On the missing link between pressure drop, viscous dissipation, and the turbulent energy spectrum
在流体动力学经过几十年的实验、理论和数值研究之后，湍流的许多方面仍然知之甚少。其主要原因通常归因于湍流的多尺度性质，这构成了一个艰巨的挑战。然而，这些流动的某些性质的作用和相互联系从未得到充分澄清。在这篇文章中，我们提出了一个新的压降，粘性耗散，和湍流能谱之间的连接，据我们所知，从来没有建立之前，我们的工作。我们使用这一发现，分析表明，粘性耗散在层流管流不能增加流体的温度，也重现定性Nikuradse的实验结果，涉及在粗糙的管道中的湍流的压力降。
2017-03-11 physics.flu-dyn
The effect of droplet coalescence on drag in turbulent channel flows
通过直接数值模拟，研究了液滴聚并对湍流壁面边界流动的影响。特别地，流体体积法和前沿跟踪法分别用于模拟包含聚结液滴和非聚结液滴的湍流槽道流动。我们发现，聚结液滴对阻力的影响可以忽略不计，而非聚结液滴随着分散相体积分数的增加而稳定地增加阻力：实际上，在10体积分数下，非聚结液滴显示出30%的阻力增加，而聚结液滴显示出小于4%的增加。我们解释了这一点，通过看在通道中的液滴的壁正常的位置，并表明，非聚结液滴进入粘性子层，产生的界面剪切应力，减少了预算的粘性应力在通道中。另一方面，聚结液滴向通道的主体迁移，形成大的聚集体，这几乎不影响粘性剪切应力，同时阻尼雷诺剪切应力。我们证明了这一点有关的平均粘性剪切应力集成在壁法线方向的中心线速度。
2021-07-19 physics.flu-dyn
Particle capture by drops in turbulent flow
本文研究了槽道湍流中大变形液滴捕获颗粒的过程。我们模拟固-液-液三相流的欧拉-拉格朗日方法的基础上耦合相场模型的湍流直接数值模拟，捕捉界面动力学，和拉格朗日跟踪的小（亚Kolmogorov）颗粒。液滴具有与载液相同的密度和粘度，并且中性浮力的固体颗粒与其他相单向耦合。我们的研究结果表明，颗粒被运送到接口的射流般的湍流运动，一旦足够接近，被捕获的正表面速度发散的区域中的界面力。这些地区似乎是很好地与高拟能流拓扑结构，有助于涡压缩或拉伸涡拟能生产。研究湍流机制，使粒子的界面，我们已经能够推导出一个简单的机械模型的粒子捕获。该模型可以预测的整体捕获效率，是基于一个单一的湍流传输方程，其中唯一的参数规模与湍流动能的流体在附近的液滴界面测量。该模型在非相互作用粒子的限制下是有效的，其预测与数值结果吻合得非常好。
2020-11-04 physics.flu-dyn
How small droplets form in turbulent multiphase flows
本研究利用高分辨率数值模拟并设置减弱强速度梯度的对照实验，揭示湍流多相流中小液滴形成由大液滴破碎的内部动力学主导，高涡量和极端耗散只是破碎结果。
2024-02-29 physics.flu-dyn
Coupled population balance and large eddy simulation model for polydisperse droplet evolution in a turbulent round jet
采用粒子数平衡模型和大涡模拟（LES）相结合的方法，研究了油滴在湍流射流中的演化过程，并考虑了油滴破碎的影响。在模拟湍流多相射流中的二次破碎时，一个关键的未知数是在喷嘴出口附近的一次破碎区内产生的流入尺寸分布。为了简单起见，通常使用单分散注入流入条件，但这种选择通常是不现实的。为了提供更现实的入口条件LES，我们开发了一个一维（1D）的包裹模型来预测的演变的分散相沿射流中心线由于平流，径向湍流输送和液滴破碎的综合影响，由于湍流的区域更接近的喷嘴，不能使用粗LES解决。用远离喷管的实验数据对模型进行了验证。一维模型也被用来产生一个初始的尺寸分布，用于在一个粗分辨率LES的湍流射流。使用欧拉LES方法对离散化液滴尺寸分布的每个箱的数密度场进行建模，并对每个箱求解标量输运方程。LES的结果进行了比较，发表的实验数据，具有良好的一致性，我们研究的统计数据的速度场和浓度的多分散油滴羽流为两个液滴韦伯数。我们发现，浓度的中心线衰减率为不同的液滴尺寸的修改在破碎为主的区域。与雷诺平均方法不同，LES还允许我们量化由于湍流引起的尺寸分布变化。我们量化的径向和轴向分布和变化的关键量，如索特平均直径，总表面积和液滴破碎的时间尺度，并探讨其敏感性的韦伯数。
2020-11-11 physics.flu-dyn
Resolved and subgrid-scale crossing trajectory effects in Eulerian large eddy simulations of polydisperse droplet transport
采用大涡模拟（LES）方法研究了微浮力液滴在湍流射流中的弥散特性。液滴数密度场使用欧拉方法表示，其中分散相使用包括液滴上升速度的快速欧拉方法（Ferry & Balachandar 2001）建模。通过对不同粒径液滴的径向浓度分布和湍流浓度通量的分析，定量研究了颗粒与湍流涡之间的相对运动对湍流扩散的影响。对于更精细的LES网格分辨率，该模型捕获的差分，基于尺寸的分散特性的液滴的横向分散的较大的液滴尺寸被抑制，因为轨迹交叉效应明确解决LES。本文根据Csanady（1963）提出的大气颗粒湍流扩散理论，在修正Schmidt数的基础上，研究了一个适用于颗粒尺度径向浓度分布的相似解模型。结果与高分辨率LES数据进行了验证，并显示出良好的一致性。然后，大小相关的施密特数模型被重新制定为一个未解决的亚网格尺度的轨迹交叉效应的模型，并用于计算亚网格浓度通量在一个粗糙的LES的湍流射流，略有浮力的液滴在射流的自相似区域的中心线处注入。将结果与具有较高网格分辨率的模拟和具有恒定施密特数SGS模型的粗略模拟进行比较。我们发现，亚网格模型提高了粗糙LES的浓度廓线和湍流浓度通量的预测精度。
