Spectral analysis on transport budgets of turbulent heat fluxes in plane Couette turbulence
近几年来，人们对壁湍流中的逐尺度能量传输进行了深入的研究，并对湍流能量在空间和尺度间的复杂传输进行了探讨。由于强化传热是湍流的一个重要方面，从工程的角度来看，它也是重要的研究如何湍流热通量的空间和尺度上的非线性多尺度相互作用的壁湍流和湍流能量。本文利用直接数值模拟的方法研究了具有被动标量传热的平面Couette湍流热通量的谱输运收支。详细研究了展向温度脉动谱和速度-温度关联的输运预算，并与相应的雷诺应力谱进行了比较。这些尺度之间的相似性和差异进行了讨论，特别侧重于尺度间传输和空间湍流扩散的作用。结果表明，温度统计量的谱输运与雷诺应力的谱输运十分相似，特别是雷诺切应力和壁面法向湍流热通量的谱输运普遍存在逆尺度间传输
2022-05-31 physics.flu-dyn
Spectral analysis on dissimilarity between turbulent momentum and heat transfers in plane Couette turbulence
湍流中不同尺度间的非线性相互作用导致了湍流能量的尺度间和空间输运，这种尺度间的相互作用在湍流传热机制中的作用从工程角度看也具有重要的实际意义。在本研究中，我们调查了一个湍流平面Couette流与被动标量传热在普朗特数0.71，为了解决速度和温度场的尺度相互作用之间的相似性/差异。采用等温差边界条件，使平均速度和温度廓线相似，然后比较了尺度间和空间输运对湍流能量谱输运预算和温度统计的作用。我们发现，湍流传热发生在相对较小的流向长度尺度相比，动量传递，虽然分子扩散是更显着的温度场的普朗特数小于1。对温度相关谱的输运收支的详细分析表明，温度场中的尺度相互作用比速度场中的尺度相互作用为小尺度提供了更多的能量。这种显著的温度级联导致小尺度下更强的温度涨落，最终导致湍流热传递和动量传递谱的不相似。
2022-04-06 physics.flu-dyn
A co-spectral budget model links turbulent eddies to suspended sediment concentration in channel flows
悬浮泥沙浓度的垂向分布与水力学、水文学、生态学和水质控制等诸多问题密切相关，一直是研究的热点。在过去的90年里，许多经典理论都是使用有效混合长度或涡扩散系数来描述湍流对悬浮泥沙（SS）的影响，而没有明确说明湍流涡旋的能量。为了解决这一差距，沉积物的湍流通量推导使用的共谱预算（CSB）模型，可以迫切地用于SS和其他细颗粒物传输模型。CSB关闭的压力再分布效应，使用修改后的光谱线性Rotta计划，包括对流层的生产和湍流涡旋和沉积物颗粒之间的相互作用，通过修改后的尺度相关的去相关时间。其结果是一个公式的复杂性类似于广泛使用的劳斯方程，但所有的特征尺度，雷诺数，施密特数的影响来自完善的垂直速度的频谱形状和公认的常数从湍流模型。最后，所提出的CSB模型可以恢复Prandtl和Rouse方程的限制条件。
2021-08-23 physics.flu-dyn
Inferring flow parameters and turbulent configuration with physics-informed data-assimilation and spectral nudging
通过同化观测数据推断湍流的物理参数是一个开放性的挑战，在气象学、气候模拟和天体物理学中具有重要的应用。到目前为止，光谱轻推应用于经验数据同化，作为一种手段，以提高确定性和统计的可预测性，在有限的现场测量的存在。在这里，我们探讨在何种条件下，一个轻推协议可以用于两个新的目标：解开的物理流参数的值，并从一个稀疏的信息在空间和时间重建大规模的湍流特性。首先，我们应用nudging来定量地推断未知的旋转速率和湍流的剪切机制。第二，我们表明，一个合适的频谱轻推是能够重建的能量包含尺度旋转湍流使用一个盲目的设置，即没有任何输入有关的外部强迫机制作用于流。最后，我们讨论了广泛的潜力轻推到其他关键应用物理信息的数据同化环境或应用流配置。
2018-10-26 physics.flu-dyn
Spectral proper orthogonal decomposition of harmonically forced turbulent flows
本文提出循环平稳谱本征正交分解（CS-SPOD），将SPOD推广到具有周期性统计特性的湍流，并给出理论联系、极限简化与高效算法，通过模型和湍流射流验证其有效性。
2023-05-09 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
Roughness-induced critical phenomenon analogy for turbulent friction factor explained by a co-spectral budget model
通过对临界现象的类比，可以看出，半径为$R$和壁面粗糙度为$r$的管道中的Nikuradse湍流摩擦系数（$f_t$）测量值可以被压缩到表示为输送定律$f_t Re^{1/4}=g_o(χ)$的一维曲线上，其中$Re$是体积雷诺数，$χ=Re^{3/4}\left({r}/{R}\right)$。通过匹配$f_t$的两个渐近极限，得到了隐函数$g_o(.)$.然而，$g_o(.)$和它宣称代表的现象-湍流漩涡-之间的联系仍然缺乏。利用壁面法向速度谱模型和压力-应变效应的各向同性回归模型来闭合共谱密度预算，推导出了$g_o(.)$。所提出的方法明确地推导出的解决方案的输送法，并提供了一个物理解释的$χ$作为一个无量纲的长度尺度，反映粘性子层厚度和特征高度的粗糙元素之间的竞争。所提出的方法，以其他已发表的测量跨越粗糙度和雷诺数超出原来的尼库拉兹范围的应用进行了进一步讨论。
