07-02 physics.flu-dyn
Transition to turbulence through decline of viscosity
实验（Mullin和Kreswell，2005年）表明，在雷诺数低于线性稳定性分析预测的雷诺数时，可以开始向湍流过渡-亚临界向湍流过渡。为了定性地解释这些观察结果，我们认为亚临界不稳定性的发生与流体粘度的下降有关：流体层之间的摩擦随着速度梯度的增加而失效。为了从理论上描述摩擦力的衰减，我们放宽了流体材料稳定性的假设，引入了流体强度常数。特别地，我们通过在粘性应力的本构方程中引入流体强度来增强具有失效描述的Navier-Stokes模型。当强度趋于无穷大时，由增强模型得到经典模型。采用修正的Navier-Stokes模型分析了平行平板间的Couette流动，发现横向扰动会使流动失稳，临界雷诺数与流体强度成正比。后者意味着具有无限强度的稳定材料的经典Navier-Stokes模型不能捕获亚临界到湍流的转变，而改进的模型可以。
2008-07-07 physics.flu-dyn
Universality at the onset of turbulence in shear flows
剪切流中从静止层流到强烈波动湍流动力学的不稳定转变尽管有其实际的重要性和一个多世纪的深入研究，但仍然知之甚少。由于缺乏线性不稳定机制，以及在极长的寿命后可能发生的湍流灾难性崩溃，对转变过程的理论理解变得复杂。在三种不同的几何形状：管道，管道和槽道流动中，实验研究了接近发病的湍流。从湍流到层流的反向转变被观察到是剪切流的一般特征。在稍高的流速下发现一个临界点，其中流动的性质突然改变为扩展湍流的一般情况。与此相变的临界指数被发现是普遍的。这证实了20多年前基于流体湍流和统计物理学中离散模型之间的类比而提出的一个猜想。
2010-01-14 physics.flu-dyn
Transition from 2D HD to 2D MHD turbulence
本文研究了二维磁流体动力学流场中，当磁力与机械力的比值变化时，从能量的逆级联到能量的正级联的临界转变。研究发现，临界转变是两个相互竞争的过程的结果。第一个过程是由于水动力相互作用，能量级联到大尺度。第二个过程将小尺度磁场耦合到大尺度流，通过非局部机制将能量传递回小尺度。在边际，两个级联都存在，并相互抵消。绘制了相变的相空间图。
2015-09-08 physics.flu-dyn
The Surprising Transition in Atmospheric Boundary Layer Turbulence Structure from Neutral to Moderately Convective Stability States and Mechanisms Underlying Large-scale Rolls
白天大气边界层（ABL）湍流的矢量风结构强烈依赖于水平波动（由中尺度风驱动）的剪切驱动的湍流产生和垂直速度波动（由太阳能加热驱动）的浮力驱动的湍流产生之间的平衡，其特征在于全球不稳定状态参数$-z_i/L > 0$。在完全剪切驱动的中性限制$-z_i/L \rightarrow 0$，表面层是由负流向波动速度（低速条纹）的相干流向拉长浓度为主，而在适度对流状态（$z_i/L \sim 10$）浮力产生集中垂直速度波动的流向拉长热上升气流片。使用大涡模拟（LES），我们研究了中性和中度对流状态之间的转换，通过量化的相关性和积分尺度作为$-z_i/L$的功能，系统地增加地面热通量与固定的地转风。我们发现了一个令人惊讶的突然过渡ABL湍流结构在$-z_i/L \approx 0.40$与流向相干性的显着增强，特别是在混合层，和ABL动态响应的突然变化，进一步增加表面加热。在超临界ABL中，表面热通量的持续增加导致最大相干态，（$z_i/L \sim 1.0-1.5$）与螺旋形大尺度滚动结构和异常相干的热上升气流有关，这一过程由两个关键的动力学效应驱动：（a）流向速度波动和剪切驱动的低速条纹的流向相干性令人惊讶地持续增加，以及（b）增加了下表面层中的相干低速条纹与上混合层中的相干热上升气流之间的空间相关性。