2022-01-21 physics.flu-dyn
Deformation and orientation statistics of neutrally buoyant sub-Kolmogorov ellipsoidal droplets in turbulent Taylor-Couette flow
在许多工业和科学应用中，底层流动拓扑结构对分散在湍流中的亚柯尔莫哥洛夫液滴的形状和尺寸的影响是相当感兴趣的。在这项工作中，我们研究了亚Kolmogorov液滴分散到湍流泰勒-库埃特流的变形和取向统计。连同载体相的直接数值模拟（DNS）和分散液滴的拉格朗日跟踪，我们求解由Maffettone和Minale（\emph{J. Fluid Mech.} 78，227-241（1998））提出的现象学方程以跟踪近似$10^5$椭圆形液滴的形状演变和取向。通过改变液滴的毛细管数$Ca$和粘度比$\hat μ$，我们发现液滴的变形随着毛细管数$Ca$的增加而增加，并且这种效应在边界层区域更加明显。这表明，随着毛细管数的影响，也有一个很强的相关性之间的空间位置和程度的变形的液滴。无论毛细管数$Ca$，椭球的长轴往往与流向方向和拉伸应变率本征方向在边界层区域，而分布是高度各向同性的散装。当液滴和载液之间的粘度比增加时，我们发现不存在优先拉伸轴，这是由于旋转对拉伸和松弛的影响增加。因此，与低粘度比系统中的高度变形的扁长（雪茄状）液滴相比，高粘度比系统中的液滴较少变形和扁（盘状）。
2016-06-13 physics.flu-dyn
Separate and joint clustering characteristics of large Stokes number sprays subjected to moderately turbulent co-flows
本文实验研究了湍流共流中大斯托克斯数喷雾的液滴簇团与空隙特性，发现簇团尺度随斯托克斯数线性变化且簇团内液滴数密度约为空隙的10倍，为工程中调控喷雾聚类行为提供了依据。
2022-12-26 physics.flu-dyn
Global and local statistics in turbulent emulsions
湍流乳状液是一种复杂的物理系统，其特征是小尺度液滴和大尺度流变学之间存在强烈的动力学耦合。通过使用一个专门设计的泰勒-库埃特（TC）剪切流系统，我们能够表征的湍流乳液的统计特性的油滴分散在乙醇-水连续溶液中，在油的体积分数高达40%。我们发现，液滴尺寸的依赖关系的雷诺数的流量在体积分数为1%，可以很好地描述Hinze的标准。液滴尺寸的分布被发现遵循对数正态分布，暗示在破碎过程作为可能的机制主导液滴形成。湍流乳状液的有效粘度随分散油相体积分数的增大而增大，随剪切强度的增大而减小。我们发现，有效粘度对剪切速率的依赖性可以描述的Herschel-Bulkley模型，与流动指数单调下降，随着增加的石油体积分数。这一发现表明，剪切稀化的程度系统地增加与分散相的体积分数。目前的研究结果有重要的意义，桥梁湍流和低雷诺数乳化液流的湍流乳化液流的知识。
2020-11-02 physics.flu-dyn
Experimental study of velocity statistics in wall-bounded turbulent emulsions
本研究通过折射率匹配在Taylor-Couette湍流中测量高体积分数乳化液速度，发现液滴会抑制大尺度湍流并增加速度间歇性，在边界层显著增加整体阻力，为分散液滴调节湍流多尺度特性提供了实验见解。
2025-04-05 physics.flu-dyn
Droplets in homogeneous shear turbulence
本文模拟了剪切雷诺数为15200的均匀剪切湍流中两种不可压缩不混溶流体的流动。两种流体的粘度和密度相等，在本研究中考虑了不同的表面张力和初始液滴直径。我们表明，两相流达到一个统计上稳定的湍流状态持续的非零平均湍流生产率由于平均剪切的存在。单相流相比，我们发现，所得到的稳态条件下表现出减少泰勒微尺度雷诺数由于分散相的存在下，作为一个水槽的湍流动能的载体流体。在稳态下，平均功率的表面张力是零和湍流的产生率与湍流耗散率是平衡的，其值大于在参考单相的情况下。界面通过在小尺度上引入能量来修改能谱，与单相情况的差异随着韦伯数的增加而减小。这是由于在域中的液滴的数量和总表面积随着韦伯数单调增加。这也反映在随韦伯数变化的液滴尺寸分布中，随着韦伯数的增加，分布的峰值移动到更小的尺寸。我们发现，Hinze估计的最大液滴尺寸，考虑在均匀各向同性湍流中的分裂，提供了一个很好的估计，尽管显着的聚结和平均剪切的存在下的行动。
2019-08-06 physics.flu-dyn
Deformation of ellipsoidal droplets in homogeneous and isotropic turbulence
本文通过三维完全解析模拟基准数据，系统评估多种椭球模型在不同毛细数下描述均匀各向同性湍流中亚 Kolmogorov 尺度液滴变形的适用性。
2025-06-11 physics.flu-dyn
Extreme fluctuations of the relative velocities between droplets in turbulent airflow
我们比较实验和直接的数值模拟来评估的斯托克斯阻力模型，这是广泛使用的惯性粒子在湍流中的研究的准确性。我们专注于统计的耗散尺度和相对粒子速度的极端值为中等惯性粒子（St < 1）。模拟中相对速度的概率分布与实验中的概率分布定性相似。随着Stokes数的增加和相对速度的减小，一致性得到改善。模拟低估了极端事件的概率，这表明斯托克斯阻力模型错过了重要的动力学。然而，在实验和模拟的极端事件的标度行为可以捕捉到相同的多重分形模型。
2016-01-22 physics.flu-dyn
How Violent are the Collisions of Different Sized Droplets in a Turbulent Flow?
