Impact of Spanwise Rotation on Flow Separation and Recovery Behind a Bulge in Channel Flows
本文通过直接数值模拟研究展向旋转槽道流中凸起后方的流动分离，发现反气旋侧旋转减小分离、气旋侧旋转增大分离，并揭示平均动量亏损、Taylor-Görtler涡与发卡涡相互作用及近壁减速喷射机制是控制分离与恢复的关键。
2024-03-20 physics.flu-dyn
Dynamics and evolution of Turbulent Taylor rolls
在许多剪切和压力驱动的附壁湍流中，二次运动自发地发展，它们与主流的相互作用改变了整体的大尺度特征和传输特性。Taylor-Couette流动，即在以不同角速度旋转的两个同心圆柱体之间的间隙中发展的流体运动，也不例外，并且从流动的早期发展到完全湍流状态，已经观察到环形泰勒滚转。在这份手稿中，我们表明，在"泰勒辊“的通用名称下，有各种各样的结构，不同的涡度分布的核心，他们被驱动的方式和他们对平均流的影响。我们在高雷诺数的轧辊不离心不稳定性，但剪切和反气旋旋转的组合，表明它们被保存在极限的曲率消失，可以更好地理解为一个固定的周期，表现出类似的特性作为剪切流的自我维持的过程。通过分析计算域的大小的影响，我们表明，这种钉扎是不是一个产品的数值，和辊的位置是由一个随机过程的空间和时间的变化取决于域的大小。
2019-02-02 physics.flu-dyn
Hysteretic behavior between quasi-two-dimensional flow and three-dimensional flow in forced rotating turbulence
数值研究了强迫均匀旋转湍流中气旋性涡旋的形成与各向同性的矛盾。众所周知，系统的大旋转速率诱导柱状涡，从而导致准二维（Q2D）流动，而小旋转速率允许湍流是三维（3D）的。结果表明，在不同的转速下，均存在从Q2D湍流向3D湍流的转变和反向转变。在中等转速下，观察到这两个统计稳态的双稳态。对于外力的振幅的变化也观察到这种滞后行为。
2017-09-08 nlin.CD physics.flu-dyn
The Persistent Clock of Turbulent Thermal Convection
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
研究揭示湍流热对流中大尺度循环具有持续内部钟摆特性，通过实验发现其脉动速度与参数U/(lf)相关，表明喷流脱落动力学与流体拓扑结构存在直接联系。
2025-12-12 physics.flu-dyn
Rossby wave radiation by an eddy on a beta-plane: Experiments with laboratory altimetry
本文介绍了在具有地形β效应的旋转水槽中产生的涡（涡）的演变的实验室实验结果。利用高度成像测速仪测量了水面高程和流速场。实验是补充浅水数值模拟以及线性理论，描述了罗斯贝波辐射的旋涡。实验中观测到的气旋性涡旋向西北方向移动，并不断辐射出罗斯贝波。测量结果表明，最初的轴对称涡发展的偶极分量，使他们能够执行平移运动。涡旋西侧的纬向急流交替出现，这是由具有近似纬向波峰的罗斯贝波造成的。波数空间中流动的能谱表明，这里可以引入与Rhines为β平面上的湍流引入的波数类似的波数。波数基于涡流的平移速度，而不是基于湍流的均方根速度。实验和数值模拟的比较表明，发展中的旋涡也发射慣性波。虽然这些基本上是三维的波可以在测高数据中观察到，但它们在浅水模拟中没有考虑。
2015-07-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Turbulent cascade induced persistent current of cold atomic superfluids
二维环形玻色-爱因斯坦凝聚体中无序量子涡旋的耗散可以形成宏观的原子持续流动。我们提出了一个协议，以创建持久流与高缠绕数的基础上的双同心环形配置。我们发现，当凝析气的初始状态为随机分布的相同电荷的涡旋时，阱的突然几何猝灭将增强阱外环形区域的环流.所建立的环流具有高稳定性和良好的均匀性，不受拓扑激励的影响。我们的研究对于新的原子电子学设计具有重要意义，同时也有助于定量地理解量子隧穿和远离平衡态的相互作用量子系统。
2020-07-05 cond-mat.quant-gas nlin.CD physics.flu-dyn
Synchronization to big-data: nudging the Navier-Stokes equations for data assimilation of turbulent flows
轻推是一种重要的数据同化技术，其中部分场测量用于控制动力系统的演化和/或重建供应流的整个相空间配置。在这里，我们将其应用到流体动力学中最棘手的问题：三维均匀和各向同性湍流。通过进行数值实验，我们对该技术在提供给它的数据的数量和质量/类型方面重建流的大尺度和小尺度特征的效果进行了系统的评估。所使用的数据类型是：（i）固定数量的空间位置上的字段值（欧拉轻推），（ii）傅立叶系数的领域在一个固定的范围内的波数（傅立叶轻推），或（iii）字段值沿一组移动探头内的流动（拉格朗日轻推）。我们提出了国家的最先进的定量测量的规模由规模{ \it过渡到同步}和重建误差的概率分布函数的详细讨论，通过比较轻推字段和{ \it真相}逐点。此外，我们表明，对于更复杂的流动配置，如各向异性旋转湍流的情况下，气旋和反气旋结构的存在导致意外更好的性能的算法。我们讨论了潜在的进一步应用的推动一系列的应用流配置，包括在热瑞利-贝纳德对流和磁流体动力学（MHD）领域的重建问题，并确定最佳参数化的小尺度湍流建模。我们的研究确定了未来将微推应用于复杂湍流的标准要求。
2019-05-14 physics.ao-ph physics.data-an physics.flu-dyn
Boundary zonal flows in rapidly rotating turbulent thermal convection