2021-09-01 physics.flu-dyn
Additive Equivalence in Turbulent Drag Reduction by Flexible and Rodlike Polymers
我们解决的“添加剂等效性”发现的Virk和同事：阻力减少的影响，灵活和刚性棒状聚合物添加到湍流壁有界的流动是有限的，从上面一个非常相似的最大阻力减少（MDR）渐近线。考虑到棒状聚合物在壁有界湍流合奏的运动方程，我们表明，虽然微观机制实现MDR是非常不同的，宏观理论是同构的，合理化有趣的实验观察。
2005-01-13 nlin.CD physics.flu-dyn
Abrupt growth of large aggregates by correlated coalescences in turbulent flow
Smoluchowski的凝聚动力学在这里示出失败时，聚结的物种是稀释和运输的湍流。间歇拉格朗日运动涉及相关的暴力事件，导致最大粒子的意外快速出现。这种新的现象在这里量化的湍流三点运动的异常缩放，导致显着的校正宏观过程中，是非常敏感的早期阶段出现的大胚胎聚集体，如在行星形成或降雨。
2015-07-08 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Spectral Modeling of Rotating Turbulent Flows
我们测试了旋转湍流的亚网格尺度谱模型对直接数值模拟。泰勒-格林强迫在大尺度的特殊情况下被认为是，一种配置，模仿两个反向旋转的磁盘之间的流动，经常在实验室中使用。我们进行计算中存在的适度旋转下降到Rossby数为0.03，可以在地球大气和海洋中遇到的。我们提供了几个经典的措施的各向异性程度的小规模的研究中的流量，并得出结论，各向同性模型可能足以在中等Rossby数。先前开发的模型（Baerenzung等人，E 77，046303（2008）），其结合了动态地取决于能谱的惯性指数的涡流粘度以及涡流噪声。我们表明，该模型再现令人满意的所有大规模的直接数值模拟的性能高达雷诺数的顺序为10000和长时间后发病的逆级联的能量在低Rossby数。
2008-12-10 physics.flu-dyn
Flow configuration and pressure effects on turbulent premixed hydrogen jet flames
Loughborough University（拉夫堡大学）；RWTH Aachen University（亚琛工业大学）
研究通过直接数值模拟探讨了不同压力下槽形和圆形喷嘴湍流稀释预混氢气火焰的流动配置和压力影响，发现压力显著改变火焰传播特性。
2026-03-16 physics.flu-dyn
Universal Scaling Laws for Dense Particle Suspensions in Turbulent Wall-Bounded Flows
本文研究了平板槽道湍流中中性浮力球稠密悬浮液的宏观行为。我们发现，颗粒大于最小的湍流尺度导致悬浮液偏离连续极限，其动态是很好地描述了一个有效的悬浮液粘度。这种偏差是由于在壁面附近形成具有显著滑移速度的颗粒层而引起的。通过假设两个不同的运输机制，在近壁层和湍流的散装，我们定义了一个有效的壁位置，使在散装的流动仍然可以准确地描述由一个有效的悬浮液粘度。因此，我们提出了缩放律的悬浮液流的平均速度的轮廓，连同一个主方程能够预测的阻力增加的颗粒尺寸和体积分数的函数。
2016-08-31 physics.flu-dyn
Multiscale analysis of spectral broadening of acoustic waves by a turbulent shear layer
本文研究了平面湍流剪切层上有源辐射声波的散射问题。该层由移动的随机介质模拟，其平均速度具有小的空间和时间波动，并且具有恒定的密度和声速。在已知速度波动的关联函数的情况下，我们对层间传播的声压场进行了多尺度摄动分析，并推导出其功率谱密度。我们的目的是比较所提出的分析模型与一些实验结果获得的射流在开放的风洞。我们从理想流体流动的欧拉方程开始，并将其线性化为周围的非定常非均匀流动。本文研究了无环境流速波动的透射压力场，得到了具有常特征的无扰动介质的格林函数。然后，我们使用Lippmann-Schwinger方程推导出透射压力场的解析表达式，作为层内速度波动的函数。其功率谱密度随后计算调用一个固定的相位参数，假设此外，源是时间谐波和层是薄的。最后研究了声源频率和环境流速对透射压力场功率谱密度的影响，并与其他解析模型和实验数据进行了比较。
2020-03-09 physics.flu-dyn
On the relevance of Reynolds stresses in resolvent analyses of turbulent wall-bounded flows
本文研究了在雷诺数Re $_τ$ = 1007的槽道湍流中线性随机响应分析估计相干运动的能力。通过分离不同时间频率的贡献，对缓冲层和大尺度运动的空间尺度特征进行了分析。测量的时空功率谱密度和那些估计的预解式之间的良好协议被发现时，湍流雷诺应力的影响，与湍流平均流的涡粘性建模，包括在预解算子。当平坦的强迫功率谱（白噪声）被替换为与措施相匹配的功率谱时，该协议得到进一步改善。这样一个很好的协议是没有观察到的涡粘性条款时，不包括在预解算子。在这种情况下，基于预解式的估计无法正确选择缓冲层运动的峰值频率和壁面法线位置。相似的结果被发现时，比较截断扩展的测得的流向速度功率谱密度的基础上的频谱适当的正交分解与最佳的预解模式。