我们研究了二维和三维湍流中多分散液滴悬浮液中的典型碰撞速度，并获得了颗粒对碰撞速度与其相对尺寸的关系的精确理论估计。这些分析结果验证了我们的直接数值模拟的数据。我们发现，冲击速度的饱和指数与颗粒尺寸比的倒数。我们的研究结果是重要的合并或破碎（取决于影响速度）的模型，并将是至关重要的，例如，在获得精确的合并内核来描述水滴的增长，引发雨在温暖的云层。
2016-03-18 nlin.CD physics.flu-dyn
Three-dimensional clustering characteristics of large-stokes number sprays interacting with turbulent swirling co-flows
本研究利用像散干涉粒子成像技术实验探究了大Stokes数喷雾在湍流旋流同向流中的三维团聚特性，揭示了团聚程度、尺度与Stokes数的幂律关系及液滴直径分布规律。
2024-03-23 physics.flu-dyn
Effect of surfactant-laden droplets on turbulent flow topology
本文通过直接数值模拟结合相场法，研究含表面活性剂液滴群对湍流通道流拓扑结构的影响，揭示Marangoni力在界面处促进拉伸型流动并量化局部变化。
2023-09-25 physics.flu-dyn
A machine-learned probability distribution in the phase space of turbulent channel flow for synthetic turbulence and flow reconstruction
KU Leuven（荷语鲁汶大学）
研究湍流通道流相空间中机器学习概率分布能否近似物理不变分布，通过训练基于流的生成模型并评估相关属性，经与直接数值模拟比较及应用验证，该分布能很好近似湍流动力系统自然分布，可用于合成湍流和流动重构。
2026-07-21 physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulation of a Turbulent Boundary Layer on a Flat Plate Using Synthetic Turbulence Generation
采用不可压纳维-斯托克斯方程的直接数值模拟（DNS）方法计算平板上的湍流边界层，作为合成湍流发生器（STG）入流边界条件的试验台。入口动量厚度雷诺数约为1，000。该研究验证了STG在边界条件下游5至7个边界层厚度范围内产生精确湍流的能力。还测试了稳定方案变化对边界层发展的影响。此外，所需的网格分辨率的发展区域和下游流动时，使用稳定的有限元方法进行了研究。
2021-02-12 physics.flu-dyn
The effect of turbulence, gravity, and non-continuum hydrodynamic interactions on the drop size distribution in clouds
本文研究云滴在15–40 μm“尺寸间隙”的生长瓶颈，揭示湍流碰撞、水汽涨落和非连续流体动力学对跨越该间隙并形成毛毛雨滴的关键作用。
2025-01-02 physics.flu-dyn
Physical mechanisms for droplet size and effective viscosity asymmetries in turbulent emulsions
在Taylor-Couette（TC）湍流剪切流动中，通过改变油的体积分数，研究了乳状液的微观液滴尺寸和宏观流变性。尽管此处乳液中的油和水具有几乎相同的物理性质（密度和粘度），但出乎意料地，我们发现水包油（O/W）和油包水（W/O）乳液具有非常不同的流体动力学行为，即，这个系统显然是不对称的。从微观尺度看，无论是O/W还是W/O，液滴平均直径几乎不随油体积分数变化。然而，对于W/O，它比O/W大约50%。在宏观尺度上，O/W的有效粘度比W/O的高。这些不对称行为可以追溯到系统中的表面活性污染物的存在。通过引入高浓度的油溶性表面活性剂，我们显着地恢复了O/W和W/O乳液之间的对称性（液滴尺寸和有效粘度）。在此基础上，我们提出了一个可能的机制负责初始不对称性。接下来，我们讨论是什么设置湍流乳液中的液滴尺寸。我们发现了一个-6/5缩放依赖的液滴大小的雷诺数的流动。结合标度依赖性和液滴韦伯数，我们得出结论：决定液滴尺寸的液滴破碎发生在边界层内，并由Levich（1962）提出的平均流梯度引起的动压控制，而不是Kolmogorov（1949）提出的湍流波动引起的动压控制。本研究结果提供了一个理解的微观液滴的形成和宏观流变行为的动态乳化，并连接它们。
2022-01-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Filamentary vortex in a swirling turbulent flow under strong stretching
能量耗散和压力波动是湍流运动的固有特征，也是时空温度波动的内在根源。通过测量当地的速度、压力或温度，有可能检测到相干结构的存在-比如集中的漩涡-并量化它们的强度。在这里，我们报告的速度和温度的测量，在一个附加的旋涡躺在一个强烈拉伸湍流气流。在我们的实验中测得的最大核心温度下降是$ΔT = 9$ K，而测得的最快空气速度是$v_{max} = 200$ m/s，对应于马赫数$M_{max} = 0.59$。在$M \approx 0.1$温度下，温度下降约为$0.5$ K。这些结果与Jelkassem和Vatistas [J. Fluids Eng. 129，1073（2007）]的可压缩涡流模型一致。