2018-12-07 physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of transition under free-stream turbulence and the influence of large integral length scales
针对自由来流湍流大积分长度尺度推迟转捩的反常识实验结果，通过高保真模拟揭示其机制：大尺度诱导的宽条带层流区增长慢，能量向破碎相关小展向尺度传递耗时更长，故转捩更慢。
2024-03-13 physics.flu-dyn
Erodible bed turbulence modulation driven by transition between longitudinal and transverse bedforms at varying Shields numbers
Lanzhou University（兰州大学）；Xidian University（西安电子科技大学）
本研究通过颗粒解析直接数值模拟，改变Shields数实现床面形态转变，揭示了可侵蚀床面湍流的非单调调制规律，明确了床面形态演化与湍流调制的直接关联。
2026-08-06 physics.flu-dyn
New directions and perspectives in elastic instability and turbulence in various viscoelastic flow geometries without inertia
我简短地描述了在粘弹性无惯性流动中的弯曲流线的弹性驱动不稳定性和弹性湍流的主要结果。然后，我们描述了弹性湍流理论和Re< >1时弹性波的预测<1 and Wi>，它的速度取决于弹性应力，类似于磁流体力学中的Alfven波，而与所有其他流体流动的波速取决于介质弹性相反。由于已经建立并得到验证的曲线粘弹性流弹性失稳机制在零曲率下失效，因此平行剪切流与牛顿平行剪切流一样是线性稳定的。然而，平行剪切流的线性稳定性并不意味着它们的全局稳定性。在这里，我切换到主要的主题，即最近的发展，在惯性较小的平行剪切通道流动的聚合物溶液。在这样的流动中，我们发现了一个弹性驱动的不稳定性，弹性湍流，弹性波，和阻力减少到再层化，矛盾的线性稳定性预测。在这方面，我讨论短期正常与非正常的分叉在这样的流量，流动阻力，速度和压力波动，空间和频谱速度作为Wi的函数在一个高弹性数。
2022-04-21 physics.flu-dyn
Turbulence via intermolecular potential: Viscosity and transition range of the Reynolds number
流体中的湍流是一种普遍存在的现象，其特征在于平滑的层流到快速变化的混沌动力学的自发转变。1883年，雷诺用实验证明，在最初的水层流中，湍流运动出现时没有任何可测量的外部扰动。直到今天，湍流仍然是流体力学中一个主要的未解决的现象;特别是，缺乏一个数学模型，其中湍流动力学自然地从层流中出现。最近，我们提出了一种新的气体湍流理论，根据该理论，湍流运动是由分子间势的平均场效应在惯性气体流中产生的。在目前的工作中，我们调查的粘性在我们的湍流模型的效果，通过数值模拟在正常条件下的空气流动在一个直管中的不同值的雷诺数。我们发现，层流和湍流之间的过渡在我们的模型中发生没有任何故意的扰动，雷诺数从2000增加到4000。当模拟的流动变成湍流时，在我们的模型中的动能的时间平均傅立叶谱的衰减率接近Kolmogorov的逆三分之五定律。这两个结果都与实验和观察相一致。
2022-05-02 physics.flu-dyn
Stable Manifolds and the Transition to Turbulence in Pipe Flow
在管流和其他剪切流中计算的下支行波和平衡似乎介于湍流和层流运动之间。我们采取了一个步骤，通过推导出一个数值方法，找到某些特殊的扰动的层流在一个短的管道连接这些下支管的解决方案过渡。这些特殊的扰动导致扰动速度场沿其稳定流形演化，从而逼近下支解。如果扰动稍小，流动将重新层化，如果稍大，它将过渡到湍流状态。
2008-12-24 physics.flu-dyn
Compressible Turbulence: Multi-fractal Scaling in the Transition to the Dissipative Regime