最近，在Zhang et al.（2020）中，发现在细长圆柱形容器中的快速旋转湍流Rayleigh-Bénard对流（RBC）中，（直径与高度的纵横比为$Γ=1/2$），填充小普朗特数流体（$Pr \approx0.8$）时，大尺度环流（LSC）被抑制，边界纬向流（BZF）在侧壁附近发展，其特征在于温度的双峰PDF、气旋性流体运动和流型的反气旋漂移（相对于旋转框架）。对于$Pr < 1$，该BZF携带不成比例的总热传递量（$>60\%$），但对于较大的$Pr$，该BZF相当突然地减小至约$35\%$。在这项工作中，我们表明，BZF是强大的，并出现在快速旋转的湍流红细胞在不同的$Γ$的容器和广泛的$Pr$和$Ra$。对$0.1 \leq Pr \leq 12.3$、$10^7 \leq Ra \leq 5\times10^{9}$、$10^{5} \leq 1/Ek \leq 10^{7}$和$Γ$ = 1/3、1/2、3/4、1和2的直接数值模拟表明，BZF宽度$δ_0$与瑞利数$Ra$和埃克曼数$Ek$成比例，为$δ_0/H \sim Γ^{0} \Pr^{\{-1/4, 0\}} Ra^{1/4} Ek^{2/3}$（${Pr<1, Pr>1}$），漂移频率为$ω/Ω\sim Γ^{0} Pr^{-4/3} Ra Ek^{5/3}$，其中$H$是细胞高度，$Ω$是角旋转速率。…
2021-03-08 physics.flu-dyn
Tumbling of small axisymmetric particles in random and turbulent flows
本文分析了非球形轴对称小颗粒在随机流和湍流中的翻滚。我们计算的Kubo数的微扰展开方面的取向动力学，并获得在拉格朗日关联函数方面的翻滚率。这些捕获流体梯度的优先采样，这反过来又可以引起盘和杆的翻滚速率的差异。我们表明，这是一个弱的影响，在高斯随机流。但是在湍流中，高涡度的持续区域导致盘状物比杆状物翻滚得快得多，如在直接数值模拟中所观察到的那样[Parsa等人，物理修订信函109（2012）134501]。对于较大的粒子（在有限的斯托克斯数下），由于旋转焦散的形成，旋转和平移惯性会影响翻滚速率和粒子碰撞的角度。
2013-12-22 physics.flu-dyn
Altimetric measurements of rotating turbulence: cyclone-anticyclone asymmetry, inertial and Kelvin waves and spectral characteristics
本文介绍了旋转圆形容器内湍流的一系列新的实验结果。电磁力的作用是在恒定深度的流体层中诱导流动。研究了连续强迫流动和衰减流动。光学测高用于测量地面高度场的梯度，并获得具有高时间和空间分辨率的速度场和涡度场。流场的谱分析表明，尽管能量和涡度拟能的谱通量在这些区间内并不均匀，但仍形成了具有能量和涡度拟能区间的双重级联。能量间隔的特征在于波数的斜率约为-5/3，并且在范围上受到变形效应的有限半径的限制。在涡度拟能范围内，由于存在长寿命的相干涡，斜率比-3更陡。流场谱通量的空间分布表明，能量逆传递和涡度拟能正传递主要发生在拉长的涡度斑片中。在我们的流动中观察到有利于反气旋的气旋/反气旋不对称性。在湍流的衰减阶段，反气旋的优势最为明显。反气旋保持圆形，而气旋性涡度被拉伸成细长的斑块。测量结果表明，涡量分布的偏斜度随流动的佛劳德数的增大而增大。惯性波和开尔文波在我们的实验中被检测到，他们的特点进行了分析，对适当的频散关系。
2013-04-10 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Robust wall modes and their interplay with bulk turbulence in confined rotating Rayleigh-Bénard convection
本研究通过直接数值模拟证实受限旋转对流中湍流区鲁棒壁模态与起始临界壁模态的关联，发现体湍流对壁模态的阻碍作用及壁模态径向射流诱导的体区多极涡结构，明确了雷诺应力在侧壁纬向流生成中的作用。
2024-02-04 physics.flu-dyn
Enhanced azimuthal rotation of the large-scale flow through stochastic cessations in turbulent rotating convection with large Rossby numbers
本文给出了在前所未有的大Rossby数范围1<Ro<314内，湍流旋转对流大尺度环流（LSC）的方位角取向θ（t）和热振幅δ（t）的测量结果。θ（t）的结果表明，在整个Ro范围内，LSC流沿逆行方向持续旋转。对于10<Ro<70，旋转速度比保持恒定的0.13（${\pm}$ 0.01），但是当Ro>70时，旋转速度比开始随着Ro的增加而增加。我们确定的机制，通过它的平均逆行旋转速度可以增强随机cessations在弱科里奥利力的存在下，并表明，低维，随机模型提供了预测所观察到的大规模流动动力学和解释其逆行旋转。
2016-09-12 physics.flu-dyn
Forcing-dependent dynamics and emergence of helicity in rotating turbulence
通过数值模拟研究了大尺度机械力对旋转湍流动力学的影响，系统地改变了机械力的性质。我们表明，这些流量的统计稳定的解决方案取决于强制机制的性质。足够快的旋转流，其具有相对于旋转轴具有持续方向的力，从非螺旋状态分叉到螺旋状态，尽管力是非螺旋的。我们发现，在时间和螺旋度的出现的机械力的性质有直接的影响，这些流量的级联动力学，确定在流中的各向异性，在大尺度上的能量凝聚和幂律能谱是一致的，与以前的研究结果和现象下强，弱波湍流条件。
2016-01-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Particle drift in turbulent flows: the influence of local structure and inhomogeneity