2014-05-22 physics.flu-dyn
Sub-Kolmogorov droplet dynamics in isotropic turbulence using a multiscale lattice Boltzmann scheme
采用格子Boltzmann扩散界面模型研究了各向同性湍流中单个液滴的变形和动力学，该模型考虑了外部湍流的产生，并考虑了边界条件。我们专注于一个小的，子Kolmogorov液滴，其规模是远远小于Kolmogorov长度尺度的湍流。外部流场是通过描述被动示踪剂在各向同性湍流中的轨迹的伪谱模拟数据获得的。通过这种方式，我们将液滴的微观尺度和湍流的宏观尺度结合起来。从这个完全解决的模型得到的结果进行比较，以前的研究亚Kolmogorov液滴的动力学在各向同性湍流，其中的分析模型，假设液滴的形状是一个椭圆体在任何时候，是用来描述液滴变形。我们的研究结果证实，混合伪谱格子玻尔兹曼算法是能够研究液滴变形和破碎的制度远远超出了椭球近似。
2021-12-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A transformer-based synthetic-inflow generator for spatially-developing turbulent boundary layers
本研究提出了一种新开发的基于深度学习的方法，用于生成空间发展湍流边界层（TBL）模拟的湍流流入条件。利用Transformer和多尺度增强的超分辨率生成对抗网络的组合来预测垂直于流向方向的各个平面处的空间发展的TBL的速度场。利用跨动量厚度雷诺数Re_theta = 661.5 - 1502.0的平板流动直接数值模拟（DNS）数据集对模型进行了训练和检验。与DNS结果相比，该模型显示出显著的能力来预测具有详细波动的瞬时速度场，并且再现湍流统计以及具有值得称赞的精度的空间和时间谱。所提出的模型也表现出合理的准确性，预测速度场在雷诺数，不用于训练过程中。借助于迁移学习，所提出的模型的计算成本被认为是有效地低。结果表明，第一次变压器为基础的模型可以有效地预测湍流的动态。它还表明，将这些模型与基于生成对抗网络的模型相结合，可以用于解决各种湍流相关问题，包括开发高效的合成湍流流入发生器。
2022-12-16 physics.flu-dyn
Synthetic turbulent inflow generator using machine learning
我们提出了一种方法，用于生成与时间相关的湍流流入数据的帮助下，机器学习（ML），它有可能取代传统的驱动程序模拟或合成的湍流流入发生器。至于ML模型，我们使用具有多层感知器（MLP）的自动编码器类型卷积神经网络（CNN）。对于测试情况，我们研究了充分发展的湍流槽道流动的摩擦雷诺数为${\rm Re}_τ = 180$，以便于评估。使用通过直接数值模拟（DNS）获得的单个横截面中的瞬时速度场的时间序列来训练ML模型，以便输出在指定的未来时刻的横截面速度场。从先验测试中，从训练的ML模型的输出被回收到输入，横截面结构的时空演变被发现是合理地再现所提出的方法。在先验测试中获得的湍流统计数据也是，在一般情况下，在合理的协议与DNS数据，虽然在流率的一些偏差被发现。它还发现，目前的机器学习流入发生器是免费的虚假周期性，不同于传统的驱动器DNS在一个周期性的域。作为一个后验测试，我们执行DNS的流入-流出湍流通道流与训练ML模型用作机器学习的湍流流入发生器（MLTG）在入口处。结果表明，本MLTG可以保持足够长的时间来积累湍流统计的湍流通道流，与相应的驱动程序模拟的计算成本低得多。它也表明，我们可以得到准确的湍流统计，通过适当的校正偏差的流量。
2019-06-12 physics.flu-dyn
Droplet dynamics in homogeneous isotropic turbulence with the immersed boundary-lattice Boltzmann method
本研究开发了一种结合格子玻尔兹曼与浸没边界方法的数值方案，并引入网格正则化以模拟均匀各向同性湍流中小尺度液滴的动力学，报告了变形与取向的统计结果及与理论模型的对比。
2024-05-23 physics.flu-dyn
Intermittency acceleration of water droplet population dynamics inside the interfacial layer between cloudy and clear air environments
我们使用直接的数值模拟来研究湍流层上的扰动的时间演化，湍流层通常将云与周围的晴朗空气分开。穿过这个无剪切层，自然形成湍流动能梯度。在这里，一个有限的扰动形式的局部初始温度波动被施加到模拟的流体动力学不稳定性内的背景湍流气流。然后求解了两种完全相反类型的液滴总体分布的数值初值问题。具体地，我们考虑半径为15 $μ$ m的单分散液滴群体和半径在0.6 - 30 $μ$ m范围内的多分散分布。对于这两种分布，据观察，蒸发和冷凝有一个显着不同的重量内的均匀的多云区域和界面各向异性混合区域。据观察，液滴碰撞的动力学是高度影响的主机区域的湍流结构。这两个群体在其能量衰减瞬变过程中表现出一个共同的方面。也就是说，界面层中碰撞的概率增加，界面层中存在强烈的各向异性速度波动。事实上，该层引起液滴动能和尺寸的增强的差异。多分散和单分散初始颗粒分布都含有$10^7$液滴，与初始液态水含量$0.8 g/m^3$匹配。给出了粒子数平衡方程中几何碰撞的湍流碰撞核的估计。本文对在云界面区得到的两个非定常非遍历碰撞核的结构作了初步讨论。
