Near isotropic behaviour of turbulent thermal convection
本文采用直接数值模拟的方法研究了三维盒内湍流对流的各向异性。我们计算各向异性参数$A = u_\perp^{2}/(2u_{\parallel}^{2})$，其中$u_{\perp}$和$u_{\parallel}$是垂直和平行于浮力方向的速度分量，壳和环谱，以及壳到壳的能量转移。我们观察到，流动几乎是各向同性的普朗特数$\mathrm{Pr} \approx 1$，但各向异性增加与普朗特数。因此，对于$\mathrm{Pr}=\infty$、$A \approx 0.3$，即使在极端情况下，各向异性也不是非常显著。我们还观察到，$u_{\parallel}$通过压力向$u_{\perp}$提供能量。通过对壳-壳能量传递的计算表明，湍流对流中的能量传递是局部的、向前的，类似于流体动力学湍流。这些结果与Kumar等人观测到的Kolmogorov谱一致。[Phys. Rev. E { \bf 90}，023016（2014）]中描述的湍流对流。
2016-11-28 physics.flu-dyn
HPC realization of a controlled turbulent round jet using OpenFOAM
本文研究了OpenFOAM对低雷诺数（$Re_D=2000$）轴对称射流的高性能计算能力。首先，OpenFOAM的并行性能进行了测试，通过执行缩放研究的$2048$处理器上的佛兰芒超级计算机中心（VSC）的超级计算机。在此基础上，提出了一种提高并行效率的方法.该方法是基于开发一个混合的概念来计算统计矩。这个新的概念结合了合奏和时间平均，以允许并行数据采样。其动机是获得减少壁时间收集湍流统计，这是观察到的ZNMF控制射流的主要部分。采用这种并行统计平均方法结合常规网格分区并行性，使我们能够在$P=624$处理器上进行DNS的情况下，整体速度提高了$S_e=540.56$和并行效率为$E_e=0.87$。仅使用网格划分的并行化在使用$S_e=423.94$和$E_e=0.68$时表现出较差的性能。除了开发一种方法来提高并行性能，我们减少了现有的非定常求解器的时间步长成本以及。为此，在OpenFOAM中实现了增量投影方法，并实现了$30\%$以上的性能增益。
2014-06-27 physics.flu-dyn
Parallel optimization for large eddy simulations
提出了一种适用于大涡模拟的并行贝叶斯优化算法。这些模拟对优化方法提出了挑战，因为它们需要数小时或数天的计算时间，并且它们的目标函数包含在有限时间内平均的湍流统计噪声。基于代理的优化方法，包括贝叶斯优化，已经显示出对噪声和昂贵的目标函数的承诺。在这里，我们适应贝叶斯优化，以最大限度地减少在湍流通道流的阻力和设计的涡轮叶片的后缘，以减少湍流传热和压力损失。我们的优化同时运行多个模拟，每个模拟并行到数千个核心，以便利用当今超级计算机提供的额外并发性。
2014-11-03 physics.flu-dyn
Evolution of turbulent spots in a parallel shear flow
采用全三维数值模拟方法研究了平行剪切流中湍流斑的演化过程。流动由自由表面限定，并由体积力驱动。在展向斑点横截面中可以确定三个区域：湍流内部，具有突出的流向条纹和旋涡的界面层和由斑点的存在引起的具有大尺度流动的层流外部区域。在靠近光斑界面的区域，可以清楚地观察到由非正态放大引起的流向条纹的抬升现象。该点的特征可以是指数衰减的前缘，其移动速度不同于横流流出速度或流向滚转模式的展向相速度。斑点的增长似乎与大尺度外部流动密切相关，因为沿下游方向延伸穿过盒的湍流带不显示大尺度流动，并且不增长。定量地说，大尺度流动在斑点附近引起线性不稳定，但相关的锋速度太小，无法解释斑点的扩展。
2001-03-26 nlin.CD physics.flu-dyn
High-order gas-kinetic scheme with parallel computation for direct numerical simulation of turbulent flows
本文研究了高阶气体动力学格式（HGKS）对各向同性可压缩湍流的直接数值模拟（DNS）的性能。由于HGKS的多尺度特性和时空耦合演化过程，它为可压缩湍流的数值模拟提供了一个有效的工具。基于区域分解和消息传递接口（MPI），本文开发了一个适用于大规模计算的并行HGKS程序。从近不可压缩流到超声速流，包括Taylor-Green涡问题、湍流槽道流和各向同性可压缩湍流，通过标准测试验证了并行实现的可扩展性、效率、精度和鲁棒性。对于近不可压湍流，HGKS的性能与高阶有限差分格式相当，包括流动结构的分辨率和计算效率。根据数值解的精度，对该格式在湍流模拟中的数值耗散进行了定量评价。作为一种介观方法，HGKS方法由于其高阶精度而优于格子玻尔兹曼方法（LBM）和离散统一气体动力学方法（DUGKS）。同时，基于动力学方程的HGKS方法在超声速湍流模拟中具有较高的精度和鲁棒性。目前的工作表明，HGKS作为一个强大的DNS工具的能力，从低速到超音速湍流研究，这是很少报告的框架下的有限体积格式。
2020-05-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Multiscale circulation in wall-parallel planes of turbulent channel flows
本文利用多雷诺数高分辨率DNS数据库，研究湍流槽道壁面平行平面内闭合欧拉回路的多尺度环量，揭示外部双分形间歇与近壁单分形非间歇特征。
2025-03-02 physics.flu-dyn
Applicability of Boussinesq approximation in a turbulent fluid with constant properties
