Two-Point Vorticity Statistics in the Inverse Turbulent Cascade
本文对定常二维湍流逆叶栅中产生的涡量场的两点涡量概率密度进行了统计分析。
2012-12-11 nlin.CD physics.flu-dyn
Relaxation equations for two-dimensional turbulent flows with a prior vorticity distribution
利用最大熵产生原理（MEPP），我们导出了一种新的二维湍流松弛方程，这种松弛方程是在预先给定涡量分布而不是Casimir约束的情况下[Ellis，Haven，Turkington，Nonlin.，15，239（2002）]。高斯先验的特定情况下，具体处理连接到最小拟能状态和Fofonoff流。这些松弛方程与罗伯特和Sommeria [物理学评论快报]提出的其他松弛方程进行了比较。69，2776（1992）]和Chavanis [Physica D，237，1998（2008）]。它们可以提供二维湍流的小尺度参数化，或者作为计算具有适当约束的最大熵状态的数值算法。我们进行数值模拟，这些松弛方程，以说明几何引起的地球物理流动的相变。
2011-04-11 physics.flu-dyn
Formation of spanwise vorticy in oblique turbulent bands of transitional plane Couette flow, part 1: Numerical experiments
本文用直接数值模拟（DNS）方法研究了平面Couette流（PCF）斜层流-湍流带速度条纹中展向涡量的形成。展向涡量是由速度条纹的流向壁面正剪切层的卷起型发展产生的。它是由沿带状的大尺度气流平流输送的。我们提出了一个展向涡度的标准，检测这些事件，以进行系统的测量。除了流向和展向相关长度的辊，他们的平流速度进行了测量，并显示匹配的大规模流动沿带附近的湍流区。最后，我们讨论了涡量从层流区附近的带中射出与层流区大小之间的可能关系。
2014-12-08 physics.flu-dyn
Effective Drift Velocity from Turbulent Transport by Vorticity
我们强调的不同作用的涡度和应变的粗粒标量的运输在长度尺度大于$\ell$的小尺度（子尺度）湍流。出现在粗粒（分辨）标量/动量演化中的%子尺度通量/应力解释了小于粗粒化长度$\ell$的（子网格）尺度的影响。由于Eyink \cite{Eyink06a}，我们在多尺度梯度展开中使用第一项，当分区长度$\ell$是小于谱峰的任何尺度时，它与精确的子尺度物理表现出良好的相关性。我们发现，不像次尺度应变，它作为一个各向异性扩散/反扩散张量，次尺度涡的贡献仅仅是一个保守的对流的粗粒量的涡诱导的非发散速度，$\bv_*$，这是成比例的涡度的旋度。因此，粗粒量的物质（拉格朗日）平流不是由粗粒流速$\OL\bu_\ell$完成的，而是由有效速度$\OL\bu_\ell+\bv_*$完成的，其物理特性可以改进常用的LES模型。
2022-09-06 physics.flu-dyn
Coherent structure extraction in turbulent channel flow using boundary adapted wavelets
我们提出了一个各向同性的边界适应小波，这是正交的，并产生多分辨率分析的建设。我们分析了在摩擦雷诺数为395时计算的槽道湍流的直接数值模拟数据，并研究了相干涡的作用。涡量小波系数的离散化允许将流动分成两部分，相干涡量和非相干涡量。相干涡量是从它们的少数强小波系数重建的。相干部分的统计，即，能量谱和涡度拟能谱与总流量的统计量接近，而且非线性能量收支得到很好的保持。剩余的不相干部分，由大部分弱小波系数表示，对应于无结构，即，能量均匀分布的噪声样背景流。
2016-07-15 physics.flu-dyn
Study of the Turbulent/Non-turbulent Interface of Zero-Pressure-Gradient Turbulent Boundary Layer Using the Uniform Momentum Zone Concept
本文提出一种基于均匀动量区（UMZ）概念的无阈值方法，利用平面流向速度数据检测零压力梯度湍流边界层的湍流-非湍流界面（TNTI），揭示了界面的动力学特征及雷诺应力的非对称响应。
2025-05-29 physics.flu-dyn
Tetrahedron deformation and alignment of perceived vorticity and strain in a turbulent flow
我们描述的结构和动力学的湍流的尺度相关的感知速度梯度张量支持以下四个示踪剂，即流体粒子，最初形成一个正四面体。我们报告的结果，从实验中的冯卡门旋转水流和不可压缩的纳维-斯托克斯方程的数值模拟。我们分析了从耗散到积分尺度的大小为$r_0$的初始正四面体的应变张量和涡度的感知速率的统计和动力学。就像真实速度梯度一样，在任何时刻，感知涡度也优先与感知应变率的中间特征向量对齐。然而，在给定时间$t=0$处固定的感知应变率本征框架中，感知涡度随时间演变，以便与$t=0$处的最强本征方向对准。这也适用于真实的速度梯度。在较高雷诺数下的实验数据表明，在惯性范围内存在自相似区。特别地，感知到的涡度和应变的对齐的动态可以通过$t_0$重新缩放，当尺度$r_0$在惯性范围内时，流动的湍流时间尺度。对于较小的雷诺数，我们发现的动力学尺度依赖。
2013-01-14 physics.flu-dyn
Nonlocal generalization of the Chapman-Enskog method and hydrodynamic equations. Nonlocal vorticity transport in a turbulent medium
National Research Center “Kurchatov Institute,” Moscow, Russia（库尔恰托夫国家研究中心）；National Research Nuclear University MEPhI, Moscow, Russia（莫斯科国立核研究大学MEPhI）