2019-01-14 physics.flu-dyn
The turbulent mean-velocity profile: it is all in the spectrum
管流的平均速度分布与湍流能量谱密切相关。在这里，我们进行了频谱分析，以确定主导生产的剪切应力通过动量转移的涡流。这种分析使我们能够将MVP表示为谱的泛函。MVP的每个部分都与特定的光谱范围相关：缓冲层到耗散范围，对数层到惯性范围，尾流到能量范围。谱的参数设置粘性层的厚度、缓冲层的振幅和尾流的振幅。
2009-09-15 physics.flu-dyn
Statistics and spectral analysis of turbulent duct flows with flexible and rigid polymer solutions
我们提出了一个实验研究的湍流减阻与柔性和刚性聚合物解决方案。柔性聚合物是部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），刚性聚合物是黄原胶（XG）。实验在低减阻（$\%DR < 40$）、高减阻（$\%DR > 40$）和最大减阻（其中速度分布$U^+$大致匹配Virk渐近线）下进行。我们比较了速度剖面，流向和壁面法向雷诺应力和功率谱的流向速度波动测量激光多普勒测速仪（LDA）。我们的研究结果表明，XG和HPAM聚合物对湍流的影响是相似的，前提是雷诺数和$\%DR$也相似。在高水平的$\%DR$，XG和HPAM流的流向速度波动的功率谱密度显示在$-3$附近的幂律衰减，而不是在惯性范围内的$-5/3$。$-3$功率谱的斜率最近被解释为聚合物射流中弹性惯性湍流（EIT）的证据。在相对低的浓度下，我们观察到柔性聚合物溶液在降低阻力方面更有效，而XG仅在非常高的浓度下达到MDR。因此，我们假设，具有较高浓度的聚合物聚集体的形成有助于增加粘弹性，从而增加$\%DR$与XG和其他刚性聚合物溶液的粘弹性。
2022-10-19 physics.flu-dyn
Block Spectral Stresses (BSS) estimation for shock-capturing and turbulent modeling
提出面向高阶非结构有限体积求解器的BSS组合模型，利用速度梯度谱估计亚滤波项并捕捉高阶激波，在湍流与槽道流中呈现随网格和数值阶数变化的性能差异。
2024-02-29 physics.flu-dyn
Spectral Modeling of Magnetohydrodynamic Turbulent Flows
基于涡阻尼拟正态马尔可夫近似，提出了一种用于不可压磁流体动力学方程大涡模拟的动力学谱模型。该模型扩展了经典的频谱大涡模拟的纳维-斯托克斯方程，将一般（非Kolmogorovian）的频谱以及涡噪声。我们推导出MHD模型，并表明，引入一个新的涡流阻尼时间的频谱张量的动力学之间的速度和磁场均分的情况下，导致更好的协议与直接的数值模拟，发电机计算的一个重要点。
2008-03-31 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Numerical simulation of dilute polymeric fluids with memory effects in the turbulent flow regime
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
本文研究了在湍流流态下求解Hooke型时间分数阶Navier-Stokes-Fokker-Planck方程的数值挑战，通过Hermite谱方法将问题转化为宏观模型，并证明了Hermite缩放参数的最优选择，实现了对完全耦合时间分数阶系统的收敛率与时间分数阶导数阶数无关的数值方案。
2024-11-26 cs.NA math.NA 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
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
Spectral link of the generalized Townsend-Perry constants in turbulent boundary layers
我们提出了一个最小的谱理论的边界层湍流，捕获很好的轮廓的均方速度波动在流向，并给出了定量预测的Townsend-Perry常数。唯象模型的基础是连接的统计流向的能量谱的流向速度波动。最初的谱理论是为了解释摩擦因子和冯卡门定律而提出的。我们推广它包括波动的壁面剪应力和流向速度。预测的平均速度和均方波动的配置文件进行了比较，速度数据从风洞实验。
2020-06-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Large Eddy Simulation of Turbulent Barotropic Flows in Spectral Space on the Sphere
大气环流模式的数值模拟受到空间分辨率的限制，因此大涡模拟（LES）是研究这些模式的首选方法。在LES中，低通滤波器应用于流场以分离大尺度和小尺度运动。在隐式过滤LES的计算网格和离散化计划被认为是低通滤波器，而在显式过滤LES的方法中，过滤过程是从网格和离散化运营商分离，并允许更好地控制数值误差。本文的目的是研究和比较隐式过滤和显式过滤LES的大气环流模式在谱空间。为了实现这一目标，我们提出的结果隐式过滤和显式过滤LES的正压大气环流模式的球面上的谱空间，并比较它们与直接数值模拟（DNS）得到的结果。我们的研究表明，虽然在一些积分量，如总动能和总拟能的计算中，从隐式过滤LES和显式过滤LES得到的结果与DNS结果显示出同样良好的协议，显式过滤产生的能量谱，显示出更好的协议与DNS的结果。更重要的是，显式滤波捕获相干结构随时间的位置，而隐式滤波不。