描述浮力流体的运动方程通常使用J. Boussinesq在一个世纪前提出的一组近似来简化。为了恢复，它们包括假设恒定的流体性质，不可压缩性和热量守恒在热传输。假设满足第一个要求（恒定的流体性质），我们推导出一组4个标准，用于评估其他两个要求在湍流瑞利-贝纳德对流的有效性。第一个标准$αΔ\ll 1 $简单地由热边界层中的不可压缩性条件产生（$α$和$Δ$是热膨胀系数和驱动流动的温差）。其他3个标准与密度分层成正比或成二次方，或等效地与跨单元$Δ_{h}$的绝热梯度产生的温差成正比或成二次方。空气，水和低温氦的数值计算表明，只要满足第一个标准，大多数实验室实验是免费的，从这种Boussinesq违反。在超高瑞利数（$Ra>10^{16}$）实验中，在氦，分层标准之一，缩放与$αΔ_{h}$，可能会被违反。该标准保证压力波动对密度变化和通过压缩/膨胀循环的传热方程的影响可以忽略不计。外推到更高的$Ra$表明，强违反Boussinesq近似可能发生在大气对流。
2007-10-18 physics.class-ph physics.flu-dyn
An elementary example of contrasting laminar and turbulent flow physics
像库埃特和普瓦维尔这样简单的牛顿流体在无限平行壁之间的一维流动，为层流和湍流的对比物理提供了一个很有启发性的例子：它们的平均速度分布之间的差异在一种状态下与另一种状态下的符号相反。这种易于验证但尚未被注意到的行为意味着层流和湍流传输的物理机制甚至比通常假设的更根本不同。
2018-11-28 physics.flu-dyn
A multiscale and multicriteria Generative Adversarial Network to synthesize 1-dimensional turbulent fields
IMT Atlantique（法国大西洋高等矿业电信学院）；Inria（法国国家信息与自动化研究所）；Universidad de Buenos Aires（布宜诺斯艾利斯大学）
该研究提出一种多尺度多准则GAN模型，以湍流统计理论为基础，结合物理准则与GAN准则，采用全卷积多尺度架构，利用Modane风洞湍流数据训练，可生成符合真实湍流统计特性的一维随机场。
2024-05-15 cs.LG eess.SP physics.flu-dyn
Global Well-Posedness for the 3D Navier-Stokes Equations under Logarithmically Improved Criteria: Connections to Turbulence Theory
本文提出对数次临界初始数据条件，证明三维Navier-Stokes方程整体解的唯一存在性，并建立与湍流间歇性和能量谱异常标度的联系。
2025-03-25 math.AP physics.flu-dyn
General stability criteria for inviscid rotating flow
解析地得到了具有角速度$Ω(r)$的无粘Taylor-Couette流的一般稳定性准则。首先，导出了离心流动的一个必要的不稳定性判据$ξ'(Ω-Ω_s)<0$（或$ξ'/(Ω-Ω_s)<0$），其中$ξ$是翼型的涡度，$Ω_s$是拐点处的角速度$ξ'=0$。其次，找到了稳定性的判据为$-(μ_1+1/r_2)<f(r)=\frac{ξ'}{Ω-Ω_s}<0$，其中$μ_1$是最小特征值。新准则是平行流准则的类似物，平行流准则是Arnol'd非线性准则的特殊情况。具体地说，Pedley循环被证明是Rayleigh准则的一个特例.此外，平行流的判据也可以从旋转流的判据导出。这些结果推广了已有的结果，对进一步研究流体动力不稳定性的机理具有重要意义。
2010-05-11 astro-ph physics.ao-ph physics.flu-dyn
Guidelines for the formulation of Lagrangian stochastic models for particle simulations of single-phase and dispersed two-phase turbulent flows
本文建立了一组判据，用于讨论各种拉格朗日随机模型，这些模型既可用于模拟单相湍流中的流体颗粒，也可用于模拟离散湍流两相流中离散颗粒所见的流体。一个中心问题是提出拉格朗日随机模型必须满足的可靠性要求，而本分析所带来的一个新的要素是解决单和双参数随机模型。这种分析并不解决不同模型的相对预测能力的问题，而是集中在它们的制定上，因为不同制定的优点和缺点并不总是一致的。清楚事实上，从一种结构到另一种结构的变化中隐藏着一些可能的陷阱，这些陷阱可能导致实际模型构建中的缺陷和物理上不合理的数值计算。本方法的第一个兴趣是通过考虑文献中提出的一些模型，并显示这些标准有助于评估这些拉格朗日随机模型是否可以被视为可接受的描述。第二个兴趣是指出未来的发展如何可以安全地建立，这也是相关的随机子网格模型的背景下，颗粒负载流的大涡模拟。
2015-01-11 physics.flu-dyn
A two-phase mixing layer between parallel gas and liquid streams: multiphase turbulence statistics and influence of interfacial instability
平行气液两相流之间形成的两相混合层是多相湍流的一个重要基础问题。这个问题与许多工业应用和自然现象有关，例如燃料喷射系统中的空气喷射雾化器和海洋中的破碎波。气体和液体流之间的速度差触发界面不稳定性，其可以是对流的或绝对的，这取决于流的性质和注入参数。本文对处于绝对不稳定区的气液两相混合层进行了直接数值模拟。在数值模拟中观察到了一个主频率，数值结果与粘性稳定性理论的预测吻合得很好。由于界面波在湍流转捩和发展中起着关键作用，湍流脉动（如涡度拟能）的时间演化也表现出类似的频率。为了研究多相湍流的统计响应，模拟已经运行了很长的物理时间，以便可以进行时间平均，以产生雷诺应力和湍流动能（TKE）预算的统计收敛结果。已经进行了使用800万至约40亿个单元的广泛的网格细化研究。与TKE预算中的其他条款相比，湍流耗散对网格分辨率的要求很高。与最好的网格得到的结果被证明是不远的收敛结果的湍流耗散，使我们能够获得估计的Kolmogorov和Hinze尺度。计算的Hinze尺度明显大于观察到的液滴的尺寸，并且似乎不是描述雾化中形成的液滴的最小尺寸的相关长度尺度。