该研究推广了广义查普曼-恩斯科格方法，推导了不可压缩介质的非局域涡量输运方程，确定了满足理查森t³定律的涡量载体速度分布函数，简化了切向间断与分离流的描述。
2026-10-14 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Vorticity Statistics and the Time Scales of Turbulent Strain
湍流应变活动的时间尺度，表示为第一和第二阶的应变持续时间，从时间依赖的期望值和关联函数的拉格朗日应变率特征值采取特别定义的统计合奏。考虑到直接的数值模拟数据，我们的方法依赖于启发式闭合假设，使我们能够建立涡度和应变的统计之间的联系。事实证明，软发散的前因子校正通常的“1/s”应变时间尺度估计的标准湍流现象，在某种程度上是一致的涡度不稳定的现象。
2013-06-29 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Non-local amplification of intense vorticity in turbulent flows
涡量和应变率的非线性和非局部耦合是理解湍流中速度梯度自放大现象的主要障碍。利用高分辨率的直接数值模拟的各向同性湍流的周期性域的$12288^3$网格点，泰勒尺度雷诺数$R_λ$的范围$140-1300$，我们调查这种非局部性的应变率张量分解成本地和非本地的贡献，通过Biot-Savart积分的涡度在一个球的半径$R$。我们发现，涡量主要是放大的非本地应变未来超过一个特征尺度的大小，这是一个简单的幂律涡量大小的变化。基本动力学优先将涡度与非局部应变的最广泛特征向量对齐。剩余的局部应变使涡度与中间本征向量对齐，对放大没有显著的贡献;相反，它令人惊讶地衰减了强烈的涡度，导致观察到的幂律崩溃，最终也破坏了涡度放大的标度不变性，这对当时的不稳定性理论具有重要意义。
2021-10-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Extreme vorticity events in turbulent Rayleigh-Bénard convection from stereoscopic measurements and reservoir computing
利用体视粒子图像速度场（PIV）技术对空气中瑞利-贝纳德对流湍流体区的离面涡量分量$ω_z$的高幅值事件进行了分析。瑞利数${\rm Ra}$从$1.7 \times 10^4$到$5.1 \times 10^5$不等。实验研究与$ω_z$和个体速度导数$\partial u_i/\partial x_j$的长期时间序列的综合统计分析有关。一个统计收敛导数矩的顺序为6证明。在相同的参数范围内，我们的结果与已有的高分辨率直接数值模拟结果吻合得很好，包括出现在相应概率密度函数远指数尾的极端涡度事件。实验证实了对流中速度导数统计量从高斯分布到非高斯分布的转变。实验数据被用来训练水库计算模型，递归神经网络的一个实现，再现高度间歇性的实验时间序列的涡度，从而重建极端的平面外涡度事件。在使用高分辨率PIV数据训练模型之后，机器学习模型在重建阶段使用稀疏种子、连续可用且不可见的测量数据运行。重建质量的部分观测的稀疏性的依赖性也被记录。我们的后者的结果铺平了道路，机器学习-辅助实验分析的小尺度湍流的时间序列缺失的速度导数可以提供生成算法。
2022-03-14 physics.flu-dyn
Spatial extreme values of vorticity and velocity gradients in two-dimensional turbulent flows
本文研究了Kolmogorov强迫下二维湍流的涡量空间极值分布和应变率张量的行列式。这些量的分布遵循非高斯行为，它们不属于广义极值分布。结果表明，对于截断的欧拉方程，涡量和应变率张量的空间极值可以很好地用Gumbel分布描述。涡量的空间极值被发现是在涡的核心，而速度梯度被发现在涡的边缘附近或在涡之间的区域中的剪切层。速度梯度的时间相关性揭示了湍流和截断欧拉方程的极值分布。
2023-01-24 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
On the transport equation for probability density functions of turbulent vorticity fields
选取湍流的涡度随机场作为描述湍流的主要动力学变量，得到了涡度场概率密度函数的演化方程。该PDF演化方程是一个仅依赖于底层湍流的条件平均（一阶）的二阶混合型偏微分方程（PDE），这与依赖于二次统计的Reynolds平均流方程不同。因此，新的PDF PDE可以提供新的封闭方案的基础上的条件线性统计量，其中一些将在本文中进行描述。
2021-12-01 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Vorticity cascade and turbulent drag in wall-bounded flows: plane Poiseuille flow
本研究利用 $Re_τ=1000$ 湍流通道流模拟数据，揭示了由非线性平流和拉伸引起的展向涡量级联机制，发现逆梯度输运由脱壁薄饼状U型涡主导，顺梯度由附壁发夹D型涡主导，并探讨了附壁涡模型修正及减阻启示。
2023-09-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Generation of a large-scale vorticity in a fast rotating density stratified turbulence or turbulent convection
在滞弹性近似下，我们发现了一种不稳定性，这种不稳定性会导致在快速旋转的小尺度湍流或湍流对流中产生大尺度涡量，并且沿旋转轴具有非均匀流体密度。大尺度不稳定导致两种模态的激发：（i）以垂直涡度为主的模态，其平均速度与垂直坐标无关;（ii）以水平涡度为主的模态，其平均动量与垂直坐标无关。在快速旋转的密度分层流体动力学湍流或湍流对流中，可以激发出以垂直涡量为主的模态。对于这种模式，平均熵在气旋性涡旋内部耗尽，而在反气旋性涡旋内部增强。只有在快速旋转的密度分层湍流对流中才能激发出以水平涡为主的模态。发展的理论可能与解释在大行星中观察到的巨大风暴的大斑点的起源有关，例如，木星的大红斑和土星的大斑点。它也可能有助于解释快速旋转的晚型恒星中高纬度斑点的起源。