2014-04-08 physics.flu-dyn
A spectral-Galerkin turbulent channel flow solver for large-scale simulations
本文介绍了一种用于直接数值模拟大尺度槽道湍流的全（伪）谱求解器。求解器利用由J. Shen [SIAM J. Sci.计算：16，1，1995]，这导致稳定和强大的数值方案，即使在非常大的规模。设计了直接求解线性系的新的快速算法，并提供了所有所需标量积和变换的算法和矩阵。我们验证求解器非常高的雷诺数。具体而言，求解器显示为再现Hoyas和Jiménez [Phys. Fluids，18（1），2006]的一顺序统计量，用于$Re_τ=2000$处的通道流。该求解器可通过开源项目spectralDNS [https：//github.com/spectralDNS]获得。
2017-01-13 cs.NA math.NA 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
Resolvent-based modelling of coherent wavepackets in a turbulent jet
从实验测量中提取了雷诺数为460000和马赫数为0.4的射流中的相干湍流波包结构，并将其建模为平均流周围的线性波动。线性模型是基于谐波最优强迫结构和它们相关的流量响应在个人Strouhal数，从分析的全球线性预解算子。这些强迫响应波包（“预解模式”）首先讨论有关的物理机制，提供能量增益的射流中的流动扰动。模态剪切不稳定性和非模态奥尔机制被确定为占主导地位的元素，干净的最佳和次优的强迫响应对之间的分离。谱协方差动力学框架内的理论发展，然后阐明了线性谐波强迫响应结构和随机湍流波动的交叉谱密度（CSD）之间的联系。在给定的Strouhal数的CSD的低秩模型制定从截断的线性预解模式集。相应的实验CSD矩阵构造从广泛的两点速度测量。他们的本征模（光谱适当的正交或SPOD模式）表示相干波包结构，这些相比，从线性模型得到的对应物。密切的协议被证明在范围内的“优选模式”Strouhal数，约为0.4的值，从实验中推导出的领先的相干波包结构之间，从线性分解为基础的模型。
2019-06-06 physics.flu-dyn
Koopman analysis of the long-term evolution in a turbulent convection cell
通过Koopman特征函数分析，我们分析了封闭的立方湍流Rayleigh-Bénard对流单体中三维流动的长期演化。在这里，采用从机器学习中已知的扩散核导出的数据驱动基来表示在Galerkin近似意义下的酉Koopman群的正则化生成元。由此产生的Koopman特征函数可以根据立方盒中的离散对称性分组为子集。特别是，速度场的投影到第一组本征函数揭示了四个稳定的大尺度环流（LSC）状态的对流单体。我们重新捕获的优先循环辊在对角和短期切换通过辊状态平行的侧面，也已经看到在其他模拟和实验。对角宏观流动状态可以持续长达一千个对流自由落体时间单位。此外，我们发现，特定的Koopman特征函数的第二子集中服从增强振荡波动的LSC的特定稳定的对角状态。相应的速度场结构，如角涡和漩涡中平面，也讨论了通过时空重建。
2018-04-05 physics.flu-dyn
Spectral POD analysis of the turbulent wake of a disk at Re = 50, 000
本文采用谱本征正交分解（SPOD）方法研究了中等高雷诺数（$\Rey$）下圆盘湍流尾迹的相干结构，该方法考虑了数值数据库中所有三个速度分量。给定流向（$x$）位置的SPOD特征值是方位波数（$m$）、频率（$\Str$）和SPOD指数（$n$）的函数。通过$x/D =10$，两种特定的模式支配波动能量：（i）具有$m=1, \Str =0.135, n=1$的涡旋脱落（VS）模式，以及（ii）具有$m=2, \Str \rightarrow 0, n=1$的双螺旋（DH）模式。在近尾流中，VS模式比DH模式更有能量，但在远尾流中，DH模式占主导地位。DH模式，当与当地的湍流速度和长度尺度，显示自相似的特征值和本征模式，而VS模式，这是一个全球模式，不表现出严格的自相似性。模式$m = 0$，3和4，虽然次显性，也作出了显着的净贡献的波动能量，和他们的本征谱进行评估。通过改变$(m,\Str,n)$的组合来评估TKE和雷诺剪切应力$\langle u'_{x} u'_{r} \rangle$的重建。较高的SPOD模式对TKE的贡献很大，尤其是在中心线附近。相反，重建$\langle u'_{x}u'_{r}\rangle $需要的模式少得多：$|m| \leq 4 $、$|\Str| \leq 1$和$n \leq 3$。在方位角模式中，$m=1$和$2$是TKE和$\langle …
2020-10-20 physics.flu-dyn
Physical mechanisms for droplet size and effective viscosity asymmetries in turbulent emulsions