2018-08-06 physics.flu-dyn
A pencil distributed finite difference code for strongly turbulent wall-bounded flows
提出了一种适用于壁面湍流高性能计算的数值格式。所有到所有的通信的数量减少到只有六个实例，通过使用二维（铅笔）域分解，并利用有利的缩放的CFL时间步长约束相比，扩散的时间步长约束。由于CFL条件在高驱动下更具限制性，因此不再需要在平行于壁的方向上对粘性项进行隐式时间积分。这避免了将非局部信息传送到用于在这些方向上计算隐式导数的过程。我们详细解释了用于积分方程的数值方案，以及底层的并行化。该代码被证明有很好的强和弱的缩放到至少64K的核心。
2015-01-06 physics.comp-ph physics.flu-dyn
nsCouette -- A high-performance code for direct numerical simulations of turbulent Taylor-Couette flow
我们提出了nsCouette，一个高度可扩展的软件工具来解决纳维-斯托克斯方程之间的差异加热和独立旋转，同心圆筒的不可压缩流体流动。它是基于伪谱空间离散化和动态时间步进。它是在现代Fortran与混合MPI-OpenMP并行化计划，从而设计计算湍流在高雷诺数和瑞利数。还提供了用于中等问题大小的附加GPU实现（C-CUDA）和用于湍流管流的基本版本（nsPipe）。
2020-01-17 astro-ph.SR nlin.CD physics.ao-ph
Particle resolved simulation of sediment transport by a hybrid parallel approach
采用混合并行粒子模拟方法研究了可蚀性河床上的泥沙输移问题。为了克服传统区域分解法在泥沙输运中遇到颗粒分布高度不均匀时负荷不平衡的挑战，提出了Darmana等的并行方法。（2006）最初是为点粒子模拟开发的，被修改并实现为粒子分辨模拟。提出了一种新的内存优化技术，以减少相同大小的球形粒子的混合方法的内存需求。在具有超过一百万个球形颗粒的具有挑战性的沉积物输运测试案例中，本混合并行方法显示出良好的可扩展性和高并行效率。我们的代码进行了验证，通过几个基准的情况下，结果显示出良好的协议与文献中的实验和计算数据。此外，还模拟了可蚀性泥沙床面上的湍流。提出了一种区分跃移和滚动颗粒的提取方法，并提取了颗粒-移动床相互作用的冲击和反弹信息。给出了冲击和反弹过程中速度、角度和展向角速度等跃移参数的概率分布函数。建立了湍流中颗粒-移动床相互作用的飞溅函数，这一实验研究较少，有助于模拟湍流中复杂的颗粒-床相互作用。
2022-07-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
General stability criterion of inviscid parallel flow
解析地得到了二维无粘平行流更为严格的一般稳定性判据。首先，在流动中找到了一个稳定性的充分判据：$-μ_1<\frac{U''}{U-U_s}<0$或$0<\frac{U''}{U-U_s}$，其中$U_s$是拐点处的速度，$μ_1$是Poincaré问题的特征值.其次，将该准则推广到$β$平面上正压地球物理流。基于该准则，将流动划分为不同的稳定流动类别，这可以简化进一步的研究。讨论了该判据与Arnol'd非线性判据之间的联系。这些结果推广了Rayleigh，Tollmien和Fjørtoft的判据，并对进一步研究水动力不稳定性的机理具有重要意义。
2006-04-23 astro-ph math-ph math.MP
Ion Heat and Parallel Momentum Transport by Stochastic Magnetic Fields and Turbulence
本文提出了随机磁场与湍流相互作用的平行动量和离子热的湍流输运理论。注意力集中在确定动应力和压缩能通量。一个关键参数被确定为湍流散射率的比率的平行声色散。当参数较大时，动应力表现为粘性应力.当参数较小时，准线性残余应力得到恢复。实际上，粘性应力是相应的形式，并且准线性极限是不可观测的。这是本文的主要预测。一个简单的物理图片开发和显示恢复的详细分析的结果。
2021-11-05 nucl-th physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Three-dimensional generative adversarial networks for turbulent flow estimation from wall measurements
本文提出用单个三维GAN直接从壁面测量重建近壁湍流三维场，在误差相当的同时降低训练成本，并揭示结构壁面足迹对重建精度的影响。
2024-09-10 physics.flu-dyn
Simultaneous Extrema in the Entropy Production for Steady-State Fluid Flow in Parallel Pipes