2021-01-25 physics.flu-dyn
Connecting finite-time Lyapunov exponents with supersaturation and droplet dynamics in the bulk of a turbulent cloud
本研究在暖性无冰云层深处探讨湍流混合对液滴尺寸分布的影响，通过简化的云混合模型和三维直接数值模拟，将过饱和度场与液滴动力学及有限时间李雅普诺夫指数联系起来，发现云体内部蒸发混合均匀但过饱和度弛豫不均匀，且各参数分布呈高斯分布。
2024-03-19 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Triple Hill's Vortex Synthetic Eddy Method
再现真实湍流统计特征的初始或流入合成湍流速度或标量场的生成仍然是一个挑战。先前在大涡模拟的入流条件中介绍的合成涡方法是基于这样的假设，即湍流可被视为相干结构的叠加。本文提出了一种新的合成涡方法，其中基本涡是由三个轴向正交的Hill涡叠加而成。希尔涡的分布是用来合成一个各向异性的湍流速度场，满足不可压缩性条件，并匹配给定的雷诺应力张量。通过从物理参考系到主轴参考系的变换，从已知的雷诺应力分布计算形成基本涡流的三个涡的振幅。通过这种方式，获得了无发散的各向异性湍流速度场，该速度场可以再现给定的雷诺应力张量。该模型进行了测试，各向同性和各向异性的湍流速度场，在网格湍流衰减和湍流槽道流的框架，分别。在考虑的所有测试用例中，发现流入边界附近从人工湍流到真实湍流的过渡很小。
2021-11-26 physics.flu-dyn
Buoyant finite-size particles in turbulent duct flow
本文采用粒子图像测速技术（PIV）和粒子跟踪测速技术（PTV）研究了水平方管湍流中比载流稍重的有限尺寸球形粒子的动力学行为。界面解析直接数值模拟（DNS）也进行了浸没边界法（IBM）在相同的实验条件下，散装雷诺数$Re_{2H}$ = 5600，管道高度颗粒尺寸比$2H/d_p$ = 14.5，颗粒体积分数$Φ$ = 1%和颗粒流体密度比$ρ_p/ρ_f$ = 1.0035。在两相的总压降、浓度分布和湍流统计方面，实验和模拟之间已经观察到了很好的一致性。在相同的$Re_{2H}$下，报告了考虑两种粒度$2H/d_p$ = 14.5和9以及多个$Φ$ = 1、2、3、4和5%的附加实验结果。对于上述参数，压降随体积分数单调增加，几乎是线性的，几乎与颗粒尺寸无关。然而，尽管相似的压降，微观图像，流体速度统计，显着不同的颗粒大小。模拟和实验之间的这种一对一的比较扩展了复杂的湍流多相流中的界面分辨DNS的有效性，并突出了实验在相当详细的情况下调查这种流动的能力，即使在局部体积分数相对较高的区域。
2018-11-28 physics.flu-dyn
The interaction of droplet dynamics and turbulence cascade
在Kolmogorov-Hinze框架中描述了湍流中液滴破碎的动力学。然而，当相之间的强相互作用和聚结变得相关时（这在大多数流动中很常见），在较高浓度下缺乏定量理论。在这里，我们解决这个问题，通过一个完全耦合的数值研究的液滴动力学在高雷诺数的湍流。通过时间-空间谱统计，目前无法访问的实验，我们表明，该过程的特征尺度，欣泽规模，可以精确地确定为规模的净能量交换，由于毛细作用是零。大于该尺度的液滴优先破碎，从流中吸收能量;相反，较小的液滴经历快速振荡，并倾向于合并，向流释放能量。此外，我们链接的液滴尺寸分布与湍流耗散的概率分布。这表明碎裂过程的关键是局部能量通量，它在大尺度上主导着碎裂过程，证明了碎裂过程的局部性。
2022-06-16 physics.flu-dyn
Recent developments of turbulent emulsions in Taylor-Couette flow
乳液在许多自然和工业环境中很常见。近年来，湍流乳状液的动力学研究受到了广泛的关注。本文综述了近年来湍流Taylor-Couette流中乳状液的一些研究，主要集中在分散相的统计和系统的整体动量输运。我们首先研究了低体积分数（稀）的湍流乳液的分散液滴的尺寸分布和破碎机制。对于具有高体积分数的分散相（致密）的系统，我们解决了湍流乳液的全局传输（有效粘度）的详细响应及其与液滴统计的连接。最后，我们将讨论灾难性的相转化，这可能会发生在动态乳化过程中的分散相的体积分数超过一个临界值。最后，我们总结和展望，包括未来研究的一些开放性问题的手稿。这篇文章是主题问题的一部分“泰勒-库埃特和相关的流动泰勒的种子哲学交易文件的百年纪念”。
2022-09-01 physics.flu-dyn
How interfacial tension enhances drag in turbulent Taylor-Couette flow with neutrally buoyant and equally viscous droplets
本文通过直接数值模拟研究Taylor-Couette湍流中中性浮力等黏液滴的阻力增强机制，揭示界面张力对液滴前端的作用阻碍连续相并促进低速条带形成，从而增加系统阻力。