2019-11-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Nonlocal Form of the Rapid Pressure-Strain Correlation in Turbulent Flows
本文给出了湍流快速压力-应变关联中非局部效应的一个新的基本公式。由此产生的显式形式的快速压力-应变相关帐户的平均流速梯度的空间变化所产生的非局部效应，并通过泰勒展开的平均速度梯度出现在快速压力-应变相关的精确积分关系。在由此产生的系列扩展的积分解决高和低雷诺数形式的纵向关联函数$f(r)$，和由此产生的非局部快速压力-应变相关表示为一个无穷级数的平均应变率张量的拉普拉斯算子。新的配方是用来获得一个非局部传输方程的湍流各向异性，预计将提供更好的预测的各向异性在强烈的非均匀流动。
2009-06-15 physics.flu-dyn
Lighthill's mechanism and vorticity cascade in the logarithmic layer of wall turbulence
本研究通过高雷诺数槽道流数据验证了Lighthill关于近壁涡量集中的机制，并证实对数层涡量输运为级联过程，其中发卡涡与披肩涡各贡献一半。
2025-09-09 physics.flu-dyn
Formation of spanwise vorticity in oblique turbulent bands of transitional plane Couette flow, part 2: modelling and stability analysis
本文模拟了转捩面库埃特流斜带和斜斑的紊流条纹中展向涡量的形成。设计了一个功能模型来模拟条纹中的相干流。模型的控制参数是从直接数值模拟（DNS）的统计数据中提取的。雷诺应力的建议，以研究这种额外的力维持基流的不稳定性的影响。局部（准平行）的时间稳定性分析，该模式进行调查的展向涡量的线性发展。结果表明，平均剖面，即使他们有一个拐点，是稳定的：剪切层内的速度条纹是负责涡度的形成。重点放在对流或绝对性质的不稳定性，这取决于在带中的位置。这表明，在完全湍流和层流之间的区域中发生了从对流到绝对不稳定的转变。最不稳定的模式的群速度比较好的展向涡度在DNS测量的平流速度。通过对一个典型带的全局（非平行）稳定性分析，完成了这项研究。最后，根据这些结果讨论了剪切流局部低雷诺数湍流维持的可能周期。
2015-11-18 nlin.PS physics.flu-dyn
Turbulent Flow in Pipes and Channels as Cross-Stream "Inverse Cascades" of Vorticity
管道和通道中的压力驱动湍流的一个常见观点是流向壁面粘性层的动量的“级联”。在本文中，我们提出了另一种图片，这些流动的展向涡量的“逆级联”，在横流方向，但远离粘性子层。我们表明，有一个恒定的空间通量展向涡量，由于涡量守恒，这个通量是必要的，以产生压降和能量耗散。涡量运输被证明是占主导地位的粘性扩散的距离比峰值雷诺应力更接近壁，以及到经典的日志层。Perry-Chong模型基于“代表性”发夹/马蹄涡预测了整个对数层上湍流涡度通量的单一符号，而实际通量必须在最大应力位置改变符号。符号反转可以通过假设对于大于发夹长度尺度的壁法线距离，汤森“涡流强度函数”的缓慢幂律衰减来实现。这里呈现的涡旋级联图像与量子超流体和超导体理论中的量子涡旋线的“相位滑移”非常相似。因此，我们的大多数结果也适用于管道和通道中的超流湍流。并从这一角度讨论了减阻问题。
2008-09-16 cond-mat.supr-con physics.flu-dyn
Lagrangian Vorticity and Velocity Measurements in Turbulent Jets
本文报道了在大雷诺数范围内湍流射流涡量场空间傅立叶模式的各种统计特性的实验研究（$530 \leq R_λ \leq 6100$）。涡度分布的空间傅立叶模式的连续时间演化，其特征在于由一个定义良好的波矢量，从声散射测量。空间拟能谱作为空间波矢量的函数，通过扫描进入的声音频率来确定。湍流涡度波动的时频分析也进行了不同的长度尺度的流动。涡量时间相关表明，傅立叶模态的特征时间表现为扫掠时间。最后，我们报告了初步的拉格朗日速度测量使用声散射肥皂泡膨胀与氦。在散射体积中收集非常大数量（$\geq 13~10^{6}$）的孤立气泡的通道，能够计算拉格朗日速度PDF和速度谱。尽管由于气泡的有限尺寸的空间滤波，后者表现出的幂律与-2指数预测的Komogorov理论，超过十年的频率。
2003-05-31 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech nlin.CD
Rotating Turbulent Thermal Convection and Solar Differential Rotation
旋转流体的膨胀将改变膨胀区域的涡量和转速。在湍流热对流中，这种微观效应得以保留。对流体胶束的跟踪表明，平均涡量随密度变化，产生从低密度区到高密度区的涡量输运和角动量输运，形成宏观涡量差和转速差。取太阳极区的轴向热对流模型，可以产生轴向差旋转，轴向差旋转产生的离心力差驱动纬向环流，将角动量输离旋转轴，形成纬向差旋转。流体胞的旋转产生额外的压力并改变对流准则。太阳对流层的温度梯度比非旋转流体模型中的温度梯度大，是太阳差动旋转的能量来源。
2023-01-01 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Dynamical Eigenfunction Decomposition of Turbulent Pipe Flow