考虑了充分发展的可压缩湍流向耗散状态转变时的多重分形标度。由于粘性效应，多重分形幂律标度行为在非常小的长度尺度上崩溃。然而，压缩性的影响被发现扩展单尺度多重分形制度进一步进入耗散范围。在最终的压缩极限，由于冲击波是适当的耗散结构，单标度制度被发现确实延伸到所有的方式进入全粘性制度。这一结果似乎与可压缩流体中涡旋拉伸更强从而推迟粘性干预的物理事实一致。随后产生的可压缩流体中的增强的速度梯度似乎提供了一个基本的物理基础，以前的结果表明，充分发展的可压缩湍流是有效的耗散比不可压缩的对应。
2010-01-07 physics.flu-dyn
Most probable path and invariant sets in noise-induced transition to turbulence
Tokyo University of Science（东京科学大学）；Nihon University（日本大学）；Kyoto University（京都大学）
本文通过OM势能分析噪声诱导湍流转变路径，揭示最可能路径与不变集之间的关系，为预测动力学中的噪声诱导转变提供理论依据。
2026-01-07 physics.flu-dyn
The effect of varying degrees of stenosis on transition to turbulence in oscillatory flows
生理学上的许多并发症与由于狭窄引起的动脉中的流动的偏离相关联。狭窄的存在可使流动转变为弱湍流。狭窄的程度以及其配置是否对称或不对称的载瘤动脉的影响是否将保持层流或过渡到湍流。大量的研究工作集中在调查的作用，不同程度的狭窄的湍流的发病条件下，稳定和脉动流。然而，没有一项研究关注于在振荡流条件下对此进行调查，因为在许多生理流中，流逆转是主要发生的情况，并且在脑脊液（CSF）流研究中具有特别的相关性。在以前的工作中，75%的狭窄进行了研究，这方面的贡献是一个详细的调查的作用，狭窄程度的过渡在振荡流。本文研究了轴对称和偏心圆柱形截面收缩率分别为25%、50%和60%的圆柱管在三种不同脉动频率下的纯振荡流转捩。循环平均雷诺数在1800和2100之间的步骤100进行了研究，每个配置导致72个模拟76800 CPU核心的现代超级计算机上进行。结果发现，更高程度的狭窄和偏心率的振荡流导致早期过渡到湍流。结果进一步表明，较高的振荡频率导致流动中较大的流体动力学不稳定性，这在较小程度的狭窄中更为突出。
2022-03-28 physics.flu-dyn
Critical Transitions in Thin Layer Turbulence
我们研究了一个薄层湍流模型，该模型遵循沿水平方向的二维运动${\bf u}_{_{2D}} (x,y)$的演化，$(x,y)$耦合到沿垂直方向的单个傅立叶模式（$z$）的形式${\bf u}_q (x, y, z)=[v_x(x,y) \sin(qz), v_y(x,y)\sin(qz), v_z(x,y)\cos(qz)\, ]$，从而将系统简化为两个耦合的二维方程。该模型的降维允许一个彻底的调查的过渡从一个正向到一个反向级联的能量层$H=π/q$的厚度是不同的。从一个厚层开始，并减少其厚度，它表明，两个临界高度满足（i）一个是向前单向叶栅（类似于三维湍流）过渡到双向级联，将能量传递到小尺度和大尺度，以及（ii）当层变得非常薄时，双向级联过渡到单向逆级联（类似于二维湍流）。这两个临界高度被证明有不同的属性接近临界状态，我们能够分析与数值模拟范围广泛的雷诺数和纵横比。
2017-01-18 physics.flu-dyn
The signature of laminar instabilities in the zone of transition to turbulence
我们证明了在边界层中的湍流斑的诞生的时空统计可以从过渡区中的宏观测量的平均行为定性地重建。\cite{vg04}中关于层流不稳定性的模式与湍流斑的产生之间存在联系的结论得到了加强。我们研究为什么不稳定性和过渡到湍流之间的关系是明显的，在某些情况下，似乎是完全不存在的。采用新型的元胞自动机对过渡区进行了模拟，并通过二次失稳分析得到了斑点的生成模式。集中故障的假设的有效性，根据该假设，大多数湍流斑点起源于一个特定的流向位置，进行了评估。所作的预测适合于直接的实验验证。