不可压缩流体在平行管中的稳态流动，根据流动条件的不同，其熵产生可以同时满足两个相互矛盾的极值原理。对于恒定的总流率，流可以满足（i）关于流率的管网最小熵产生（MinEP）原理，以及（ii）关于流态的选择的齐格勒和帕勒的最大熵产生（MaxEP）原理。第一个原理--与Prigogine的原理不同，但又与之相关联--源于稳态流动相对于非稳态流动的稳定性;它已被证明适用于具有恒定幂律指数的平行管道中的等温层流和湍流，但在其他情况下是无效的。第二个原理似乎更基本，在较高的雷诺数下驱动单管和平行管中湍流的形成。对于恒定水头条件，流动可以满足（i）关于流速的Mupanović及其同事的修改的最大熵产生（MaxEPmod）原理，以及（ii）关于流动状态的Ziegler-PalmogloveMaxEP原理的反演。这些原则之间的相互作用是由例子证明。
2010-02-11 physics.flu-dyn
Turbulent transport for wall shear stress fluctuations
本文通过量纲分析和直接数值模拟，研究泊肃叶流与库埃特流中壁面剪切应力脉动的谱特性，发现其由湍流输运主导且随雷诺数增大而增强，并伴随逆能量传递。
2025-10-15 physics.flu-dyn
Wall-induced anisotropy effects on turbulent mixing in channel flow: A network-based analysis
在拉格朗日框架下，采用基于复杂网络的方法研究了湍流混合。我们考虑在$Re_τ = 950$上模拟的湍流通道内被动非惯性粒子的运动。建立了时间相关网络来评估示踪剂在薄壁平行层之间的转移，所述薄壁平行层在壁法线方向上划分通道。通过这样做，我们能够评估湍流动力学及其对混合过程的影响所产生的空间和时间的复杂性。这种方法突出了湍流结构的小尺度特征的影响，以及由壁诱导的各向异性决定的较大尺度的影响。复杂网络与湍流的拉格朗日描述相结合，有效地为非均匀湍流和混合提供了新的见解。
2020-10-27 physics.flu-dyn
A low-order decomposition of turbulent channel flow via resolvent analysis and convex optimization
我们结合解析模式分解技术，从凸优化，以最佳近似速度谱在湍流通道。速度被表示为动态显著的、非经验的且可随雷诺数缩放的预解模式的加权和。为了最佳地表示DNS数据在摩擦雷诺数$2003$，我们确定的权重的解析模式的凸优化问题的解决方案。仅使用$12$模式每壁平行波数对和时间频率，我们获得了密切的协议与DNS光谱，减少壁正常和时间分辨率在模拟中使用的三个数量级。
2014-05-21 physics.flu-dyn
Slip Effects in Compressible Turbulent Channel Flow
本文对两块温度相等、方向相反的平行平板间的可压缩充分发展湍流Couette流动进行了直接数值模拟。该算法进行了测试，众所周知的不可压缩Poietille通道流的数值解，并发现提供其良好的描述。在所研究的流动中的滑移效应被发现是可以忽略不计的小值的速度和温度的顺序的单位的调节系数。发现随着温度调节系数的减小，平均温度显著增加。对于流动气体、表面气体和吸附气体的某些组合的可压缩紊流边界层的热交换问题，这种效应可能是重要的。
2012-10-08 physics.flu-dyn
From coarse wall measurements to turbulent velocity fields through deep learning
这项工作评估了超分辨率生成对抗网络（SRGANs）的适用性，作为一种方法，用于从粗壁测量中重建湍流量。该方法适用于壁场的分辨率增强和估计壁平行的速度场从粗壁测量的剪切应力和压力。通过直接数值模拟产生的摩擦雷诺数$Re_τ=180$的湍流明渠流数据库进行了分析。粗壁测量已经产生了三个不同的下采样因子$f_d=[4,8,16]$从高分辨率的字段，和壁平行的速度场已被重建在四个内部缩放壁正常的距离$y^+=[15,30,50,100]$。我们首先表明，SRGAN可以用来提高粗壁测量的分辨率。如果与直接重建从唯一的粗壁测量相比，SRGAN提供更好的瞬时重建，无论是在均方误差和频谱分数误差。尽管输入壁数据的分辨率较低，使得实现高度准确的预测更具挑战性，但所提出的基于SRGAN的网络产生了非常好的重建结果。此外，它表明，即使是最具挑战性的情况下，SRGAN是能够捕捉的大尺度结构，填充流。所提出的新方法具有很大的潜力，闭环控制应用依赖于非侵入式传感。
2021-07-12 physics.flu-dyn
Homogeneity and isotropy in a laboratory turbulent flow
我们提出了一种新的设计，搅拌槽，迫使由两个平行的平面阵列的随机致动的合成射流。这种布置在高雷诺数和低平均流量下产生湍流。最重要的是，它表现出一个区域的3D均匀各向同性湍流，是显着大于积分的长度尺度。这些功能是必要的，使实验室测量湍流悬浮液。我们使用定量成像，以确认各向同性在大，小，和中等规模的检查一-和两-点统计在坦克中心。然后，我们重复这些相同的测量，以确认在罐中心测量的值在大的均匀区域内是恒定的。在垂直于对称平面的方向上，我们的测量表明，均匀区域延伸至少两倍的积分长度尺度$L=9.5$ cm。在平行于对称平面的方向上，该区域至少是整体长度尺度的四倍，并且在该方向上的范围仅受罐的尺寸限制。在均匀的各向同性区域内，我们测量的湍流动能为$6.07 \times 10^{-4} $ m $^2$ s $^{-2}$，耗散率为$4.65 \times 10^{-5} $ m $^2$ s $^{-3}$，泰勒尺度雷诺数为$R_λ=334$。该水箱的大均匀区域，结合其高雷诺数和非常低的平均流量，提供了最好的近似均匀各向同性湍流实现在实验室流动的日期。这些特性使搅拌槽成为研究湍流和湍流悬浮液基本动力学的最佳设备。
2013-09-09 physics.flu-dyn
Turbulent jet computations based on MRT and Cascaded Lattice Boltzmann models