基于Karhunen-Lo`eve分解的湍流管流的分析结果。湍流流动是由纳维-斯托克斯方程的直接数值模拟产生的，采用谱元算法，雷诺数Re_τ=150。这个模拟产生了一组基函数，在2,453个模式之后捕获了90%的能量。根据波数和相干涡度结构，将本征函数分为两类和六个亚类。总能量的81%是在传播类，其特征在于恒定的相速度;其余的能量是在非传播子类，剪切和滚动模式。传播模式的四个子类是壁模式、提升模式、不对称模式和环模式。壁模式显示相干涡结构附近的墙壁，电梯模式显示相干涡结构，电梯远离墙壁，非对称模式打破对称轴，和环模式显示环相干涡。传播模式一起形成一个波包，如从圆形法向速度轨迹所发现的。流动中的能量传递机制是一个四步过程。该过程开始于能量从平均流转移到剪切模态，然后转移到滚转模态。然后能量从滚转模态转移到壁面模态，然后最终转移到升力模态。环和不对称模式作为催化剂，有助于这四步能量转移。从物理上讲，这种机制显示了流动中的能量如何从壁开始，然后传播到外层。
2007-01-10 physics.flu-dyn
Spatially evolving vortex-gas turbulent free shear layers: Part 2. Coherent structure dynamics in vorticity and concentration fields
本文研究了在不同速度比参数λ= $(U_1-U_2)/(U_1+U_2)$的情况下，空间发展的湍流自由剪切层中相干结构相互作用的机制，其中$U_1$和$U_2 (\leq U_1)$是自由流在剪切层两侧的速度。该研究采用了第一部分（arXiv：1509.00603）中提出的点涡（或涡气）模型，该模型预测的扩散率与大多数高雷诺数实验和3D模拟的结果接近。目前的（2D）模拟表明，在λ< 0.63时，在几乎相同大小的相邻结构之间的众所周知的急剧增长合并事件（Brown & Roshko 1974）占总增长的70%以上。然而，随着λ的增大，这种“硬合并”事件的相对贡献逐渐减小，在单流极限（λ = 1）下，仅占总增长的27%。结果表明，其余的贡献层生长很大程度上是由于相邻的结构之间的尺寸的差异，随着λ从0.6增加到1.0，并通过两个不同的路线发生。第一种是通过所谓的“软”合并发生的，包括随着时间的推移从明显较小的（通常是上游）结构中提取涡量的小片或细丝。这与早期关于非对称双涡合并的计算工作（Yasuda & Flierl，1995）是一致的。第二条途径涉及到无组织的“涡旋尘埃”的同化，其中包含尚未转移到幸存者的破坏早期结构的残余物。这些过程的组合显示出在λ = 1时，随着下游距离的增加，结构尺寸明显地几乎连续增加，这是D 'Ovidio & Coats（2013）报道的类型，并归因于混合转变…
2015-11-18 physics.flu-dyn
Vortex Identification from Local Properties of the Vorticity Field
人们已经广泛地认识到，通常基于速度梯度张量的线性代数性质的涡流检测算法可能受到严重缺点的困扰，并且在实践中可能变得依赖于其实现中的主观阈值参数的选择。在二维空间中，一大类标准的涡识别公式被证明与“旋转强度准则”（$λ_{ci}$ -准则）是等价的，在本工作中，对该准则进行了严格的重新审视。我们分类的情况下，$λ_{ci}$ -标准的准确性受到非线性叠加效应的影响，并提出了一种替代的涡检测方案的基础上的涡度图$(x,y,ω)$ -“涡度曲率标准”（$λ_ω$ -标准）-这提高了与$λ_{ci}$ -标准在受控的蒙特卡罗试验中获得的结果。我们表明，$λ_ω$ -标准是能够应付强剪切效应，如果减去的平均速度场的背景进行，在雷诺分解过程的精神。一个现实的比较研究，然后进行了涡流识别的直接数值模拟（DNS）的湍流通道流，包括三维扩展的$λ_ω$标准。与$λ_{ci}$ -判据相反，$λ_ω$ -判据以一致的方式表明对数层中存在小尺度各向同性湍流波动，这与湍流边界层现象学中通常采用的长期假设一致。
2017-01-17 physics.flu-dyn
Assimilation of nearly turbulent Rayleigh-Bénard flow through vorticity or local circulation measurements: a computational study
University of Virginia（弗吉尼亚大学）；University of Massachusetts, Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）；Indiana University（印第安纳大学）；Texas A&M University（德克萨斯农工大学）；Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
本文提出一种连续数据同化算法，用于仅使用涡度或局部环流测量的二维 Bénard 对流问题。算法通过在涡度方程中加入阻尼项来约束模型，数值结果表明当仅使用空间粗粒测量涡度时，算法的近似解收敛于未知参考解。
2017-09-07 cs.NA math.AP math.NA
Extraction of coherent structures in a rotating turbulent flow experiment
利用离散小波包变换（DWPT）和离散小波变换（DWT）提取和研究了湍流旋转流体中相干结构的动力学特性。三维（3D）湍流是通过旋转罐（48.4 cm高，39.4 cm直径）底部的管进行强泵送产生的。该流动随着罐中高度的增加而朝向二维（2D）湍流发展。准二维流动的粒子图像测速技术（PIV）测量揭示了许多长寿命的相干涡的尺寸范围很广。涡量场表现为涡的诞生、合并、散射和破坏。通过对涡度场的DWPT和DWT系数进行阈值化处理，将流分离成低熵的“相干”和高熵的"非相干“分量。类似的阈值使用傅立叶变换和JPEG压缩连同Okubo-Weiss标准也进行了测试进行比较。我们发现，DWPT和DWT产生类似的结果，更有效地代表总流量比基于傅立叶的方法。只有约3%的大振幅系数的DWPT和DWT是必要的，以代表相干分量，并保持涡度概率密度函数，传输特性，空间和时间的相关性。其余的小振幅系数表示非相干分量，其具有接近高斯涡度PDF，不包含相干结构，在时间上迅速失去相关性，并且对流的输运性质没有显著贡献。这表明可以使用相对少量的小波或小波包模式来描述和模拟这种湍流。