在Taylor-Couette（TC）湍流剪切流动中，通过改变油的体积分数，研究了乳状液的微观液滴尺寸和宏观流变性。尽管此处乳液中的油和水具有几乎相同的物理性质（密度和粘度），但出乎意料地，我们发现水包油（O/W）和油包水（W/O）乳液具有非常不同的流体动力学行为，即，这个系统显然是不对称的。从微观尺度看，无论是O/W还是W/O，液滴平均直径几乎不随油体积分数变化。然而，对于W/O，它比O/W大约50%。在宏观尺度上，O/W的有效粘度比W/O的高。这些不对称行为可以追溯到系统中的表面活性污染物的存在。通过引入高浓度的油溶性表面活性剂，我们显着地恢复了O/W和W/O乳液之间的对称性（液滴尺寸和有效粘度）。在此基础上，我们提出了一个可能的机制负责初始不对称性。接下来，我们讨论是什么设置湍流乳液中的液滴尺寸。我们发现了一个-6/5缩放依赖的液滴大小的雷诺数的流动。结合标度依赖性和液滴韦伯数，我们得出结论：决定液滴尺寸的液滴破碎发生在边界层内，并由Levich（1962）提出的平均流梯度引起的动压控制，而不是Kolmogorov（1949）提出的湍流波动引起的动压控制。本研究结果提供了一个理解的微观液滴的形成和宏观流变行为的动态乳化，并连接它们。
2022-01-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Causality in the shock wave/turbulent boundary layer interaction
本文研究了马赫数为2时激波/湍流边界层相互作用的低频非定常机制。研究是基于大涡模拟的数值数据库进行的，该数据库涵盖了约300个低频激波波动周期。在相互作用区的频谱的评估表明，宽带低频不稳定主要是二维的，可以通过展向平均隔离。经验推导的传递函数计算使用平均流场，并表明下游流区和激波波动之间的反馈机制的发生。传递函数也被用来作为一个估计工具，以准确地预测冲击运动;对于输入和输出信号之间的最大流向分离，预测和LES数据之间的相关性高于0.6。通过对谱本征正交分解（SPOD）模式的计算，证实了在主导谱模式中存在上游行波。最后，使用选定的流区下游的冲击获得的频谱模式，使相互作用区的能量的一个重要部分的重建。目前的结果进一步阐明了驱动激波运动的物理机制，指出了下游区域与近似激波位置处的特征非定常波动之间的因果关系。
2020-12-06 physics.flu-dyn
New insight into the spectra of turbulent boundary layers with pressure gradients
随着湍流边界层（TBL）的新的高雷诺数（$Re$）数据库的可用性，已经可以详细识别具有更复杂行为的边界层的某些区域。在这项研究中，我们考虑了一个独特的数据库，在中度高$Re$，具有接近恒定的逆压梯度（APG）（Pozuelo { \it et al.}，{ \it J.流体机械}，{ \bf 939}，A34，2022），并对雷诺应力进行频谱分析，重点关注流向分量。我们评估不同区域的APG TBL，比较这种情况下的零压力梯度（ZPG）TBL，并确定相关的缩放参数以及不同大小的尺度的贡献。在近壁区的小尺度的近壁谱峰已被发现使用粘性单位缩放。在APG TBL中，靠近壁面的最大尺度与边界层厚度（$δ_{99}$）具有更好的标度性，并且它们受到APG的显著影响。在边界层的重叠区和尾流区，小能量尺度与位移厚度（$δ^*$）具有良好的比例关系，而较大尺度和外谱峰与边界层厚度具有良好的比例关系。还应注意，光谱外峰的壁法线位置与位移厚度成比例，而不是与边界层厚度成比例。APG TBL中的光谱所表现出的各种缩放在这里首次报道，并阐明了这些具有重要科学和技术意义的流动中存在的复杂现象。
2022-07-21 physics.flu-dyn
Lagrangian studies of coherent sets and heat transport in constant heat flux-driven turbulent Rayleigh-Bénard convection
本研究基于拉格朗日示踪粒子轨迹与时变流动网络，分析了恒定热通量驱动湍流Rayleigh-Bénard对流中的相干集合，发现超颗粒结构在垂直热传输中起关键作用且空间延展更大。
2023-09-14 physics.flu-dyn
Fully turbulent flows of viscoplastic fluids in a rectangular duct
粘塑性流体在高雷诺数下的湍流流动已经被直接数值模拟（DNS）研究，但实验结果有限。为此，我们进行了实验研究的充分湍流的屈服应力流体在一个矩形的纵横比通道与高分辨率的激光多普勒测速仪（LDA）装置。我们使用Carbopol水溶液，通常被认为是一种简单的屈服应力流体。我们制定了不同的浓度，以解决在近似恒定的雷诺数的湍流统计流体的流变学的效果。此外，我们还进行了实验，在不同的雷诺数的单一卡波普配方，以研究其效果。通过流变学测量、湍流统计和速度波动的功率谱密度进行流动分析。向流动中添加Carbopol增加了湍流各向异性，与相同平均速度下的水相比，流向速度波动增强，壁面法向速度波动减少。这种变化反映在流向速度波动的功率谱密度上，我们观察到大尺度湍流结构的能量大幅增加。相反，与水相比，较小尺度的能量降低，其中能量以比$k_x^{-5/3}$的牛顿幂律更陡的尺度下降。当我们用Carbopol溶液增加雷诺数时，流向雷诺应力接近核心中的牛顿值，这表明剪切稀化的影响逐渐减小。功率谱密度显示，在较大的尺度上的能量含量略有下降与雷诺数。然而，即使雷诺数接近50000，剪切稀化效应也不会消失。
2022-07-18 physics.flu-dyn
Explosive synchronization in a turbulent reactive flow system
本文通过湍流反应流系统实验发现了具有迟滞现象的爆炸性同步转变，揭示了局部热释放振子与全局声场在振荡不稳定性起始点的同步机制并构建了数学模型。
2023-09-14 nlin.AO physics.flu-dyn
Response of a plate in turbulent channel flow: Analysis of fluid-solid coupling