2024-11-20 physics.flu-dyn
Simulation of cloud drop collisions in ABC flow
模拟湍流环境中云滴的碰撞行为在数值上是昂贵的。由于云滴的典型尺寸，它们的运动主要受气流中最小湍流尺度的影响。我们可以利用这个属性，通过使用Arnold-Beltrami-Childress（ABC）流，而不是一个完整的直接数值模拟（DNS）来模拟湍流对云滴碰撞的影响。这允许使用比DNS所需的少得多的计算资源来模拟液滴运动，并且因此允许利用更多的液滴和更大的模型域或更复杂的云物理学进行模拟。这在需要研究特定过程并且对实际湍流的复杂性和细节不感兴趣的情况下是有用的。结果表明，使用ABC流的模拟可以忠实地再现碰撞统计更全面的DNS计算时，使用类似的泰勒微尺度和均方根速度在ABC和DNS流。来自ABC流的结果对于这两个参数在合理范围内的变化是稳健的，即使对参数的调整可以用于进一步调整结果。
2020-10-15 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Electric-field-induced turbulent energy cascade in an oil-in-oil emulsion
我们观察到电流体动力驱动的湍流在低雷诺数的双流体乳液组成的微米级液滴。在存在电场的情况下，液滴产生相互作用的流体动力学流动，这导致在比单个液滴的尺寸大得多的空间尺度上的动态组织。我们的特点与这些结构的动态视频成像和同时，在原位，测量的时间变化的体积雷诺应力与流变仪。结果表明，在空间和时间的能量谱标度不变性。
2014-12-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Microbubbles and microparticles are not faithful tracers of turbulent acceleration
本文报道了在湍流中Stokes数St << 1的小气泡和示踪粒子加速度的拉格朗日统计。在降低雷诺数，气泡加速度显示的示踪剂粒子的偏差，即他们偏离海森堡-Yaglom预测，并显示出更快的去相关，尽管他们的小尺寸和分钟ST。使用直接数值模拟，我们表明，这些效果出现由于这些粒子通过湍流的漂移。我们从理论上预测这种重力驱动的效果发达的各向同性湍流，与斯托克斯弗劳德数或等效的粒子漂移速度的比例控制的加速度方差的增强和相关时间和不稳定性的减少。我们的预测与实验和数值结果吻合得很好。目前的发现与一系列场景有关，包括在湍流的海洋和大气中漂流的微小气泡和液滴。他们还质疑在湍流研究中通常使用微气泡和微液滴作为示踪剂。
2016-06-07 physics.flu-dyn
Computation of Mean Velocity Distribution in a Turbulent Flow
本文提出了一种计算湍流中平均速度分布的近似方法。该方法基于雷诺应力和平均速度之间的关系式。利用压降和平均（总）流速的测量值，计算了各种流体和气体在不同管道和通道中的湍流特性，如平均速度和雷诺应力分布，并与实验测量值进行了比较。这些结果表明，在很大范围的雷诺数下，它们具有良好的一致性。
1999-04-14 physics.flu-dyn
Response of a Turbulent Boundary Layer to a Synthetic Periodic Large-Scale Structure
University of Notre Dame（圣母大学）
实验研究零压力梯度湍流边界层对外区大尺度扰动的动态响应，利用等离子体致动器引入合成大尺度结构，揭示其对近壁湍流调制的“自上而下”相互作用机制。
2026-06-18 physics.flu-dyn
Multiscale simulation of coexisting turbulent and rarefied gas flows
针对湍流与稀薄气体流动难以统一模拟的挑战，研究提出结合介观Boltzmann方程合成迭代格式与k-ω湍流模型的多尺度方法，经实验与稀薄流验证，可捕捉高超声速对向喷流中湍流对表面热流的显著影响。
2024-08-15 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
On the vortex dynamics of synthetic jet -- turbulent boundary layer interactions
利用立体粒子图像测速技术（SPIV）对合成射流与湍流边界层相互作用产生的旋涡动力学进行了实验研究。对三种展弦比为18的矩形孔口几何形状进行了试验，包括垂直于壁面的展向和流向孔口，以及在下游倾斜$45^\circ$的展向孔口。此外，三个驱动条件进行了测试，以探讨不同的吹风比和Strouhal数的影响。在测量平面阵列上获得的SPIV数据用于重建三维平均和锁相速度场，从而能够详细分析旋涡的形成和发展。孔口几何形状和流动条件的变化产生了一系列涡流结构，包括扭曲的涡环、发夹形涡流和拱形涡流。从壁面法线孔的射流主要由与边界层涡度相同方向旋转的涡所控制，该涡度通过增加混合来提高近壁面流速。相反，在倾斜射流的主导结构旋转的边界层涡，这些射流通过直接增加动量提高了近壁的流速。流场分析表明，合成射流-边界层的相互作用，导致倾斜的射流在低吹风比下工作，产生的占主导地位的涡流比壁面垂直射流在相同条件下产生的涡流弱得多。最后，在最低的Strouhal数测试的壁法向射流中的涡流之间的间距的增加导致更高的非定常混合比在较高的Strouhal数观察。