2005-03-09 physics.flu-dyn
Vortex boundaries as barriers to diffusive vorticity transport in two-dimensional flows
本文提出了将平面流动中的涡边界定义为涡量扩散输运的封闭物质屏障的思想。当与其他附近的材料曲线相比时，这种扩散涡流边界使来自它们包围的流体质量的涡流泄漏最小化。被动扩散障碍的最新成果的基础上，我们开发了一种算法，从一般的，二维非定常流数据的自动识别等结构。作为例子，我们确定涡边界涡扩散障碍在两个流动：一个明确已知的层流和数值生成的湍流Navier-Stokes流。
2019-10-16 physics.flu-dyn
On the structure of Vorticity and Turbulence Fields in a separated flow around a finite wing; analysis using Direct Numerical Simulation
本文利用直接数值模拟（DNS）方法，研究了在$Re_c=10^4$和$10^{\circ}$迎角下，NACA 0018有限长方形翼尖机翼周围涡量和湍流动能的空间分布和产生机理。分析的重点是高度不均匀的区域周围的尖端和近尾流，这个区域是高度卷积，强烈的三维，远离自相似。气流在靠近前缘处分离，在机翼中部周围形成一个大的开放式回流区。在翼尖附近，流动保持附着，但在靠近后缘处形成了另一个较小的回流区;该回流区强烈影响主翼翼尖涡的发展。对前缘附近三个涡的早期形成机制进行了阐述和讨论。更具体地说，我们分析了涡流拉伸/压缩和倾斜的作用，以及它如何影响每个涡流的强度，因为它接近后缘。我们发现，三维流动分离的尖锐的顶部接近前缘起着重要的作用，在随后的旋涡流动的发展吸力面。湍流动能和雷诺应力的生产也进行了研究和讨论，结合所确定的涡模式。维持涡度和湍流动能的机制的详细分析，提高了我们对这些高度三维，非平衡流的理解，并可以导致更好的驱动方法来操纵这些流。
2022-05-17 physics.flu-dyn
How turbulent flows grow vorticity at a point
Courant Institute of Mathematical Sciences, New York University（纽约大学柯朗数学科学研究所）；Initiative for the Theoretical Sciences, The Graduate Center, CUNY（CUNY研究生院理论科学倡议）；Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
本研究通过解析与数值方法构造涡量瞬子，揭示湍流中强涡量增长机制：经典拉伸放大仅限阈值内，超阈值需涡量波碰撞，与OpenAI的有限时间爆破解机制相似。
2026-09-14 cond-mat.stat-mech math-ph math.AP
A model for alignment between microscopic rods and vorticity
数值模拟表明，悬浮在湍流中的微观棒状体倾向于与涡量矢量对齐，而不是与应变率张量的主导特征矢量对齐。本文研究了在各向同性随机速度场中对准模型的解析可解极限。涡量变化非常缓慢，各向同性随机流等效于具有关于涡量方向轴对称的统计的纯应变。我们分析了在一个弱波动的单轴应变场的对齐，作为一个函数的产品的应变弛豫时间$τ_{\rm s}$和角速度$ω$的涡轴。我们发现，当$ωτ_{\rm s}\gg 1$，杆主要是垂直或平行于涡。
2012-05-31 physics.flu-dyn
A DNS Study of entrainment in an axisymmetric turbulent jet as an episodic process
本研究是基于一个稳定的自我保存不可压缩的轴对称湍流射流在雷诺数为2400的DNS。DNS的数据，使外部无旋流场的准确地图，也涡度场的湍流核心的射流。发现有必要定义射流的两个独立边界。第一个是内边界（湍流/非湍流，T/NT），从那里涡量急剧上升的核心。第二个是旋转/无旋外边界，超过该边界的流动可以被认为是无旋的。外边界以外的速度场通常具有有序的、几乎无旋的环流运动。在较简单的情况下，这些涡量可以表示为湍流核心相干结构中的一个或多个涡量元素所引起的速度场。对轴向和径向截面的详细检查表明，有时会有大量环境流体涌入T/NT界面的部分区域，从而扭曲成既扭曲又深的海湾或井。这些井的截面在喷流的径向截面上常常表现为所谓的无旋流体湖。部分涌入的流体穿过井内的T/NT界面，并被夹带到湍流核心中，这一过程可以合理地称为蚕食。这种涌入过程的持续时间可以是高达20个流动单元的顺序，并表明夹带可以是一个情节的过程中，涌入事件加速周围的流体，即使它被推入一个狭窄的海湾，在那里它穿透T/NT接口的海湾蚕食。在湍流圆形射流中，卷吸猝发被发现是0.75的顺序，相当于在湍流边界层中发现的动量通量猝发。
2019-07-11 physics.flu-dyn
Nonlocality of the slip length operator for scalar and momentum transport in turbulent flow over superhydrophobic surfaces
本研究针对超疏水表面湍流的标量与动量输运，采用宏观强迫方法对比两种边界条件，发现有限尺寸纹理下均匀化滑移长度存在显著非局域性，并验证了其对雷诺平均解的重要影响。
2025-01-25 physics.flu-dyn
Statistical equilibria of two-dimensional turbulent flows for generic initial vorticity fields on a sphere, calculated on the basis of the original Miller-Robert-Sommeria theory
Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University（九州大学应用力学研究所）；Graduate School of Science, Kyoto University（京都大学理学研究科）