本文对湍流射流进行了数值研究。比较了格子玻尔兹曼方法（LBM）的两种不同变体的模拟结果。第一个是完善的D3Q19 MRT模型扩展的Smagorinsky大涡模拟（LES）模式。第二种是D3Q27因式级联格子玻尔兹曼（FCLB）模型，没有任何额外的显式湍流模型。对于该模型，目前还没有在非均匀网格上进行高分辨率的湍流研究。底层的计算过程使用时间嵌套细化技术和具有超过十亿自由度的网格。模拟是用并行多物理场求解器VIRTUALFLUIDS进行的。结果表明，这两种模型都是可行的，目前的流动情况下，但FCLB优于传统的方法在某些方面。
2012-06-02 physics.flu-dyn
Turbulent channel flow over an anisotropic porous wall - Drag increase and reduction
渗透率张量的变化对近壁行为的湍流通道流有界的多孔壁的影响进行了探讨，使用一组直接的数值模拟。研究发现，通过调整渗透率的方向性，可以使总阻力减小或增加$20\%$以上。对于垂直方向的渗透率低于平行于壁面的渗透率的材料，可以实现减阻。这种配置限制了界面处的壁法向速度，同时促进切向滑移速度的增加，导致几乎“单组分”湍流，其中低速和高速条纹相干性强烈增强。在另一方面，强烈的阻力增加时，发现高的壁正常和低的壁平行渗透率规定。在这种情况下，由于减少壁阻塞效应的壁法线波动的增强触发了在展向方向上强烈相关的结构的发生，这是其他作者在各向同性多孔层或具有大突起高度的肋壁上的流动中观察到的现象。使用各向异性多孔壁的阻力减少是特别有吸引力的，因为相同的增益可以实现在不同的雷诺数，通过重新调整的渗透率的大小。
2018-02-01 physics.flu-dyn
Laminar-Turbulent Transition: The change of the flow state temperature with the Reynolds number
使用先前开发的模型来描述粘性流体流的层流/湍流状态，该模型将流视为各种尺寸的相干结构的集合（Chekmarev，Chaos，2013，013144），将流状态的统计温度确定为雷诺数的函数。结果表明，在小雷诺数，与层流状态，温度是正的，而在大雷诺数，与湍流状态，它是负的。在中间雷诺数下，随着相干结构尺寸的增加，温度从正值变为负值，类似于Onsager对无粘流体中平行点涡旋系统的预测。结果还表明，在中间雷诺数的范围内，温度表现出幂律发散特性的二阶相变。
2014-04-01 physics.flu-dyn
Effects of mean flow skew on turbulent shear layers. Part II. Experimental investigation
Cornell University（康奈尔大学）；University of Maryland（马里兰大学）
通过实验方法生成并表征偏斜湍流混合层，发现平均流偏斜使平均和湍流量系统性降低约40%，但基本动力学特性不变，结构参数保持恒定。
2026-06-12 physics.flu-dyn physics.soc-ph
The alpha effect and its saturation in a turbulent swirling flow generated in the VKS experiment
本文报道了α效应的实验观察。它包括产生平行于施加到液体钠的湍流旋流的磁场B0的电流。在低磁雷诺数，Rm，我们表明，α效应的幅度增加，如Rm 2和它的符号是由流动螺旋度。它饱和，然后在大的Rm下减小，主要是因为从大部分流中排出施加的场B0。我们展示了这种驱逐是如何通过改变方位角和轴向流的相对振幅的流动几何形状的影响。
2002-05-08 physics.flu-dyn
Studying edge geometry in transiently turbulent shear flows
在中等Re的线性稳定剪切流中，尽管存在称为混沌边缘的余维一流形，但湍流自发地衰减，该流形将衰减扰动与触发湍流的扰动分开。我们统计分析了平面Couette流中的衰变，量化了自持反馈回路的破裂，并证明了可能的衰变路径的整个连续体的存在。绘制平行低维模型和监测相对于衰减轨迹的边缘的位置，我们提供的证据，混沌的边缘分离状态空间，而不是全球。相反，它包裹在湍流产生结构周围，而不是一个独立的动力学结构，而是混沌鞍的一部分。因此，衰减轨迹不需要穿过边缘，而是在从湍流鞍形物展开的同时环绕它。
2013-12-10 physics.flu-dyn
A pencil-distributed finite-difference solver for extreme-scale calculations of turbulent wall flows at high Reynolds number
本文提出一种铅笔分布式有限差分求解器，用于高雷诺数湍流壁面流动的极端规模模拟，通过改进泊松求解器和重设计的并行循环归约算法，在高达800亿网格点和1024块GPU上实现比基线快约两倍的性能，且无扩展性损失。
2025-08-06 physics.flu-dyn
Generation of Turbulent States using Physics-Informed Neural Networks
在模拟湍流时，通常情况下，有关强迫项或边界条件的信息要么不可用，要么过于复杂，实施起来成本高昂。相反，一些流动特征，例如平均速度分布或其统计矩，可以通过实验或观察来获得。我们提出了一种基于物理信息的神经网络生成湍流状态受一组给定的条件的方法。物理通知方法确保最终状态近似于有效流。我们展示了不同的统计条件，可用于准备状态，实验和大气问题的动机的例子。最后，我们展示了两种缩放准备状态的分辨率的方法。一种是通过使用多个并行神经网络。另一种方法是使用nudging，这是一种基于同步的数据同化技术，利用了专业数值求解器的力量。
2022-09-09 physics.flu-dyn