颗粒与湍流结构相互作用的方式，特别是在高涡度和应变率的区域中，已经在均匀湍流的模拟和具有周期性或持续性结构的简单流中进行了研究，例如分离流和混合层。已经报道了在重力和扩散下沉降的影响，并且沿着颗粒轨迹的底层颗粒速度场的发散性（可压缩性）已经被认为是量化这些特征的重要量。本文展示了如何将这些功能可以在一个正式的方式到一个双流体模型的分散颗粒相。特别是PDF方程的粒子速度和位置的随机过程的基础上，涉及到的粒子速度和局部压缩性沿粒子轨迹的统计，推导出以前。PDF方程引起的漂移和颗粒扩散系数，取决于这些量与当地的载体流速的相关性的贡献。关键词：湍流结构，颗粒弥散，漂移，PDF方法
2012-05-25 physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulation of the Moist Stably Stratified Surface Layer: Turbulence and Fog Formation
我们调查的稳定分层的表面层上的冷凝和液态水负荷的影响，着眼于了解雾形成的湍流混合的影响。直接数值模拟（DNS）的干和湿明渠流进行，在这两个恒定的冷却率是在地面上应用，以模仿长波辐射冷却。取决于冷却速率，它可以导致湍流（弱稳定）或层流（非常稳定）。与完全干燥的情况相比，液态水在潮湿情况下的冷凝使得在导致湍流崩溃之前能够实现稍高的冷却速率。在非常稳定的情况下，失控冷却导致接近地面的液态水大量凝结，并在大部分区域产生雾（能见度小于1公里）。在弱稳定的情况下，湍流混合在类似的时间段内仅产生接近地面1公里的湍流。然而，尽管该系统的理想化的性质，目前的结果表明，湍流阻碍，虽然不一定会抑制，雾的形成。一个可能的机制内形成雾的湍流，其中增加的液态水含量的区域内形成的低速条纹的近壁循环。这些条纹在潮湿的情况下，由于减少了耗散的湍流动能相比，干燥的情况下，虽然在这两种情况下的条纹是不那么有活力和持久性比中性分层流。
2020-12-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Unstable magnetic reconnection self-generates turbulence
The University of Manchester（曼彻斯特大学）
本研究通过高分辨率模拟揭示了不稳定的磁重联如何自动生成湍流，并展示了湍流能量注入与非线性能量 cascade 的机制。
2026-02-24 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
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
Large Eddy Simulation of Flow Interactions Between a Turbulent Free-Stream and a Permeable Bed
包括覆盖可渗透床的湍流通道流的系统可以在各种工业和自然应用（例如，城市规划、水力压裂、水下植被）中找到。这一系统的一个重要实现是在河流底部，河流的地表水渗透沉积的沉积物，并与地下水交换其内容。获得这一过程的完整图像，称为潜流交换，对于理解和维护水质和河流生态非常重要。考虑到广泛的长度尺度（毫米到公里）和相应的时间尺度的兴趣，降阶的数值模型（如随机粒子跟踪，对流扩散方程）经常被用来研究在这个系统中的质量和动量的传输。然而，与表面/次表面混合相关联的许多尺度使得湍流标量输运的高保真度模型的发展成为一个艰巨的挑战。在努力捕捉在孔隙尺度上的传输行为，这项工作的重点是发展一个详细的，三维流动模型的大涡模拟（LES）的湍流在可渗透床。对计算网格、区域尺寸和湍流模型进行了严格的评估。同时，双平均方法被用来研究大规模的，持续的流动行为存在的时空异质性。据发现，最大的湍流尺度的准确分辨率是必要的，以开发一个完整的界面传输的图片，这些大的结构，感觉更深的床内。此外，还详细介绍了粒子跟踪软件模块的开发。该模块为从LES中提取拉格朗日色散信息提供了基础，这些信息最终将用于物理通知降阶模型。
2017-07-29 physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulation of Turbulent Heat Transfer Modulation in Micro-Dispersed Channel Flow
本文的目的是研究分散的微米尺寸的颗粒对湍流传热机制的影响，在有壁流动。当前研究的战略目标是建立一种方法来确定和设计新概念传热流体的尺寸，该传热流体的性质由基础流体的性质给出，该基础流体的性质由动态相互作用的、适当选择的、离散的微米和纳米颗粒的存在来调制。我们运行直接数值模拟（DNS）的流体动力学充分发展，热发展的湍流槽道流在剪切雷诺数Re=150和普朗特数Pr=3，我们跟踪两个大群的颗粒，其特征在于不同的惯性和热惯性。两个阶段的速度和温度统计的初步结果表明，相对于单相流，在壁的传热通量增加了约2%时，流动是充满了较小的颗粒，表现出相当持久的稳定性对非均匀分布和近壁浓度。当较大的颗粒分散到流动中时，观察到相反的趋势（轻微的传热通量降低）。这些结果与以前的实验结果是一致的，并在该领域目前的研究活动的框架进行了讨论。还概述了未来的发展。
2008-02-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Turbulence energetics in stably stratified geophysical flows: strong and weak mixing regimes