基于Miller-Robert-Sommeria理论，计算球面上一般初始涡量场的二维湍流统计平衡，得到四极结构，但未预测到集中涡旋的形成；加入行星涡量项后，统计平衡从四极态转变为纬向对称态。
2026-06-29 nlin.AO nlin.CD nlin.PS
Vorticity evolution in a rigid pipe of circular cross-section
在本文中，我们证明了不可压缩流在长圆管中的时空演化可以用涡量动力学来描述。求解的主要方法与求解全空间流动的方法相似。由于纳维-斯托克斯方程是在柱坐标系中考虑的，因此产生了两个方面的复杂性。一个是由于运动方程中的虚拟离心力，在径向和方位角方向上的速度分量的相互作用。管壁处的涡量产生率取决于入口处的初始数据，因此是先验未知的;它必须作为解的一部分来确定。得到的涡量解定义了一个复杂的多自由度流场。随着雷诺数的增加，解析解预测涡度尺度的增殖连续。对于足够大的初始数据，管流具有湍流的性质。控制方程的解是全局正则的，在空间和时间上都不分叉。指出层流-湍流转捩是一个与非线性密切相关的动力学过程。由于不完善的试验环境或有目的的人为强迫而引起的外生扰动的存在，会扭曲内在跃迁的过程。雷诺（1883）和其他人观察到的流动结构可以根据现有理论加以综合和阐明。
2019-01-09 physics.flu-dyn
Evolution of Rayleigh-Taylor turbulence under vorticity and strain-rate control
本研究通过针对高涡量或高应变率区域的优先流动控制和数值模拟，揭示小尺度结构对 RT 湍流统计、混合、各向异性及能量级串的关键作用。
2025-06-08 physics.flu-dyn
Non-linear vorticity upsurge in Burgers' flow
我们证明了Burgers方程的数值解可以通过小粘度（下至十亿分之一）的流体的尺度整体算法来获得。计算中选取了两组初始数据，分别模拟简单剪切层和壁面边界层。大多数的解决方案进行充分的湍流制度在精细分辨尺度的空间和时间。结果表明，剪切的时空突变是流动演化的重要组成部分。涡度激增是由瞬时涡度拟能产生的非线性引起的，而临时扰动在这一过程中不起作用。特别是，本方法预测的陡峭的涡度重新分布和积累，主要是在局部区域的微小尺寸。增长率取决于粘度，并且是初始数据的强函数。然而，长时间的能量衰减是与历史无关的，并且与时间成反比。我们的结果提供了直接的证据涡度扩散嵌入在运动方程。非线性强化是一个强有力的特征，并最终导致了在本征层流-紊流转捩上边界层剖面的剧烈连续（Schubauer和Klebanoff，1955）。湍流的动力学起始可以通过求解完全依赖于时间的纳维-斯托克斯方程来解密，该方程不包含不稳定阶段。
2018-12-19 physics.flu-dyn
Simulations of turbulence over compliant walls
对一刚性壁面和一粘弹性壁面通道内的湍流进行了直接数值模拟。采用Eulerian-Eulerian模型和水平集方法识别流体柔性材料界面。重点关注瑞利波在柔性材料中的传播，其速度取决于弹性剪切模量，其主波长取决于粘弹层的厚度。选择这些参数以确保柔顺表面和湍流之间的耦合。当瑞利波的相速度与近壁压力波动的平流速度相当时，涡量片在临界层附近被抬起并分离，并导致局部压力最小值。这些事件是由波谷附近的弯曲速度廓线引起的，并受弹性表面净涡度通量的控制。这种现象是理解的统计特性的流量，包括表面变形压力的相关性和增强的随机湍流剪切应力的中心。作用在流体上的压力在表面处是正的，这增加了湍流强度和壁面法向混合，而没有任何流向动量增益。最后，我们讨论了三维的表面地形上产生的流向涡，二次运动，和横向湍流输送的影响。
2021-11-01 physics.flu-dyn
Stochastically generated turbulence with improved kinematic properties
我们提出了一个随机湍流发生器的基础上的涡量制定所产生的湍流场隐含地满足不可压缩流的运动学约束。该发生器允许直接访问湍流速度和涡度场。强制执行附加约束，如无发散涡量场和流场的特定可微性，也可以直接在此公式中实现。由此产生的湍流场包含改进的运动学特性，并可以导入到数值模拟中，而没有过多的能量损失。
2017-02-07 math-ph math.MP physics.flu-dyn
A Nonlocal Spectral Transfer Model and New Scaling Law for Scalar Turbulence
在这项研究中，我们重新审视了被动标量传输（大尺度各向异性强迫下）的湍流强度的光谱传输模型，并提出了标量方差级联的标度的后续修改。从修改后的光谱传输模型，我们得到了一个修正的标量传输模型，使用分数阶拉普拉斯算子，有利于强大的包容性的非局部效应起源于大规模的各向异性转移跨越众多的尺度在湍流级联。我们提供了一个$\textit{a priori}$估计的非局部模型的基础上的标度谱分析，并随后通过直接数值模拟检验我们开发的模型。我们提出了一个详细的分析演变的标量方差，高阶统计量的标量梯度，和重要的两点统计度量的湍流输运的非局部模型和它的标准版本之间进行全面的比较。最后，我们提出了一个分析，无缝调和的相似性之间的开发模型与分数阶亚网格尺度标量通量模型的大涡模拟（Akhavan-Safaei等，2021）时，过滤尺度接近耗散尺度的湍流输送。为了完成这项任务，我们采用高斯过程回归模型来预测分数阶次网格模型的模型系数。
2021-11-12 physics.flu-dyn
Vorticity dynamics and drag for flows over a sphere and a prolate spheroid
本文利用Josephson-Anderson关系研究球体和长椭球体绕流中涡量输运与阻力的联系，揭示边界层分离、尾流湍流输运及二次分离机制对阻力的贡献。
2025-07-12 physics.flu-dyn
Nonlocal model for the turbulent fluxes due to thermal convection in rectilinear shearing flow