Drag Reduction by Herringbone Riblet Texture in Direct Numerical Simulations of Turbulent Channel Flow
研究了一种以鸟羽毛为灵感的人字形脊状纹理的湍流减阻效果。纹理由叶片肋组成，呈会聚/发散或人字形图案，具有展向波长$Λ_f$。其目的是量化的阻力变化，这种纹理相比，一个光滑的墙壁，并研究潜在的机制。为此，对具有高度$L_z$的通道中的湍流流动进行了直接数值模拟。阻力分解的FIK恒等式被扩展到纹理壁，并被用来研究阻力变化机制。对于$Λ_f/L_z \gtrsim O(10)$，人字形纹理的行为类似于一个传统的平行条纹纹理偏航：湍流平流输送的抑制结果在一个轻微的阻力减少2%。对于$Λ_f/L_z \lesssim O(1)$，阻力显著增加，最大值为73%。这是由于增强的平均平流和湍流平流，这是由于强大的二次流，形成了区域的脊状收敛/发散。因此，收敛/发散的纹理中的脊的就业似乎是不利的湍流减阻。
2017-03-31 physics.flu-dyn
Analysis of wall-pressure fluctuation sources from DNS of turbulent channel flow
采用一种新的框架研究了槽道湍流中壁面压力脉动的来源。壁压功率谱密度（PSD）$(ϕ_{pp}(ω))$表示为来自所有壁平行平面对的积分贡献，$ϕ_{pp}(ω)=\int_{-δ}^{+δ}\int_{-δ}^{+δ}Γ(r,s,ω)\,\mathrm{dr}\,\mathrm{ds}$，使用格林函数。这里，$Γ(r,s,ω)$被称为两个壁平行平面$y=r$和$y=s$之间的净源交叉谱密度（CSD），并且$δ$是半通道高度。利用$180$和$400$在摩擦雷诺数下的直接数值模拟（DNS）数据计算了$Γ(r,s,ω)$。净源CSD，$Γ(r,s,ω)$的分析表明，在$ω^+\approx 0.35$的功率谱和波数谱在$λ^+\approx 200$负责的预乘峰的主导源的位置是在缓冲层中的$y^+\approx 16.5$和$18.4$分别为$Re_τ=180$和$400$。对于$ω^+>0.35$，壁面平行平面（位于离壁面距离$y^+$处）对壁面压力PSD的贡献在$y^+$中是对数正态的。一个占主导地位的内部重叠区域的源的相互作用，观察在低频率。利用谱本征正交分解（POD）分析了壁面压力脉动源的解相关特征。我们要求模在具有对称正定核的内积中是正交的。频谱POD支持净源由两个去相关分量组成的情况-活动（主导模式）和非活动（剩余模式）。在预乘壁压PSD峰值处的主导POD模态所代表的结构向…
2020-03-31 physics.flu-dyn
Turbulent shear layers in confining channels
我们提出了一个简单的模型之间的平行流在封闭的渠道剪切层的发展。这种流动在从扩散器、喷嘴和管道到城市空气流动和地球物理流体动力学的广泛主题中是重要的。该模型将剪切层中的流动近似为分离匀速流的线性剖面。通道几何形状和壁面阻力都影响流动的发展。该模型与粒子图像测速实验和计算湍流模型吻合良好。该模型的计算成本低，使其可以用于设计目的，我们证明了通过调查最佳的压力恢复在扩散器与非均匀流入。
2018-04-06 physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulation of turbulent Taylor-Couette flow
本文描述了完全湍流状态下Taylor-Couette流动的直接数值模拟（DNS）。数值方法扩展了Quadrio和Luchini（Eur. J. Mech. B / Fluids，v.21，pp.413--427，2002），并且基于使用混合空间离散化（均匀方向上的谱方案，以及径向方向上的四阶、紧凑显式有限差分方案）的并行计算机代码。本文首次用DNS方法模拟了湍流状态下的Taylor-Couette流动。统计量的计算，以补充现有的实验信息，以期比较它的平面，压力驱动的湍流在相同的雷诺数值。平面流和曲壁流之间的流量统计差异的主要来源是由于曲率效应产生的大规模旋转结构的存在。
2007-11-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A non-hybrid method for the PDF equations of turbulent flows on unstructured grids
在湍流的概率密度函数（PDF）方法中，多个流动变量的联合PDF是通过数值积分拉格朗日粒子的随机微分方程组来计算的。提出了一套并行算法，以提供一个有效的解决方案的PDF传输方程，建模的联合PDF的湍流速度，频率和浓度的被动标量在几何复杂的配置。采用非结构化欧拉网格来提取欧拉统计，以求解在域的固定位置处表示的量（例如，平均压力）并跟踪粒子。关于网格的所有三个方面都使用了有限元法（FEM），该有限元法采用最简单的线性FEM形状函数。为了模拟标量的小尺度混合，采用了条件平均交换模型。提出了一种计算速度条件标量均值的自适应算法，该算法在样本空间上均匀化统计误差，而不假设底层速度PDF的形状。与求解PDF方程的其他混合粒子-单元方法相比，该方法具有一致性，不需要一致性条件。通过计算两种不同的湍流（充分发展的湍流槽道流和街道峡谷（或空腔）流）中集中源释放的被动标量的色散，对该算法进行了测试。详细介绍了估计条件和无条件统计，粒子跟踪和粒子数控制的数学细节。基于缓存的共享内存机器的性能和并行性的相关方面进行了讨论。
2010-06-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulations of turbulent flows using high-order Asynchrony-Tolerant schemes: accuracy and performance