本文模拟了摩擦雷诺数为180和400时槽道湍流激励下矩形板的运动。假设流固耦合是单向耦合的，即流体作用于固体，而不是固体作用于流体。我们在流体域中使用有限体积直接数值模拟来求解不可压缩的纳维-斯托克斯方程。在固体域中，我们使用时域有限元法求解动态线弹性方程。外标度下，得到的板平均位移谱在低频区发生了坍塌。然而，高频频谱水平不会在内部单位中崩溃。这种光谱行为是使用理论论证推理的。我们进一步研究的来源板激发使用一种新的配方。该公式将板的平均位移谱表示为通道内流体源的综合贡献。对净位移源的分析表明，在板的固有频率处，流体源对板激励的贡献在缓冲层中达到峰值。相应的壁法向宽度为$\approx 0.75δ$。我们使用净位移源的谱本征正交分解（POD）来分析源的去相关特征。我们在具有对称正定核的内积中加强了模的正交性。占主导地位的光谱POD模式有助于整个板激发。来自不同壁法线区域的剩余模式的贡献经历相消干涉，导致净贡献为零。主模的包络进一步表明，贡献的位置和宽度分别取决于内部和外部单元。
2020-04-17 physics.flu-dyn
Coherent structures at the origin of time irreversibility in wall turbulence
本研究提出欧拉多尺度分析方法研究壁面湍流时间不可逆性，发现其与相干结构强关联，近壁区关联内谱峰、远壁区关联外谱峰，为相关建模与控制奠定基础。
2023-05-05 physics.flu-dyn
Chaotic measures as an alternative to spectral measures for analysing turbulent flow
本文综述了利用混沌测度（如最大Lyapunov指数和有限时间Lyapunov指数）分析湍流的进展，表明其在小尺度模拟中比谱测度更可靠，并展示了其在相变和二维薄层湍流中的应用价值。
2024-08-27 hep-th nlin.CD physics.flu-dyn
An amplitude-frequency study of turbulent scaling intermittency using Empirical Mode Decomposition and Hilbert Spectral Analysis
Hilbert-Huang变换是近年来提出的一种将非线性、非平稳时间序列分解为不同模式之和的方法，每个模式都有一个特征频率。在这里，我们展示了这种方法的第一次成功应用均匀湍流时间序列。我们将每种模式与耗散、惯性范围和积分尺度联系起来。然后，我们推广这种方法，以便在惯性范围内，在振幅-频率空间中的湍流的标度不稳定性的特征。新方法首先验证使用分数布朗运动模拟。然后，我们得到一个二维的振幅-频率表示的PDF的湍流波动的缩放趋势，我们展示了如何使用这种方法可以检索多重分形指数。我们还发现，对数泊松分布拟合速度振幅pdf比对数正态分布。
2014-01-17 physics.data-an physics.flu-dyn
Fast Macroscopic Forcing Method
本文提出快速宏观强迫方法，结合稀疏重构与矩阵-向量乘积，仅用少量DNS模拟即可高效重构湍流闭合算子，在层流和湍流通道流中分别以1%和13%的代价恢复涡扩散率算子，精度较随机低秩方法提升约100倍。
2023-06-23 physics.comp-ph physics.flu-dyn
SCoReT: Super-Resolution Compression and Reconstruction of Turbulent Flows
Indian Institute of Technology, Madras（印度马德拉斯理工学院）；Nanyang Technological University, Singapore（新加坡南洋理工大学）
研究湍流重建的两种范式，即监督重建和物理信息重建，引入涡度增强监督方法和物理信息方法，通过基于三维非定常可压缩纳维-斯托克斯方程的部分辅助可压缩PINN公式实现，评估不同稀疏度下的重建性能并分析两种方法优缺点。
2026-07-07 physics.flu-dyn
Transition to turbulence in randomly packed porous media; scale estimation of vortical structures
多孔介质中涡旋流动结构的孔尺度观测是许多自然和工业系统中的重大挑战。涡结构动力学被认为是基于孔隙雷诺数$Re_p$的多孔介质中过渡区域的驱动机制。为了检验这一论断，折射率匹配的随机填充的多孔介质被设计成使用二维时间分辨粒子图像测速（PIV）来测量从非定常层流到湍流过渡的旋涡流结构的尺度。$Re_p$的平面PIV数据从100到948用于使用两种不同的标度（i）$Re_p$宏观（全局）和（ii）$Re_{\langle p\rangle}$微观（局部）在尺寸、强度和数密度方面量化标度。采用涡流强度、涡核和增强涡流强度的涡流识别方法对涡流尺度的直接测量进行了量化。将这些尺度与湍流积分尺度进行了比较。在中等非定常层流雷诺数（$Re_p <300$）下观察到剪切主导的涡结构，而在弱湍流雷诺数（$Re_p>500$）下观察到旋涡主导的流动结构。从宏观的角度来看，增加Rep导致：（i）涡结构的尺寸逐渐减小，达到全球水力直径的20 $\%$，（ii）涡强度的增长，以及（iii）涡的平均数密度的增加。从孔尺度（本地）的角度来看，增加$Re_{\langle p\rangle}$导致的涡旋结构的大小单调下降，（ii）上升的强度的旋涡，和（iii）不变性的涡旋结构的数密度。这些研究结果表明，孔隙与宏观尺度的耦合存在的尺度上的旋涡流结构的过渡制度。
2020-12-30 physics.flu-dyn