传统上，湍流能量学的特征在于湍流动能（TKE），并单独使用TKE预算方程建模。在稳定分层中，TKE由速度剪切产生，并通过粘性耗散和抵抗浮力而扩展。分层效应的特征在于浮力梯度与剪切力平方之比，称为理查森数，Ri。人们普遍认为，在Ri超过临界值Ric时，局部剪切不能维持湍流，并且流动变成层流。我们通过将能量分析扩展到湍流位能和总能量（TPE和TTE = TKE + TPE）来修正这一概念，考虑它们的预算方程，并得出结论，TTE是由剪切在任何分层中维持的保守参数。因此，不存在“能量Ric”，这与流体动力学不稳定性阈值Ric不稳定性相反，其典型值在0.25到1之间变化。我们证明，这个区间，0.25<Ri<1，分离两个不同的湍流制度：强混合和弱混合，而不是湍流和层流制度，作为经典的概念状态。这解释了Ri>>1时自由大气和深海湍流的持续发生，阐明了湍流边界层与自由流动的主要区别，为改进湍流闭合模式提供了依据。
2008-07-11 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Predator-prey plankton dynamics in turbulent wakes behind islands
浮游生物是水生生态系统的生产基础，在全球碳循环中发挥着重要作用。水动力条件对浮游生物物种生物活动的影响可以以各种不同的方式表现出来，对多尺度复杂流动的基本影响的理解似乎仍然不完整。在这里，我们考虑一个捕食者-被捕食者模型的浮游生物动力学存在的湍流过去一个理想化的岛屿，调查的条件下，观察到的藻华，以及由此产生的斑块的浮游生物分布。通过直接数值模拟，我们探讨了湍流强度和岛屿形状的作用。特别是，我们专注于人口方差谱，和它们的关系与统计特征的湍流，以及在空间分布的非线性物种和速度场持续结构之间的相关性。我们发现，平均生物量和当地浮游生物动态严重依赖于平流和生物时间尺度之间的关系，确认和扩展以前的结果在简单的流动设置。我们进一步提供的证据表明，在本系统中，由于当地的流动行动浮游生物积累在本地化的沉积区域。小湍流尺度被发现影响统计的浮游生物密度场在非常精细的尺度，但人口动态的主要全球功能只有弱依赖于雷诺数，也被发现是显着独立的几何细节的障碍。
2021-05-12 physics.bio-ph physics.flu-dyn
The Excess Dissipation of Energy in a Turbulent Boundary-Layer and its Departure from Log-Normality
SPEC, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay（SPEC, CEA, CNRS, 巴黎萨克雷大学）
利用PIV和扩散波谱测量研究冯·卡门流中的湍流耗散，比较整体和壁面动力学。发现壁面耗散有额外增长，与速度梯度主导标度有关，还推断了皮肤摩擦系数等，揭示对数正态行为不同起源。
2026-07-07 physics.flu-dyn
Exceeding the asymptotic limit of polymer drag reduction
通过加入少量高分子量聚合物，可以显著降低湍流的阻力。虽然减阻最初随着聚合物浓度增加，但它最终饱和到所谓的最大减阻（MDR）渐近线;这种渐近线通常归因于动力学被降低到轻微但持久的湍流运动状态。与这种公认的观点相反，我们将在下面说明，对于适当选择的参数，聚合物可以使阻力减小到超过建议的渐近极限，消除紊流，并让位于层流。然而，在较高的聚合物浓度的层流状态变得不稳定，导致在波动的流动与MDR渐近线的特征阻力。因此，渐近态在动力学上与普通湍流是不相干的。
2017-06-20 physics.flu-dyn
Stochastic model for the alignment and tumbling of rigid fibres in two-dimensional turbulent shear flow
由各向异性湍流输送的非球形颗粒优先与平均剪切对齐，并且当局部应变波动时间歇地翻滚。这种复杂的行为在这里研究的惯性，棒状颗粒嵌入在一个二维的湍流均匀剪切。一个拉格朗日随机模型的杆角动力学的介绍和比较直接数值模拟的结果。该模型包括在叠加一个短期相关的随机成分的稳定的大规模平均剪切，从而可以整合分析。为了重现数值获得的单次取向统计，它被发现，一个必须正确地考虑的平均剪切的综合效果，各向异性的速度梯度波动，并为持续旋转结构的存在下，在流中的偏置拉格朗日统计。然后，该模型用于解决两次统计。通过引入杆展开角的定态概率通量，将翻滚速率的概念推广到扩散动力学。该模型被发现重现的平均剪切的平均值和方差的纤维角增量的长期影响。然而，它并没有再现在中间时间的数值中观察到的复杂行为：展开角非常类似于具有显示中间幂律尾部的增量分布的Lévy行走。
2022-12-13 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Topography generation by melting and freezing in a turbulent shear flow
我们报告了一个理想化的数值研究的融化和冻结固体附近的湍流，浮力影响的剪切流，为了提高我们的理解地形生成的环境中的相变。我们使用相场法来动态耦合固体的热方程和流体的纳维-斯托克斯方程。本文研究了压力驱动的湍流上初始平坦水平固体边界的演化。我们假设一个线性状态方程的流体和改变的热膨胀系数的符号，这样的背景密度分层是稳定的，中性或不稳定的。我们发现，与平均流的方向对齐的通道是由流体-固体界面处的相变自发产生的。流体中的流向涡、界面形貌和固体中的温度场相互影响并调整，直到获得统计稳定状态。在所有情况下，通道的波峰到波谷振幅都大于约10 $δ_ν$，其中$δ_ν$是粘性长度尺度，但不稳定分层比中性或稳定分层大得多且更持久。这是因为稳定的分层使冷熔体流体漂浮，使得其屏蔽通道免于进一步熔化，而不稳定的分层使冷熔体流体下沉，通过上升的热羽流引起进一步熔化。流速和熔化速率的统计数据进行了研究，我们发现，在我们的模拟通道和龙骨出现不显着改变的平均阻力系数。
2020-10-09 physics.flu-dyn
Large-scale Vortices in Rapidly Rotating Rayleigh-Bénard Convection at Small Prandtl number