2006-02-01 physics.flu-dyn
Subcritical versus supercritical transition to turbulence in curved pipes
尽管层流Hagen-Poiffille流的线性稳定性，但如果流动扰动的幅度以及雷诺数超过最小阈值（亚临界转变），则在直管中发生向湍流的转变。随着管道曲率的增加，离心效应变得重要，从而修改基本流以及最不稳定的线性模式。如果曲率（管到弹簧圈直径$d/D$）足够大，则在湍流被激发（亚临界不稳定性）之前会遇到Hopf分叉（超临界不稳定性）。我们跟踪的不稳定阈值的$Re-d/D$参数空间中的范围$0.01\leq\ d/D \leq0.1$通过激光多普勒测速仪和确定的点，在亚临界和超临界不稳定满足。使用了两种不同的实验装置：一个封闭的系统，管道形成一个轴对称的环面和一个开放的系统，采用螺旋管。弯曲管道中的摩擦系数的测量的影响进行了讨论。
2015-08-26 physics.flu-dyn
Transition to magnetorotational turbulence in Taylor--Couette flow with imposed azimuthal magnetic field
磁旋转不稳定性（MRI）被认为是天体物理吸积盘中湍流和动量传输的强大来源，但获得其操作的观测证据是具有挑战性的。最近，泰勒-库埃特流与外部施加的轴向和方位角磁场的实验室实验已经揭示了MRI的运动学和动力学特性接近不稳定的开始。虽然良好的协议被发现与线性稳定性分析，鲜为人知的是过渡到湍流和运输性能的MRI。我们在这里报告的MRI与施加方位磁场的数值调查。我们表明，层流泰勒-库埃特流变得不稳定的波旋转的方位角方向和立场，在轴向方向通过超临界霍普夫分岔。随后，流动的特点是一个灾难性的过渡到时空缺陷介导的亚临界次谐波Hopf分岔。我们的结果是在定性协议与PROMISE实验，并显着扩展其可实现的参数范围。我们发现，随着雷诺数的增加，缺陷积累和成长为湍流，但动量输运的规模弱。
2015-09-11 physics.flu-dyn
Stability Criteria and Turbulence Paradox Problem For Type II 3D Shears
在槽道流中有两种类型的三维剪切：（$U(y,z),0,0$）和（$U(y),0,W(y)$）。两者都是重要的组织相空间结构的渠道流量。在[Li，2010]中研究了I型3D超声刀的稳定性标准。在这里，我们研究了II型三维剪切机的稳定性准则。我们还通过研究一系列II型3D剪切，为[Li and Lin，2010]中介绍的湍流悖论的解决方案提供了更多的支持。
2010-09-29 math-ph math.AP math.MP
Supercritical transition to turbulence in an inertially-driven von Karman closed flow
本文研究了在雷诺数100 - 1000000范围内，两个装有弯曲叶片的反向旋转大叶轮之间的惯性驱动von Karman流动从层流到充分发展的湍流的转变。这种转变是由方位角剪切层的不稳定性驱动的，即，Kelvin-Helmholtz不稳定性，表现出行波/漂移波，调制行波和湍流谱下出现的混沌。一个局部量-在一个给定的点的速度波动的能量-和一个全局量-所施加的扭矩-被用来监测动态。当地的数量定义了临界雷诺数Rec的时间依赖性的流量的开始，和一个上限阈值/交叉Ret的能量级联的饱和。无量纲阻力系数，即，湍流耗散在该有限Ret之上达到平台，如对于Re ->无穷大的“Kolmogorov”类湍流所预期的。我们的观察结果表明，在这个封闭的流动中，湍流的过渡是全球超临界的：速度波动的能量可以被认为是一个序参量，其特征在于从第一层流的时间依赖性到充分发展的湍流的动态。此外，在时间域中的频谱分析表明，几乎所有的波动能量存储在时间尺度的一个或两个数量级慢于基于叶轮频率的时间尺度。
2008-01-22 physics.flu-dyn