我们沿着Gough（1977）提出的路线重新讨论了湍流热对流的唯象描述，在该路线中，涡旋仅仅通过从不稳定分层的平均态中提取能量而增长，随后被内部剪切不稳定性破坏。这项工作是正在进行的调查的一部分，寻找一个程序来计算湍流通量的热量和动量的剪切背景流的存在下，在恒星。
2011-11-30 astro-ph.SR physics.flu-dyn
A data-driven dynamic nonlocal subgrid-scale model for turbulent flows
发展了一种新的自治动力学非局部湍流模型，用于均质各向同性湍流（HIT）的大涡和大涡模拟（LES，VLES）。该模型是基于一个广义（整数到非整数）阶拉普拉斯滤波速度场，和一个新的动态模型已制定，以避免需要调整模型常数。引入了三种数据驱动的方法来确定分数阶，以具有完全不含任何调谐参数的模型。我们的分析包括$\textit{a priori}$和$\textit{a posteriori}$测试。在前一个测试中，使用来自直接数值模拟（DNS）的高保真度和良好分辨率的数据集，我们计算了亚网格尺度（SGS）应力张量的应力分量的相关系数和我们直接从DNS结果中得到的应力分量的相关系数。此外，我们比较了不同的过滤器尺寸的整体平均SGS力的概率密度函数。在后者中，我们采用了我们的新模型以及其他传统模型，包括静态和动态Smagorinsky到我们的伪谱求解器，并测试了最终的预测量。新开发的模型的结果表现出与地面实况DNS结果在SGS应力和力的所有组件的表达协议。此外，该模型在VLES区域以及LES区域中表现出有希望的结果，这对于具有成本效益的非局部湍流建模（例如，在气象和环境应用中。
2021-11-24 physics.flu-dyn
Energy transfer from large to small scales in turbulence by multi-scale nonlinear strain and vorticity interactions
湍流的一个内在特征是由于大尺度激励快速产生小尺度运动而导致的混合和动能耗散的速率增强。动能从大尺度向小尺度的转移通常归因于应变率对涡量的拉伸，但应变自放大也起作用。以前对这种联系的处理是现象学的或不精确的，或者不能区分涡度拉伸和应变自放大的贡献。在本文中，一个精确的关系推导出定量建立直观的多尺度机制，如涡量拉伸和应变自放大一起致动湍流中的能量的尺度间转移。数值结果验证了这一结果，并用它来证明，应变自放大的能量传递的贡献是高于涡量拉伸，但不是压倒性的。
2019-12-01 physics.flu-dyn
Flow reversals in turbulent convection via vortex reconnections
我们采用详细的数值模拟，探讨在二维湍流对流的流动逆转的机制。我们发现，逆转发生通过涡重联的两个吸引角辊具有相同的符号的涡，从而导致重大重组的流动。由于这种流动重新配置，在反向过程中观察到热传输的大波动。利用大尺度模态定量分析了反转过程中的流动形态。使用这些工具，我们还表明了为什么流动逆转发生在有限范围内的瑞利和普兰特数。
2012-07-18 physics.flu-dyn
Alignment of vorticity and rods with Lagrangian fluid stretching in turbulence
连续介质力学中的拉伸自然是用柯西-格林应变张量来描述的。这些张量量化了材料元素所经历的拉格朗日拉伸，并提供了一种强有力的方法来研究湍流流体流动中涉及拉伸的过程，如涡旋拉伸和各向异性颗粒的排列。从各向同性湍流的模拟分析数据，我们观察到各向异性粒子和涡量之间的优先对齐。我们表明，这种对齐的出现，因为这两个量独立地倾向于与最强的拉格朗日拉伸方向，定义的左柯西-格林应变张量的最大特征向量。特别是，各向异性颗粒接近几乎完美的排列与最强的拉伸方向。涡度与拉伸的对齐较弱，但仍然比以前观察到的涡度与欧拉应变率张量的本征向量的对齐强得多。强涡度的排列几乎与经历相同拉伸的杆的排列相同。
2013-11-04 physics.flu-dyn
Flamelet Connection to Turbulence Kinetic Energy Dissipation Rate
University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）
本文提出将湍流动能耗散率ε用于闭合子网格非预混火焰let模型，通过关联湍流非预混燃烧的物理过程，提升燃烧计算的准确性。
2025-11-20 physics.flu-dyn
No evidence of vorticity production from irrotational turbulent gravitational collapse yet
Nordita, KTH Royal Institute of Technology and Stockholm University（诺迪塔，皇家理工学院和斯德哥尔摩大学）；The Oskar Klein Centre, Department of Astronomy, Stockholm University（奥斯卡·克莱因中心，天文学系，斯德哥尔摩大学）；McWilliams Center for Cosmology & Department of Physics, Carnegie Mellon University（麦克威廉斯宇宙学中心与物理系，卡内基梅隆大学）；School of Natural Sciences and Medicine, Ilia State University（自然科学与医学院，伊利亚州立大学）；Scuola Normale Superiore（比萨高等师范学院）；Argelander-Institut für Astronomie, Universität Bonn（阿尔根德天文学研究所，波恩大学）
通过数值模拟研究引力坍缩中涡量的产生效率，发现涡量仅来自初始无旋湍流而非坍缩流，不支持小尺度发电机所需的涡旋湍流。
2026-10-30 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.flu-dyn