Analysis of coherence in turbulent stratified wakes using spectral proper orthogonal decomposition
本文采用谱本征正交分解（SPOD）方法，在雷诺数为$Re = 5 \times 10^{4}$，弗劳德数为$Fr$ = $2, 10$的条件下，提取并分析了圆盘湍流尾迹中的相干结构。研究发现，两种尾迹的SPOD本征谱均表现出低秩行为，且低阶模态对总涨落能量的相对贡献随$x/D$的增大而增大。涡脱落（VS）机制，这对应于$St \approx 0.11-0.13$在两个尾流，是积极的和占主导地位的整个域在两个尾流。在VS模式下SPOD本征谱峰的连续下游衰减是非分层尾流的一个显著特征，浮力抑制了这种衰减，特别是对于$Fr = 2$。当下游距离超过$Nt = Nx/U = 6 - 8$时，VS频率处和附近的能量出现在尾流的外部区域。可视化显示，非定常重力内波（IGW）出现在相同的$Nt = 6 - 8$。VS机制和非定常IGW生成之间的因果关系也建立使用基于SPOD的重建和分析的压力传输项。在SPOD分析中，这些IGW也作为主导SPOD本征模形状的结构变化而被拾取。$Fr = 2$尾流在{ $Nt > 15$ }处的尾流核心中显示分层，其由下游位置$x/D > 30$处VS频率的领先SPOD本征模式捕获。$Fr = 2$尾流的VS模式是流向相干的，由$x/D \gtrsim 30$处的V形结构组成。总的来说，我们发现，相干的唤醒，发起的VS模式在身体，延长浮力远下游。此外，这种相干性在空…
2021-12-23 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
Experimental investigation of the turbulent cascade development by injection of single large-scale Fourier modes
本文对纳维-斯托克斯方程非线性项的重复作用引起的流动尺度间的动态相互作用进行了实验研究。注入窄带振荡，代表一个单一的傅立叶模式，到一个圆形的射流允许测量下游的产生和发展的高次谐波频谱分量，并测量这些组件最终被吸收到充分发展的湍流。此外，所观察到的测量功率谱的动态演变对应于他人所报道的测量级联延迟。密切匹配的频谱发展和级联延迟也直接从一个一维的解决方案的纳维-斯托克斯方程中描述的配套文件。在目前的工作中的结果提供了重要的信息，初始条件如何影响发展的频谱的形状和时间尺度的程度在三重相互作用的过程中，这应该是有意义的湍流建模。
2020-08-28 physics.flu-dyn
Physics informed data-driven near-wall modelling for lattice Boltzmann simulation of high Reynolds number turbulent flows
本文提出一种结合物理信息的神经网络数据驱动框架，用于高雷诺数湍流格子玻尔兹曼方法的近壁建模，大幅减少训练数据需求并准确预测大范围雷诺数下的壁面行为。
2024-02-12 physics.flu-dyn
Polymer rheology simulations at the meso- and macroscopic scale
我们表明，在波动的介观尺度和流动不稳定性发生的宏观尺度下的聚合物流变学的模拟可以同时实现与耗散粒子动力学（DPD）技术。我们通过在标准DPD流体中引入有限分数的哑铃来模拟聚合物液体的粘弹性。这些哑铃的拉伸和翻滚的统计是在协议与已知的剪切流中的孤立的聚合物。与此同时，该模型表现出的行为让人想起在湍流状态下的减阻：随着聚合物分数的增加，在平面Couette流的湍流的发病被推到更高的雷诺数。该方法开辟了可能性，随后粗粒聚合物统计模型非平凡的流变条件。
2010-06-06 cond-mat.soft physics.class-ph physics.flu-dyn
SIMR-NO: A Spectrally-Informed Multi-Resolution Neural Operator for Turbulent Flow Super-Resolution
Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Tennessee, Knoxville（田纳西大学诺克斯维尔分校机械与航空航天工程系）
本文提出SIMR-NO，一种多分辨率神经算子，通过频谱信息和多尺度结构恢复湍流流场的高分辨率。在Kolmogorov强迫的二维湍流中，从极粗的观测重建高分辨率流场，取得更低的误差和更准确的频谱复现。
2026-03-30 cs.LG 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
Global climate modeling of Saturn's atmosphere. Part III: Global statistical picture of zonostrophic turbulence in high-resolution 3D-turbulent simulations