木星和土星大气层中的一个显著特征是大尺度涡旋的出现。然而，这些大尺度涡旋的维持机制仍不清楚。一种可能的机制是，这些大规模的旋涡是由旋转对流驱动的。在这里，我们提出了快速旋转的瑞利-贝纳德对流在小普朗特数$Pr=0.1$（接近木星和土星的湍流普朗特数）的数值模拟结果。在模拟过程中，我们发现了四种不同的流态：多个小涡、大尺度气旋和反气旋共存、大尺度气旋和湍流。大尺度涡的形成需要满足两个条件：垂直雷诺数大（$Re_{z}\ge 400$），Rossby数小（$Ro\leq 0.4$）。当$Ro$减小到小于0.4时，首先出现大尺度气旋。当$Ro$进一步减小到小于0.1时，出现了共存的大尺度反气旋。本文研究了快速旋转对流中的传热问题。结果表明，反气旋区的换热比气旋区的换热更有效。此外，我们还发现，随着旋转速率的增加，对流通量输送的2D效应增强，3D效应减弱。我们发现，纵横比的临界Rossby数的大尺度涡的出现有影响。我们的研究结果为理解气体巨星中大尺度涡旋的动力学提供了有益的见解。
2021-09-29 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Information Propagation in Predator-Prey Dynamics of Turbulent Plasma
The University of Osaka（大阪大学）；College of Industrial Technology, Nihon University（日本大学生产工学部）；National Institute for Fusion Science, National Institutes of National Sciences（国立研究開発法人核融合科学研究所）；The Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI（総合研究大学院大学）
该研究通过构建随机捕食者-猎物模型，揭示了湍流等离子体中信息从区流到湍流的传播机制，表明周期性振荡可能是准循环而非极限循环。
2026-01-23 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Turbulence organization and mean profile shapes in the stably stratified boundary layer: zones of uniform momentum and air temperature
本研究在稳定分层边界层中发现涡旋组织呈均匀动量区与温度区的阶梯状结构，其尺度变化解释了对数平均廓线的偏差，并关联了湍流普朗特数趋势。
2022-07-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Spectral analysis of attached and separated turbulent flows over a Gaussian-shaped bump
Imperial College London（帝国理工学院）；Technische Universität Berlin（柏林工业大学）
研究高斯突起上附着与分离湍流的宽频湍流动力学，通过实验与线性模型结合，揭示低频相干结构的起源，发现分离流中低频动力学更强，与三维零频模态不稳定性有关。
2026-03-06 physics.flu-dyn
Turbulence-assisted formation of bacterial cellulose
细菌纤维素是一类重要的生物材料，可以在良好控制的实验室和工业条件下生长。纤维素的结构受多种生物、化学和环境因素的影响，包括细菌悬浮液中的流体动力学流动。在这项工作中，我们探索了使用良好控制的湍流来控制细菌纤维素生产的可能性。导致流体元素随机运动的湍流可影响由细菌产生的细胞外聚合物基质的结构。在这里，我们表明，在空气-液体界面的二维湍流产生混乱的旋转在一个明确的尺度和随机的持续拉伸的流体元素。研究结果为通过控制湍流参数来实现细菌纤维素结构的工程化提供了新的途径。
2021-07-27 physics.app-ph physics.bio-ph physics.flu-dyn
The Unified Transition Stages in Linearly Stable Shear Flows
在中等流速下，管道和槽道流动可能发生突然转变为湍流，根据线性稳定性理论，这是一个意想不到的事件，并且一个多世纪以来一直是流体动力学中的一个开放问题。对平面Poiffille流进行了大量的数值模拟和统计分析。一个序列的过渡阶段，其中包括平衡局部湍流，时间持续湍流和均匀湍流，被确定。在中等雷诺数下，湍流带的扩展主要是由斜向扩展引起的，而在高雷诺数下，则是由湍流带的分裂引起的。湍流带的小尺度区域与平行于壁的平面中的平均流的倾斜涡旋区域一致。此外，这种过渡的情况下，定量显示是普遍的通道和管道流动的局部定义的雷诺数。
2017-10-06 physics.flu-dyn
Benchmarking Autoregressive Conditional Diffusion Models for Turbulent Flow Simulation
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
本研究构建含三种二维湍流场景的基准，测试基于条件扩散模型的自回归流体求解器，发现其在准确性和时间稳定性上优于多种成熟方法，且具备概率预测优势。
2024-12-11 cs.LG physics.flu-dyn
Three-dimensional turbulence effects on plankton dynamics behind an obstacle
本文研究了圆柱后二维和三维湍流尾流中浮游生物动力学的捕食-食饵模型，着重研究了携带速度场的三维特征对种群方差谱和空间分布的影响。通过直接数值模拟，我们发现生物动力学的定性行为与空间维度无关，这表明只有典型流动与生物时间尺度之间的关系才是观察持续水华的关键。同样，在这两种情况下，我们发现，光谱性质的的质子人口基本上是无法区分的惰性示踪剂。从二维和三维配置的比较所产生的主要差异涉及浮游生物密度场的局部空间分布。事实上，三维湍流动力学往往会破坏局部相干结构的二维流，其中的浮游植物物种主要集中，从而减少了系统中的浮游植物生物量。