Helicity of mean and turbulent flow with coherent structures in Rayleigh-Benard convective cell
本文研究了具有加热底壁和冷却顶壁的Rayleigh-Benard矩形对流单体中具有大尺度环流的湍流空气流动。在大部分流动中，主卷的平均水平速度和涡环的平均涡量几乎是一致的。平均气流的螺旋度很高，是湍流螺旋度的来源。由于平均流动和湍流的螺旋度都很大，Rayleigh-Benard对流单体中的流动非常适合于研究螺旋湍流的性质。
2013-12-04 physics.flu-dyn
Exploring the turbulent velocity gradients at different scales from the perspective of the strain-rate eigenframe
在应变率本征框架中表达过滤速度梯度张量（FVGT）的演化方程提供了一种有见地的方式来解开和理解各种过程，如应变自放大，涡拉伸和倾斜，并考虑它们在不同尺度下的流动特性。利用强迫纳维-斯托克斯方程的直接数值模拟（DNS）数据，通过统计分析，研究了FVGT本征框架方程中局部项和非局部项在不同尺度下的相对重要性。驱动涡度倾斜的本征架旋转率的分析表明，各向异性压力Hessian起着关键作用，亚网格应力在耗散范围外做出重要贡献，而涡度引起的局部旋转做出的贡献要小得多。结果还表明，涡度倾斜项即使在较大尺度上也具有很强的间歇性。我们推导出一个推广的Lumley三角形，使我们能够表明，压力Hessian有一个偏好的两个组件的轴对称配置在小尺度，过渡到一个更各向同性的状态在较大的尺度。考虑了子网格应力与特征框架方程中其他项之间的相关性，突出了子网格与非线性放大项之间的耦合，子网格项在正则化系统中起着重要作用。这些结果提供了有用的指导方针，改进拉格朗日模型的FVGT，因为目前的模型未能捕捉到一些微妙的功能，我们的结果中观察到的。
2020-05-08 physics.flu-dyn
Clustering in laboratory and numerical turbulent swirling flows
我们研究的三维集群的速度停滞点，零的涡量和拉格朗日加速度，和惯性粒子在湍流在固定的雷诺数，但在不同的大规模流动的几何形状。为此，我们结合直接数值模拟均匀和各向同性湍流和泰勒-格林流，粒子跟踪测速在冯卡门实验。虽然流动有不同的拓扑结构（因为零粒子的聚集方式不同），但粒子的行为在所有情况下都是相似的，这表明泰勒尺度的中性浮力粒子聚集为惯性粒子。
2022-08-16 physics.flu-dyn
Machine-learning energy-preserving nonlocal closures for turbulent fluid flows and inertial tracers
我们制定了一个数据驱动的，物理约束的封闭方法的湍流流体流动的粗尺度数值模拟。我们的方法涉及一个封闭方案，这是非本地的空间和时间，即封闭项参数化的空间邻域的解决量，但他们的历史。数据驱动的计划补充了一个物理约束表示的非线性对流项的能量守恒属性。我们表明，通过这种物理约束不仅增加了封闭方案的精度，但也提高了制定的粗尺度模型的稳定性。我们证明了所提出的计划在流体流动组成的不可压缩的二维湍流射流。具体来说，我们首先开发一维粗尺度模型描述的空间分布的射流。然后，我们进行适当的二维粗尺度模型的湍流封闭的计算。训练数据通过高保真直接数值模拟（DNS）获得。我们还展示了如何开发的计划捕获与惯性示踪剂，如气泡和颗粒，所携带的流量，但不遵循流的浓度场的粗尺度特征。我们彻底研究了不同雷诺数的训练封闭模型的泛化特性，以及与训练阶段使用的射流剖面完全不同的射流剖面。我们还研究了鲁棒性的网格大小方面的派生闭包。总的来说，采用约束的结果是，一维闭包的平均改进为26%，二维闭包的平均改进为29%，对于未用于训练的流量来说，这一改进明显更大。
2021-02-15 physics.flu-dyn
1/f noise in turbulent flows
本文报道了在三种不同的湍流结构中对$1/f$涨落的实验观察：二维湍流驱动的大尺度速度，液钠湍流旋流产生的磁场和旋流中涡丝引起的压力涨落。对于这三个系统，$1/f$噪声示出的相干结构，显示少量的状态之间的过渡的动态。事件持续时间服从幂律分布。该幂律的指数和动力学的性质（对称状态或非对称状态之间的转变）选择$1/f$波动的指数。
2016-05-31 physics.flu-dyn
Energy transfer and vortex structures: Visualizing the incompressible turbulent energy cascade
动能从大尺度向小尺度的转移是湍流的一个标志。然而，一个精确的机械描述，这是预计将发生通过能量级联，仍然是失踪。已经提出了几种概念上简单的带有涡流管的构型，作为理解能量级联的试验场。在这里，我们专注于不可压缩流和比较的能量传递发生在一个统计稳定的均匀各向同性湍流（HIT）流与生成的细尺度运动的配置，涉及涡流管。首先，我们过滤的波数分布的频带中的速度场，这使我们能够研究傅立叶空间中的能量传递，也可视化的能量级联在真实的空间。在统计稳定的HIT流在中等雷诺数的情况下，我们的数值计算结果并没有显示任何显着的相关性区域之间的激烈的能量转移和涡度或应变，过滤在相应的波数带，也没有任何简单的自相似过程。相比之下，在瞬态湍流从两个反平行的涡流管之间的相互作用，我们观察到一个定性简单的组织的激烈的结构，以及能量传递。通过在两个强涡带中相互作用的涡核变平而导致涡重联的过程，也与HIT的物理性质不同。我们的研究结果表明，瞬态流的特定属性影响能量的传输方式，可能并不代表HIT。
2023-03-28 physics.flu-dyn
Experimental and numerical investigation on preferential alignment of Kolmogorov-size fibers in turbulent channel flow
TU Wien（维也纳工业大学）
研究湍流通道流中柯尔莫哥洛夫尺度纤维优先排列，通过实验测量与数值模拟相结合，利用时间分辨体积测量重建纤维轨迹及估计速度梯度张量，发现纤维优先与涡度方向排列，与模拟总体吻合良好，高雷诺数下有偏差。
2026-07-21 physics.flu-dyn