直接数值模拟（DNS）是理解湍流基本物理的不可或缺的工具。由于它们的计算成本随着雷诺数（$R_λ$）的急剧增加，即使在中等的$R_λ$下，良好解析的DNS也只能在大规模并行超级计算机上实现。然而，在极端规模下，当前方法中涉及的处理元件（PE）之间的通信和同步变得极其昂贵，并且预计将成为可扩展性的主要瓶颈。为了克服这一挑战，我们开发了算法，使用所谓的异步容忍（AT）计划，放宽通信和同步的限制，在数学水平上，执行DNS的衰减和螺线管强迫可压缩湍流。使用两种方法引入异步，一种避免同步，另一种避免通信。这些分别在PE边界处导致周期性和随机延迟。我们表明，这两种异步算法准确地解决了大尺度和小尺度的湍流运动，包括瞬时和间歇性的字段。我们还表明，在异步模拟的通信时间是一个相对较小的分数的总计算时间，特别是在大处理器数，相比标准的同步模拟。因此，我们观察到改进的并行可扩展性$262144$处理器的异步算法。
2020-03-23 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Universality of the turbulent velocity profile
近一个世纪以来，平行流中平均速度剖面的普遍对数特性一直是湍流流体力学及其教学的支柱。然而，许多实验和数值模拟并不非常适合它，对数定律是否确实是普遍的问题不断出现在讨论和写作中。为了证实或否定对数律，并准确地估计决定对数律的系数，在世界不同地区进行了大量的实验。我们发现，不同几何形状（圆形或平面）的流动之间的差异，以及这些流动与对数律之间的差异，都可以归因于压力梯度的影响。当这种效果占在一个高阶扰动的形式，普遍的协议和令人满意的简单配方被回收。
2016-12-21 physics.flu-dyn
Statistics of particle accumulation in spatially developing turbulent boundary layers
本文给出了Reθ = 2500的含颗粒空间发展湍流边界层的直接数值模拟结果。有两个主要的特征将零压力梯度紊流边界层中惯性粒子的行为与更普遍研究的平行槽道流的情况区分开来。第一种是定义流体-颗粒相互作用的局部无量纲参数沿流向的变化。第二种是无旋自由流和近壁旋转湍流的共存。关于第一个问题，可以使用内部和外部流动单位来定义内部和外部斯托克斯数。内斯托克斯数控制的近壁行为类似的情况下，通道流。为了理解层流-湍流界面的影响，我们检查了自由流中最初释放的颗粒的行为，并表明它们与直接注入边界层内的颗粒呈现出不同的行为。在湍流边界层内，距壁面约一个位移厚度处出现最小浓度区。它的形成是由于两种输运机制之间的竞争：向缓冲层的相对缓慢的湍流扩散和向壁面的快速湍流泳动漂移。
2017-03-30 physics.flu-dyn
Laminar-turbulent patterning in wall-bounded shear flows: a Galerkin model
在走向湍流的过程中，平面库埃特流--反向平移的平行板之间的流动--显示出令人困惑的稳定斜层流湍流模式。我们通过纳维-斯托克斯方程的Galerkin模型来处理这个问题。水动力场的壁面法线依赖性通过精确拟合边界条件的函数基展开来处理。这产生了一组偏微分方程的时空动力学的平面上的流动。截断这一组超出最低非平凡的顺序数值显示，产生预期的模式，因此提高了在粗糙的有效壁法线分辨率。开放的方法的观点进行了讨论。
2015-03-20 nlin.PS physics.flu-dyn
Turbulent kinetic energy in 2D isothermal interchange-dominated scrape-off layer ExB drift turbulence: Governing equation and relation to particle transport
本文研究了二维等温静电主导的ExB漂移湍流中的湍流动能（$k_\perp$）及其与颗粒输运的关系。前者的演化方程解析推导出底层湍流方程。计算该方程表明，湍流动能的主要来源是由于交换驱动，而鞘层的并联电流损失构成了主要的汇。湍流动能的周向输运在平衡方程中似乎起次要作用。雷诺应力能量传递似乎也可以忽略不计，大概是因为没有显着的剪切流发展下给定的假设，在开放的场线区域的等温鞘限制条件。湍流的交换源与平均湍流ExB能通量解析相关，而TOKAM 2D数据的回归分析表明，鞘层损失的湍流动能模型是线性的。一个类似的回归分析产生一个平均径向粒子通量的扩散模型，其中异常扩散系数与湍流动能的平方根成比例。结合这三个组成部分，一个封闭的方程组的平均场粒子输运得到，其中的湍流的源取决于平均流梯度和$k_\perp$通过粒子通量，而湍流是饱和的鞘层的平行损失。在一维平均场代码中实现这个新模型在一系列模型参数上与原始TOKAM2D数据表现出良好的一致性。
2021-01-18 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
PDF modeling of turbulent flows on unstructured grids
在湍流的概率密度函数（PDF）方法中，多个流动变量的联合PDF是通过数值积分拉格朗日粒子的随机微分方程组来计算的。对流，粘性效应和任意复杂的化学反应的数学精确处理是可能的，这些过程没有封闭的假设处理。提出了一套算法，以提供一个有效的解决方案的PDF传输方程建模的联合PDF的湍流速度，频率和浓度的被动标量在几何复杂的配置。一个非结构化的欧拉网格提取欧拉统计，解决在固定位置的域和跟踪粒子的数量。关于网格的所有三个方面都使用了有限元方法。与混合方法相比，目前的方法是独立的，因此，它是一致的数值和湍流封闭的水平，而不使用的一致性条件。几个新开发的算法，方便在复杂的流动几何形状的数值解，包括一个稳定的平均压力投影计划，估计有条件和无条件的欧拉统计和它们的衍生物从随机粒子场，粒子跟踪通过非结构化网格，一个有效的粒子重新分配程序和技术相关的有效的随机数生成。该求解器已经过并行化，并针对共享内存和使用OpenMP标准的多核架构进行了优化。基于缓存的共享内存机器的性能和并行性的相关方面进行了详细讨论和介绍。该方法在模拟高雷诺数不可压缩惰性或反应性湍流在现实的配置显示出很大的希望。