2021-11-02 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Increasing lifetimes and the growing saddles of shear flow turbulence
在线性稳定的剪切流中，湍流以随雷诺数变化的特征寿命自发地衰减。寿命随雷诺数的增加而急剧增加，因此讨论了在临界点处可能出现的发散现象，这标志着向持续湍流的转变。我们提出了一种机制，其中的寿命增加：在系统的状态空间中，湍流运动是由一个混乱的鞍。在这个鞍形空间中，产生了一个局部吸引的周期轨道，并经历了一个传统的分岔序列，从而产生混沌。形成的新的“湍流气泡”最初是一个吸引子，支持持续的混沌动力学。在其创建后不久，它就与自己的边界发生碰撞，通过边界，它变得泄漏并与周围的结构动态连接。支持瞬态湍流的混沌鞍的复杂性因此通过并入新气泡的残余而增加。结果，轨迹离开鞍形物并衰减到层流状态所需的时间增加。我们证明了这一现象在平面Couette流，并表明，特征寿命随雷诺数的非光滑和非单调变化。
2013-10-31 nlin.CD physics.flu-dyn
Accelerating Galerkin Reduced-Order Models for Turbulent Flows with Tensor Decomposition
本文提出保持平流张量部分反对称性的 CP 分解加速 G-ROM，并通过二维至三维湍流实验证明其在速度、成本、稳定性和压缩率上优于标准 G-ROM 与 SVD-ROM。
2025-06-10 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Lagrangian Manifestation of Anomalies in Active Turbulence
我们表明，拉格朗日测量在活跃的湍流承担印记的湍流和异常的条纹流体动力学导致自我选择的持久的轨迹-利维走-扩散的。这种新兴的动力学异质性导致超扩散的第一通道分布，这可能导致生物学上有利的运动。然后，我们超越了单粒子的统计表明，对色散问题，以及，主动流与惯性湍流是不一致的。我们相信，我们的研究将很容易为实验提供信息，以确定各种活跃流中异常行为的普遍性程度。
2022-08-25 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
Jets and large-scale vortices in rotating Rayleigh-Bénard convection
湍流、快速旋转对流最显著的动力学特征之一是由小尺度对流产生的雷诺应力驱动的大尺度相干结构的形成。在球面几何中，这种结构由沿着旋转轴不变的强烈带状流组成。在平面几何中，长寿命的深度不变结构也会在大尺度上形成，但是，在没有水平各向异性的情况下，它们由增长到域尺寸的涡旋组成。在这项工作中，通过引入水平各向异性的平面旋转对流的数值模式，通过采用不等的水平箱尺寸（即$L_x \le L_y$，其中$xy$平面是水平的），我们调查是否单向流动和大尺度涡可以共存。我们发现，只有一个小的各向异性程度所需的持续大规模的旋涡为主的动态，以持续的单向流平行于最短的水平方向为主的动态带来的过渡。当各向异性足够大时，单向流由多个射流组成，在小于全局粘性时间尺度的时间尺度上产生，因此意味着高档能量传递不会自发地馈送系统中的最大可用模式。也就是说，多个喷射流在更长的时间尺度上合并。在喷流的侧面有系统地形成了大小与$L_x$相当的大尺度涡旋，这些涡旋可以是持续的，也可以是间歇性的。这表明，大尺度涡，无论是否与射流共存，是一个强大的动力学特征的平面旋转对流。
2017-11-08 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Anisotropic particles in two-dimensional convective turbulence
二维对流湍流中各向异性无惯性颗粒的取向动力学表现出规则与混沌共存的特征。我们用数值方法证明了非常细长的颗粒（杆）优先与流体流动的方向对齐，即，水平地靠近等温壁，并且在本体中主要垂直地。这种行为是由于存在一个持续的大规模环流结构，这导致强烈的剪切壁边界和上/下涌区域。近壁水平排列的杆坚持在增加瑞利数，而在散装的垂直方向逐渐减弱相应的湍流强度的增加。此外，我们发现，非常细长的颗粒几乎正交的温度梯度的方向，一个独立的系统维数的对齐，并成为精确的只有在无限普朗特数的限制。在靠近壁面的地方，粒子的翻滚速率非常剧烈，在那里粒子大致执行杰弗里轨道。这意味着球体的均方根近壁翻滚速率比杆强得多，高达$Ra\simeq 10^9$的$\mathcal{O}(10)$倍。在湍流中，情况相反，杆比各向同性颗粒的翻滚速度略快，这与早期在二维湍流中的观察结果一致。
2020-03-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Symmetry, Invariant Manifolds and Flow Reversals in Active Nematic Turbulence
University of Nebraska–Lincoln（内布拉斯加大学林肯分校）；Parsons Corporation（帕森斯公司）
该研究揭示了活性凝胶湍流中对称性主导的低维结构如何组织流反转，并通过不变子 manifold 的动态机制调控湍流行为。
2026-10-01 cond-mat.soft math.DS nlin.CD
Geometry, elasticity, and activity in the transport of self-propelled filaments in turbulence
International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research（国际理论科学中心，塔塔基础研究院）；Department of Physics, Indian Institute of Science（印度科学学院物理系）；Complex Fluids and Flows Unit, Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University（冲绳科学技术大学院大学复杂流体与流动单元）