2022-05-15 physics.flu-dyn
Experimental and numerical characterization of single-phase pressure drop and heat transfer enhancement in helical corrugated tubes
本文研究了不同螺距的波纹管内从层流到湍流的流动，以表征波纹管内的三维流动以及波纹管几何形状对压降和对流换热的影响。以水作为工作流体，并施加壁面热通量，范围从约4至33 kW/m2，用CFD商业软件开发了数值模型，其中k Ω SST用于模拟湍流。进行了实验测试，涵盖雷诺数范围从约300至5000，这使得识别过渡区和验证的数值模型。结果表明，由于旋流器产生的旋流，降低了开始向湍流转变的临界雷诺数。热性能因子，它量化的传热强化的压力降为代价，被用来比较的波纹管与光管的参考情况。基于此，除了层流状态下的低雷诺数（Re<500）外，所有研究的波纹几何形状均优于光滑管。总的来说，具有最小节距的波纹管在雷诺数的中间范围（1000<Re<2300）内表现出明显更好的性能，是过渡和湍流状态中更宽范围的操作条件的最佳选择。
2021-07-16 physics.flu-dyn
Heat transfer in drop-laden turbulence
本文通过DNS与相场方法耦合，研究含可变形液滴湍流中的热传递，发现增大普朗特数会减缓传热，并揭示液滴平均温度随时间演化经t/Pr^2/3重标定后具有自相似普适行为。
2023-09-25 physics.flu-dyn
Generating synthetic evolution of turbulent flames with an experimental data-based spatiotemporal diffusion model
University of Notre Dame（圣母大学）
该研究开发条件扩散模型，结合 x 预测流匹配框架及时空变压器，生成湍流火焰合成轨迹，能保留关键特征与统计一致性，还进行过渡合成外推任务，为数据稀疏环境下的数据探索提供新途径。
2026-08-21 physics.flu-dyn
An efficient phase-field method for turbulent multiphase flows
为了有效地用相场法模拟三维多相湍流，提出了一种新的Cahn-Hilliard方程双调和项（四阶导数项）离散格式.这种新的方案可以显着降低计算成本，同时保持相同的精度为原来的程序。我们的相场方法建立在一个直接数值模拟求解器之上，名为AFiD（www.afid.eu），由我们的研究小组开源。它依赖于铅笔分布式并行策略和基于FFT的泊松求解器。为了处理两相之间的大密度比，已将压力分裂方法[1]应用于泊松解算器。为了进一步降低计算成本，我们实现了一个多分辨率的算法，其中的离散化的纳维-斯托克斯方程和标量方程：而一个拉伸的壁解决网格用于纳维-斯托克斯方程，对于Cahn-Hilliard方程，我们使用一个精细的均匀网格。本方法显示出出色的计算性能，为大规模计算：网格高达80亿个节点和3072 CPU核心，多相流只需要略低于1.5倍的CPU时间的单相流求解器在同一个网格上。本方法是通过比较结果与以前的研究剪切流中的液滴变形的情况下，包括网格细化的收敛测试，和密度比高达1000的上升浮力气泡的破裂进行验证。最后，我们模拟了瑞利数为$10^8$的湍流Rayleigh-Bénard对流中大液滴的破碎和O（10^3）液滴的合并，观察到与理论结果很好的一致。
2021-05-05 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
The clustering instability of inertial particles spatial distribution in turbulent flows
本文提出了惯性粒子在湍流速度场作用下，由于其空间分布的不稳定性而引起的惯性粒子的群聚理论。团簇不稳定性的原因是粒子惯性和速度场的有限关联时间的综合作用。团簇不稳定性的关键参数是颗粒的尺寸。临界尺寸估计为一个强的集群（与有限部分的颗粒在集群中）与增长的平均绝对值的颗粒数密度和弱集群与增长的第二和更高的时刻。本文提出了由不可压速度场有限关联时间引起的湍流扩散张量可压缩性的新概念。在这个速度场模型中，拉格朗日轨迹场不是无发散的。提出了团簇不稳定性的饱和机制，它与团簇中粒子的碰撞有关。应用所分析的影响，在湍流大气中的液滴的动力学进行了讨论。一个估计的非线性水平的饱和度的水滴数密度在云中超过了数量级的平均数密度。团簇形成所需云滴的临界尺寸大于$20 μ$ m。
2002-04-12 nlin.CD physics.flu-dyn
Assessment and Application of Wavelet-based Optical Flow Velocimetry (wOFV) to Wall-Bounded Turbulent Flows
本研究评估基于小波的光流测速算法wOFV在壁面约束湍流中的性能，通过合成与实验数据验证其在近壁区速度场解析、壁面切应力估计等方面优于PIV及PIV+PTV，可提升边界附近湍流运动的解析效果。
2023-02-28 physics.flu-dyn
Experimental observation of spontaneous temperature fluctuations in turbulent flows