2010-06-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Reynolds-number dependence of streamwise velocity variance in wall-bounded turbulent flows
本文提出壁面湍流流向速度方差模型，假设附着涡诱导内部湍流边界层，得到对数方差剖面，并揭示峰值及长度比在渐近大雷诺数下无界、近壁归一化方差保持有限的规律。
2024-05-06 physics.flu-dyn
Nonlinear traveling waves as a framework for understanding turbulent drag reduction
非线性行波是层流-湍流转捩的前兆，它捕获了湍流缓冲层的主要结构，最近被发现存在于所有典型的平行流几何结构中。我们研究了聚合物添加剂对这些“精确相干态”（ECS）的影响，在平面Poietille几何。湍流减阻现象的许多关键方面被发现，包括：过渡到湍流的延迟;减阻起始阈值;直径和浓度效应。此外，ECS存在区域的检查导致一个独特的预测，与实验一致，关于最大减阻制度的性质。具体而言，在足够高的壁剪切速率，粘弹性被发现完全抑制正常（即流向涡为主）的近壁区域的动态，表明最大减阻制度是由一个独特的类流结构为主。
2006-01-24 nlin.CD 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
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
Self-similar invariant solution in the near-wall region of a turbulent boundary layer at asymptotically high Reynolds numbers
在足够高的雷诺数下，壁面附近的剪切流湍流具有普遍的性质。当长度和速度由湍流的适当特征尺度重新标度，从而在\emph{inner units}中测量时，流的统计特性变得与雷诺数无关。我们证明了平行边界层的完全非线性三维纳维-斯托克斯方程的附壁非混沌精确不变解的存在性，该解捕获了近壁湍流结构的特征自相似标度。行波解的分支可以继续到$Re=1,000,000$。理论和数值相结合的证据表明，解决方案是渐近自相似和精确的尺度内单位雷诺数趋于无穷大。证明存在的不变的解决方案，捕获自相似的缩放特性的湍流在近壁区域是一个步骤，扩展的动力系统方法湍流从过渡制度充分发展的边界层。
2019-12-10 physics.flu-dyn
Ginzburg--Landau description of laminar-turbulent oblique band formation in transitional plane Couette flow
平面Couette流是指两个平行的相向运动的平面之间的流动，它是壁面有界流动的一个例子，在一定的雷诺数[R_g，R_t]范围内，壁面有界流动经历了向湍流的转变，湍流区和层流区有序共存。当纵横比足够大时，这种共存以交替的湍流和层流斜带的形式发生。当R上升到上阈值R_t时，谱带逐渐消失，为均匀的无特征湍流留下空间。这种连续的过渡在这里研究的手段下解决的数值模拟理解为一种建模方法，适合于长时间，大的纵横比的限制。系统的状态的定量特征在于使用标准的可观的（湍流分数和湍流强度内的频带）。一对复杂的序参量定义的模式，这是进一步分析内的一个标准的Ginzburg-Landau形式主义。该模型的系数原来是那些实验确定的圆柱Couette流。
2011-02-15 physics.flu-dyn
A Massively Parallel Hybridizable Discontinuous Galerkin Solver for Direct Numerical Simulation of Compressible Flows on GPUs
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文提出面向GPU的大规模并行HDG求解器，结合高阶离散化、DIRK时间积分等技术，在三类可压缩流基准问题上验证其可解析多种流态的能力，实现高效DNS计算。
2026-08-31 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Optimal control of diffuser shapes for confined turbulent shear flows
湍流剪切流的发展模型，在一个封闭的通道中的非均匀的平行流创建的，是用来识别的扩散器的形状，最大限度地提高压力恢复时，流入是不均匀的。宽扩压器角度会加剧不均匀流动，导致压力恢复差。另一方面，浅扩压器角度产生具有大壁阻力的较长区域，这也不利于压力恢复。因此，最佳的扩散器形状在两种效果之间取得平衡。我们使用一个简单的模型，它描述了一个近似的流量分布和压力的扩散器的演变。模型方程形成了最优控制问题的动力学，其中控制是扩压器通道形状。数值优化方法是用来解决的最优控制问题，我们用分析结果来解释在某些限制情况下的数值。将优化结果与计算流体动力学的计算结果进行比较。
2018-04-06 physics.flu-dyn
Large-eddy simulation of hydrodynamic noise from turbulent flows past an axisymmetric hull using high-order schemes
本研究建立基于高阶格式的壁面模型大涡模拟结合FW-H声学比拟方法，经圆柱绕流验证后用于DARPA SUBOFF模型湍流与水动力噪声分析，得到壁压谱与远场声指向性规律，结果优于现有同类模拟。
2024-07-15 physics.flu-dyn