通过珠-弹簧模型研究弹性活性细丝在二维湍流中的输运，发现推进几何决定涡旋捕获与输运行为，弹性与活性协同作用而非独立影响细丝动力学。
2026-05-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Extremes, intermittency and time reversibility of atmospheric turbulence at the cross-over from production to inertial scales
在从生产尺度到惯性尺度的交叉点上，实验研究了湍流动能和浮力的机械产生对空气温度和速度增量统计的影响。湍流动能的近似机械产生（或破坏）与浮力产生（或破坏）之比可用于形成无量纲稳定性参数$ζ$，该参数将大气状态分类为许多大气表面层研究中常见的状态。在这里，我们评估了$ζ$如何影响极端气温偏移概率的尺度演变，它们的不对称性和时间可逆性。该分析利用了在非常大的雷诺数$Re=u_* z/ν> 1\times 10^5$（$u_*$是摩擦速度，$ν$是空气的运动粘度）下，在草地表面上方$z$ =5 m处收集的高频速度和空气温度时间序列测量值。使用传统的高阶结构函数，温度表现出更大的不连续性和更广泛的多重分形相比，纵向速度分量，与实验室研究和模拟进行较低的$Re$。此外，偏离经典的Kolmogorov缩放的纵向速度被证明是合理的描述的She-Leveque涡丝模型，没有“可调”的参数，是独立的$ζ$。这项工作表明，外部边界条件，特别是显热通量的大小和符号，有显着的影响温度对流扩散动力学的惯性范围内。特别是，大气稳定性影响的积累和持久的不对称性和时间不可逆性观察到的惯性子范围尺度的前二十年。
2017-12-02 physics.flu-dyn
Order from chaos: Observation of large-scale flow from turbulence in a two-dimensional superfluid
远离平衡的相互作用系统趋向于演化到稳定状态，表现出大尺度结构和秩序。在二维湍流中，流体的看似随机的涡旋运动可以演变成持续的大尺度旋涡。Lars Onsager提出了一个基于量子化涡旋的统计力学的模型来解释这种行为。在这里，我们报告的第一个实验确认Onsager的湍流模型。我们拖曳网格障壁通过扁扁超流体玻色-爱因斯坦凝聚体来产生非平衡分布的涡旋。我们观察到一个反向的能量级联驱动的蒸发加热的旋涡，导致稳态配置的特点是负温度。我们的研究结果打开了一个途径，在相互作用的量子系统驱动远离平衡的涌现结构的定量研究。
2018-03-14 cond-mat.quant-gas physics.flu-dyn
Near-cancellation of up- and down-gradient momentum transport in forced magnetized shear-flow turbulence
粘阻磁流体动力学湍流，由一个二维不稳定的剪切层，保持由施加体力驱动，检查分解成初始配置文件的无耗散线性本征模。正如所料，向下梯度动量通量来源于大尺度不稳定性。然而，连续向上梯度动量运输的大规模线性稳定，但非线性激发本征模式被确定，并发现几乎取消不稳定模式的向下梯度运输。稳定模态通过将能量传递给平均流来消耗大尺度湍流波动，从而实现这一点。这建立了一种物理机制，该机制是长期已知的观察结果的基础，即由不稳定性的非线性饱和形成的相干涡旋减少了湍流传输和波动，因为这种涡旋由稳定和不稳定模式组成，它们的振幅几乎相等。然后量化了磁场对非线性激发稳定模式的影响。即使施加几乎完全抑制不稳定性的强磁场，稳定模式的向上梯度输运至少是不稳定模式的向下梯度输运的三分之二，而对于较弱的磁场，这一部分达到$98\%$。这些影响是持久的变化，磁普朗特数和强迫强度。最后，连续模式被证明是积极的不太重要，但必不可少的捕获的磁波动和麦克斯韦应力。一个简单的解析标度律推导出它们的饱和湍流振幅。它预测的下降率的傅立叶波数，这是在数值模拟中证实的属性的倒数。
2022-08-05 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.flu-dyn
Global drag reduction and local flow statistics in Taylor-Couette turbulence with dilute polymer additives
本文通过 Taylor-Couette 湍流实验研究稀聚合物减阻，发现 MDR 下减阻率仅约20%，原因是聚合物抑制湍流和近壁小尺度涡，却难以削弱主导输运的 Taylor 涡。
2024-12-05 physics.flu-dyn
Statistics of small scale vortex filaments in turbulence
我们研究了湍流中相干小尺度类相干结构的统计特性。为了及时跟踪这种复杂的空间结构，我们通过在流中注入轻粒子来整合拉格朗日和欧拉测量。我们发现，轻粒子优先集中在小的持久性高涡度（涡丝）的对流区域。我们测量吸引集的分形维数和两个粒子长时间不分离的概率。我们加强了信噪比，通过利用多粒子相关的粒子束的动力学。在这样做的时候，我们能够给出第一个定量估计的涡丝寿命，显示事件的存在，只要积分相关时间。这里介绍的同样的技术也可以用于实验，只要能够在高雷诺数条件下，在相对较长的时间内跟踪湍流中的气泡云，从而使现实湍流中小尺度涡量的动力学变得更加清晰。
2009-08-03 nlin.CD physics.flu-dyn
A Lagrangian fluctuation-dissipation relation for scalar turbulence, I. Flows with no bounding walls