即使在没有外部施加的温度梯度的情况下，在湍流中也会出现自发产生的温度波动。我们在马赫数为$10^{-3}$的封闭的冯卡门旋转空气流中实验研究了这些波动，其边界保持在恒定的温度。我们观察到间歇性的低温峰值与内流的压降，并表明它们是由涡丝。测量的温度与压力脉动的比值与基于涡核内绝热冷却的预测一致。实验研究表明，虽然流动的马赫数很小，但在流动中存在一些区域，在这些区域中，可压缩效应在温度方程中不能被忽略，并且局部地支配粘性耗散效应。
2023-01-30 physics.flu-dyn
Coordinate-free description of corrugated flames with realistic density drop at the front
波纹火焰前的完整的流体动力学方程组减少到一个系统的坐标自由方程在前面使用的事实，涡的影响仍然相对较弱，即使波纹火焰。它表明如何小，但有限的火焰厚度可以考虑在方程。在小火焰区的湍流燃烧得到类似的方程。湍流波纹火焰的方程与外部湍流稳定的泰勒假设是一致的。
2012-10-30 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Crossover between Rayleigh-Taylor Instability and turbulent cascading atomization mechanism in the bag-breakup regime
液体雾化（或粉碎）是否诉诸不稳定动力学（通过瑞利-高原，瑞利-泰勒或开尔文-亥姆霍兹机制的改进）或湍流级联类似理查森和柯尔莫哥洛夫第一想法的问题似乎仍然是开放的。在本文中，我们报告的实验证据表明，这两种机制都需要解释从工业喷嘴获得的喷雾液滴PDF。Rayleigh-Taylor类型的不稳定性控制最大液滴的尺寸，而最小液滴服从由湍流级联机制给出的PDF，导致稳定性参数接近1.68的对数Lévy稳定定律。这个值非常接近弗洛里指数的倒数，可能与最近的一个模型有关，该模型用于自避免随机涡旋拉伸的不稳定性建模。
2010-05-31 nlin.CD physics.class-ph physics.flu-dyn
Deformation statistics of sub-Kolmogorov-scale ellipsoidal neutrally buoyant drops in isotropic turbulence
湍流中的小液滴可以经历高度可变的变形和取向动力学。对于小于柯尔莫哥洛夫尺度的中性浮力液滴，来自周围湍流的主导效应通过速度梯度张量的拉格朗日时间历史产生。在这里，我们研究了代表性的液滴使用的模型，包括旋转和拉伸效果从周围的流体，和恢复效果从表面张力，包括一个恒定的液滴体积约束，同时假设液滴保持椭圆形的演变。该模型与从湍流DNS中提取的速度梯度张量的拉格朗日时间历程相结合，以获得模拟的液滴演变。这些用于表征湍流中小液滴的尺寸、形状和取向统计。一个临界毛细管数，$Ca_c$被确定与一个或两个液滴的半轴的无界增长。利用与湍流中聚合物动力学的类比，可以基于最大有限时间李雅普诺夫指数的大偏差理论来预测$Ca_c$数。此外，对于亚临界$Ca$的理论能够预测的斜率的幂律尾部的液滴尺寸分布在湍流。当液滴和外部流体的粘度不同的方式，使涡解相关的形状从应变方向的情况下，大偏差形式主义的基础上的拉伸性能的速度梯度张量失去有效性和其预测失败。即使考虑到假设的椭圆形液滴形状的限制，结果突出了液滴变形，取向和局部流体速度梯度张量之间的复杂耦合，当小粘性液滴与湍流相互作用时。
2015-02-12 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
Synthetic Seismograms from Particle Bed Interactions and Turbulent River Flow: Modeling and Comparison with Observations
University of Florence（佛罗伦萨大学）
本文提出基于物理的数值模型，研究水流中沉积物流动产生的地震辐射，通过颗粒轨迹模拟和湍流效应，对比观测数据揭示沉积物输运机制的频谱特征。
2026-04-20 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Caustics and Intermittency in Turbulent Suspensions of Heavy Particles
在不可压缩的湍流中悬浮的非常重的惯性颗粒之间的速度差的统计被发现是非常间歇的。当粒子在粘性子区间内以一定距离分开时，安静的规则区域和多值焦散线之间的竞争导致粒子速度结构函数的准双分形行为，高阶矩带来焦散线的统计特征。相比之下，对于由惯性距离分开的粒子，速度差统计的特征在于局部霍德尔指数，这是尺度依赖的粒子斯托克斯数的函数。高分辨率的直接数值模拟结果的支持。有人认为，这些发现可能有影响的早期阶段的雨滴形成的暖云。
2009-05-08 physics.flu-dyn
Multiscale simulation of interacting turbulent and rarefied gas flows in the DSMC framework
本文提出一种多尺度随机-确定性耦合方法，将通用合成迭代格式与SST湍流模型集成到DSMC中，实现湍流与稀薄气体流动的统一模拟，并验证了其在不同流动区域的自适应收敛性及在逆向射流中的应用效果。
2025-03-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