我们进行了深入的分析，统计流特性计算参考高分辨率土星模拟获得的全球气候模拟第二部分。在这个参考模拟的稳定状态下，出现了强能量的、区域主导的、大尺度结构，其与莱茵尺度成比例。频谱分析揭示了一个强的各向异性的动能谱，与纬向湍流制度。通过计算谱能量和涡度拟能通量，我们证实了与二维湍流理论相关的双级联方案的存在。为了诊断土星湍流大气中的相关三维动力学机制，我们使用我们的全球气候模型的理想化版本运行了一组四个模拟，该模型没有辐射转移，具有定义明确的泰勒-格林强迫和几个旋转速率（4，1，0.5和0.25倍土星旋转速率）。这使我们能够识别三个不同的惯性范围内的动力学：（1）“剩余主导”范围，其中非轴对称结构占主导地位，光谱斜率为-5/3;（2）“纬向旋转惯性”范围，由轴对称喷流占主导地位，其特征是具有更陡（近-3）光谱斜率的强纬向模堆积;和（3）一个“大尺度”范围，超出莱茵河的典型长度尺度，其中参考土星模拟和我们的理想化模拟不同。在后一个范围内，动力学是占主导地位的长寿命的纬向模式2和3时，土星一样的季节性强迫被认为是（参考模拟），和一个陡峭的能量减少与理想化的泰勒-格林强迫。最后，瞬时光谱通量显示的共存的高档和降尺度拟能/能量转移在大尺度上，特定的三维大气中的层转湍流的制度。
2020-01-08 astro-ph.EP physics.flu-dyn
On the anti-aliasing properties of entropy filtering for discontinuous spectral element approximations of under-resolved turbulent flows
本研究探讨基于熵的自适应滤波方法在缓解欠解析湍流模拟中混叠驱动不稳定性的能力，通过雷诺数270,000的NACA0021翼型高阶隐式大涡模拟，发现其效果与过积分等标准抗混叠方法相当且不损失精度。
2023-12-31 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Learning to correct spectral methods for simulating turbulent flows
Google Research（谷歌研究院）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
本文提出基于Fourier谱方法的机器学习增强求解器，用于模拟流体动力学PDEs，在相同分辨率下精度提升2-4倍，并总结了ML与数值方法结合的关键设计原则。
2023-06-25 cs.LG physics.flu-dyn
Energy stability analysis of turbulent incompressible flow based on the triple decomposition of the velocity gradient tensor
在流动可视化的背景下，Kolar在2007年提出了将速度梯度三重分解为无旋应变流、剪切流和刚体旋转流[V.Kolar，International journal of heat and fluid flow，28，638，（2007）]，其最近重新受到关注。三重分解开启了纳维-斯托克斯方程的精细能量稳定性分析，并对湍流的结构、可计算性和规律性的数学分析产生影响。本文对不可压缩湍流进行了能量稳定性分析，指出在宏观尺度上，任何指数不稳定的无旋应变流结构都将迅速演化为线性不稳定的剪切流和稳定的刚体旋转流。这种情况下，不排除无旋应变流接近Kolmogorov微尺度，因为有粘性耗散稳定的不稳定的流动结构。与最坏情况下的能量稳定性估计相反，这种精细的稳定性分析反映了在较长时间内湍流中稳定流动结构的存在。
2021-08-23 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Effects of Initial Condition Spectral Content on Shock Driven Turbulent Mixing
由于Richtmyer-Meshkov不稳定性和随之而来的湍流行为引起的物质混合在各种物理系统中引起了强烈的兴趣，包括惯性约束聚变，燃烧和恒星演化的最后阶段。对激波驱动混合的大量数值和实验室研究已经证明了与激波引起的湍流开始相关的丰富行为。在这里，我们报告的进展，了解冲击驱动的混合在不同密度的流体之间的接口，通过三维数值模拟使用隐式大涡模拟的背景下的湍流代码。我们考虑了一个激波管结构，在低密度气体（空气）中嵌入一个高密度气体（SF $_6$）带。马赫数为1.26的激波通过SF $_6$带，导致由Richtmyer-Meshkov不稳定性驱动的向湍流的转变。当稀疏波和从后壁反射的二次激波通过SF $_6$带时，系统被跟踪。我们应用各种初始扰动的物理标准偏差，波数范围，和扰动的光谱斜率保持不变，但最初存在的模式的数量是不同的两种流体之间的接口。通过这样降低界面初始谱模的密度，我们发现，我们可以实现多达25%的总混合在后期。这对处理三维和降维模拟模型中应用于材料界面的初始条件具有潜在的直接影响。
2015-06-25 astro-ph.SR physics.flu-dyn
On the growth of laminar-turbulent patterns in plane Couette flow
本文研究了平面Couette流中层流-湍流带斑图在全局稳定性阈值R_g附近的增长，在该阈值R_g以下，层流最终占优势。适当定制的直接数值模拟进行管理系统扩展到足以容纳几个波段。初始状态或萌芽是一个有限范围的倾斜湍流斑块。的增长被认为是从几个竞争的过程中产生的：（i）湍流补丁的成核接近或在已经形成的带段的末端，与相同的结晶性作为胚芽或相反的一个，和（ii）湍流崩溃类似的带衰减的间隙形成。展向扩张一旦有效，就可以观察到向螺旋形的生长。当R足够大时，理想对齐的图案通常在长而渐进的正则化阶段结束时获得。在略高于R_g时，可观察到稳定的分离带。当生长速率不够大时，细菌会在一个长的瞬态结束时腐烂，类似于实验中观察到的情况。局部连续增长/衰减微观机制被认为是竞争与大的偏差，这是介观成核事件（湍流补丁或层流间隙）控制系统的宏观行为（模式）的原因。这些研究结果的影响进行了讨论，根据Pomeau的建议，在统计物理中的定向渗流和一阶相变。
2012-02-01 nlin.PS physics.flu-dyn