标量耗散之间的精确关系推导出由于分子扩散和随机拉格朗日轨迹的流动无边界壁的随机性。这种“拉格朗日波动耗散关系”将被动或主动标量的标量耗散等同于与初始标量值和内部标量源相关联的标量输入的方差，因为这些标量输入由随机拉格朗日轨迹在时间上向后采样。作为一个重要的应用，我们重新考虑了“拉格朗日自发随机性”或持久的非确定性的拉格朗日粒子轨迹在消失的粘度和扩散极限的现象。先前对Kraichnan（1968）湍流标量平流模型的研究表明，在该模型中，反常标量耗散与拉格朗日自发随机性有关。然而，对于由实际湍流平流输送标量的这种机制的有效性，一直存在争议。我们在这里完全解决这个争议，利用涨落耗散关系。无论是被动或主动标量平流的任何发散自由的速度场，包括不可压缩的纳维-斯托克斯方程的解决方案，并远离墙壁，我们证明了反常标量耗散需要拉格朗日自发随机性。对于被动标量，我们进一步证明，自发随机性产生异常耗散适当的初始标量分布，使这两种现象是完全等价的。这些点都说明了从数据库中的均匀，各向同性湍流，这两个额外的支持结果和物理洞察随机拉格朗日粒子轨迹的扩散效应的表示的数值结果。
2017-07-13 math-ph math.MP math.PR
Investigations of non-hydrostatic, stably stratified and rapidly rotating flows
我们提出了一个调查的快速旋转（小Rossby数$Ro\ll 1$）和分层湍流的分层强度从弱（大弗劳德数$Fr\gg1$）到强（$Fr\ll1$）。调查设置的背景下，从Boussinesq方程，有效地保留各向异性惯性重力波与一阶频率，并突出了一个政权的波涡相互作用的减少模型。简化模型的数值模拟进行能量注入的随机强迫垂直速度，这迫使波模式。模拟揭示了两个制度，其特征在于存在良好的形成，持久性和薄湍流层的局部削弱的分层在小弗劳德数，并在大弗劳德数层的情况下。这两个制度的特点是一个大规模的正压偶极子封闭的小尺度湍流。当雷诺数不太大时，观察到正压动能的直接级联，导致总能量平衡。我们研究净能量交换，发生通过涡拉伸和垂直浮力通量和诊断活跃在这些交换的水平尺度。我们发现斜压运动直接向正压模态的最大尺度注入能量，这意味着大尺度正压偶极子不是正压模态内逆级联的最终结果。
2016-02-13 physics.flu-dyn
Impact of ageostrophic dynamics on the predictability of Lagrangian trajectories in surface-ocean turbulence
本文利用含非地转过程的海洋精细尺度湍流模型，比较完整流与地转流驱动的拉格朗日轨迹，揭示非地转运动对长期弥散影响较小但会造成分离速率与轨迹偏差，并增强瞬态粒子聚集。
2024-10-25 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Generating Kolmogorov spectra and structure functions with a Rosenhead profile trefoil vortex knot
本文扩展三叶结涡旋模拟至更晚时间，利用Rosenhead涡量剖面生成Kolmogorov谱和结构函数，实现无强迫初始状态下的充分发展湍流，并验证能量衰减与积分尺度增长遵循Loitsyanskii积分守恒。
2026-10-06 physics.flu-dyn
The true mechanism of spontaneous order from turbulence in two-dimensional superfluid manifolds
在包含点状涡旋的二维（2D）湍流流体中，Lars Onsager预测，向流体添加能量可以导致形成类似符号的涡旋的持续集群，即，Onsager涡旋（OV）团。在二维均匀盘状玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）中的超流湍流演化过程中，发现在没有能量输入的情况下，可以形成一对符号相反的OV团簇.这种惊人的自发秩序被解释为由于涡旋蒸发加热机制，即，涡-反涡对的湮灭，其去除最低能量的涡，从而提高每个涡的平均能量。然而，在我们寻找奇异的OV状态在一个无边界的二维球BEC，我们发现，OV集团从来没有形成，尽管涡对的湮灭。我们的分析表明，与一般的看法相反，涡对湮灭发出强烈的声波，阻尼所有的旋涡的运动，从而抑制OV集团的形成。我们还提出了明确的证据表明，所观察到的自发OV状态的真正机制是从BEC边界的涡旋逃逸。揭示这一机制铺平了道路，为全面了解紧急涡订单在二维流形的超流体驱动远离平衡。
2021-05-04 cond-mat.quant-gas nlin.CD physics.flu-dyn
Self-Regularization in turbulence from the Kolmogorov 4/5-Law and Alignment
3D流体动力学湍流的一个定义特征是，随着粘度降低（雷诺数增加），能量耗散率远离零。这种现象--反常耗散--有时被称为“湍流第零定律”，因为它支撑了许多著名的理论预测。在湍流中观察到的另一个稳健特征是速度结构函数$S_p(\ell) :=\langle |δ_\ell u|^p\rangle$在惯性范围内表现出持续的幂律标度，即指数$ζ_p>0$在不断增加的（随雷诺数）标度范围内表现出$S_p(\ell) \sim |\ell|^{ζ_p}$。这一现象表明，速度场在雷诺数范围内保持一定的分数阶可微性。Kolmogorov 1941年的湍流理论预言，$ζ_p=p/3$对所有的$p$和Onsager 1949年的理论建立了$ζ_p\leq p/3$对$p\geq 3$与第零定律一致的要求。经验上，$ζ_2 \gtrapprox 2/3$和$ζ_3 \lessapprox 1$，表明湍流Navier-Stokes解近似耗散弱解的欧拉方程拥有（几乎）的奇异性维持异常耗散所需的最小程度。在这篇文章中，我们采用了一个实验支持的假设上的反对齐的速度增量与他们的分离向量，并证明了惯性耗散提供了一个正规化机制，通过柯尔莫哥洛夫4/5定律。
2021-11-05 math-ph math.AP math.MP
