Where do small, weakly inertial particles go in a turbulent flow?
我们报告的实验结果，在一个充分发展的湍流的Kolmogorov尺度的大小的重粒子的动力学。在相同的流动条件下，两质点速度和加速度差矢量的混合欧拉结构函数<δv \cdot δa_p>随质点惯性的增大而显著增大。我们表明，这种增加是与这些动态量之间的优先排列。随着颗粒密度的增加，观察到这两个矢量共线的概率增加。我们表明，这些结果是一致的优先采样的应变占主导地位的区域的惯性粒子。
2012-02-02 physics.flu-dyn
Inhomogeneous preferential concentration of inertial particles in turbulent channel flow
导致惯性颗粒在低湍流扩散率区域中的优先集中的湍流泳动是非均匀湍流（例如自由剪切流或壁边界流）的独特特征。本文将均匀湍流中弱惯性颗粒的成团理论推广到槽道湍流的非均匀情形。在均匀湍流中，除了团簇外，非均匀性也有助于团簇形成。根据湍流的局部统计，导出了产生不均匀颗粒浓度的空间相关速率。我们提供了浓度的成对关联函数的公式，该函数分解为时间和空间相关的平均浓度的乘积和时间无关的聚类因子，该聚类因子在点之间的距离上服从幂律。这种幂律表征了粒子分布的不均匀多重分形性。一个独特的示范和量化的组合效应的turbophoresis和分形聚类在一个直接的数值模拟的颗粒运动在湍流槽道流中进行根据所提出的理论。流动的不均匀性对聚集的贡献最大，发生在粘性子层和缓冲层之间的过渡区域。均匀项和非均匀项的比值取决于壁距。非均匀项可以显著增加惯性颗粒的优先浓度，因此与纯均匀湍流中具有相同惯性的颗粒相比，非均匀湍流中的总体聚类程度可能更强。
2017-02-05 physics.flu-dyn
Investigating the magnitude and temporal localization of inertial particle mixing in turbulent channel flows
该研究通过直接数值模拟与拉格朗日框架，探究不同斯托克斯数惯性颗粒在Reτ=950湍流槽道流中的混合特性，揭示了颗粒惯性对混合的影响随源点位置、排列及距壁距离变化的规律。
2023-06-16 physics.flu-dyn
Lagrangian velocity and acceleration correlations of large inertial particles in a closed turbulent flow
本文研究了非均匀各向异性流中大惯性颗粒对湍流脉动的响应。我们进行了拉格朗日研究，使用粒子比周围的流体更重和更轻，其直径是可比的流量积分尺度。分析了速度和加速度的关联函数，计算了这些粒子的拉格朗日积分时间和加速度时标。大小和密度如何影响这些时间尺度的知识是至关重要的，在理解粒子动力学，并可能允许随机过程建模使用两个时间模型（例如Sawford的）。由于颗粒在封闭流的准整体中被长时间跟踪，平均流影响它们的行为，并且还使速度时间统计数据，特别是速度关联函数偏置。通过使用一种允许计算湍流速度轨迹的方法，我们可以得到无偏的拉格朗日积分时间。这在访问这种颗粒的尺度分离以及将其与类似配置中的流体颗粒的情况进行比较时特别有用。
2015-12-24 physics.flu-dyn
Suspension of large inertial particles in a turbulent swirling flow
本文对高雷诺数湍流旋流中大惯性颗粒的空间分布进行了实验观测。使用几个高速摄像机跟踪的塑料颗粒比工作流体重，因此它们的动力学是由重力效应和湍流搅动之间的竞争引起的。我们遵守两种不同的暂停制度。在低转速下，颗粒被强烈地限制在底部附近，并且无论其大小或密度如何都不能到达罐的上部区域。在高旋转速率下，粒子被松散地限制：小粒子变得几乎均匀分布，而非常大的物体则优先在顶部附近发现，就好像重力被逆转一样。我们讨论了这些意见的随机行走占粒子惯性的极小模型，并表明，大颗粒有一个更强的概率留在流的上部，因为它们太大，到达下降流区域。因此，颗粒在顶部附近表现出随机的水平运动，直到它们到达平均流消失的中心区域，或者直到湍流波动使它们下降。
2023-03-24 physics.flu-dyn
Concentrations of inertial particles in the turbulent wake of an immobile sphere
直接数值模拟被用来研究一个小的重惯性粒子流的层流和湍流尾流的不可压缩的均匀流入面对一个不动的球的相互作用。不与障碍物碰撞，但移动过去的颗粒，被发现在球体边界层和它的尾流中形成优先浓度。在层流的情况下，上游发散的流动模式是负责颗粒聚集在圆柱体上延伸到下游的球体。该表面的内部不包含粒子，可以被视为大障碍物的阴影。这样的浓度分布也存在于湍流尾流的情况下，但显示出有限的延伸。球体阴影之后是对称轴周围的区域，其中浓度高于平均值。它起源于粒子从脱落涡流中的共振离心排出。本文还简要讨论了这种浓度机制对单分散粒子间碰撞的影响。它们通过增加的浓度和尾流中颗粒之间的大速度差的存在而增强。
2015-01-27 physics.flu-dyn
The vertical-velocity skewness in the inertial sublayer of turbulent wall flows
本文研究了绝热湍流惯性子层中垂直速度偏度$Sk_w$的普适行为，发现其恒定在0.1-0.16范围内，并提出理论模型解释该现象，指出常规下梯度闭合近似无法预测$Sk_w$，同时提供了可实现的新方法。
2024-07-08 physics.flu-dyn
Transition between advection and inertial wave propagation in rotating turbulence
在受到强背景旋转的湍流中，湍流的平流机制被惯性波的传播所取代，因为旋转的影响变得占主导地位。虽然这一机制已在实验中得到证实，但这两种机制之间的过渡条件尚不清楚。我们解决这个问题的实验跟踪湍流前远离固体壁射流进入一个否则静止的流体。在没有背景旋转的情况下，该装置产生湍流锋，其位移恢复了经典的振荡网格获得的$z(t)\sim t^{1/2}$定律，并且我们进一步建立了相关传输机制的尺度独立性。当设备以垂直于流体注入的壁的恒定速度旋转时，不仅湍流前沿变得主要由惯性波传输，而且平流本身也由于这些波的传播引起的局部动量不足而被抑制。湍流锋位移的逐尺度分析表明，平流和传播之间的过渡在空间和光谱上都是局部的，并且发生在基于所考虑尺度的Rossby数为1时，或者等价地，当惯性波的尺度相关群速度与局部平流速度相匹配时。
2019-12-23 physics.flu-dyn
Homogeneous turbophoresis of heavy inertial particles in turbulent flow
本文揭示了统计均匀湍流中重惯性粒子的湍泳效应，通过直接数值模拟构建粗粒化动力学，引入尺度依赖的Péclet数表征粒子分布与空隙的幂律统计特征。
2024-04-24 physics.flu-dyn
Effects of the quiescent core in turbulent channel flow on transport and clustering of inertial particles
在最近的实验和数值研究中，槽道湍流中心存在一个静止核。以相对均匀的速度大小和弱湍流水平为特征的QC区域在雷诺数$1000$至$4000$范围内$Re_τ$时占据了横截面的大约$40\%$。QC区域及其边界对惯性粒子输运和积累的影响以前从未被研究过。在这里，我们首先证明了QC是无法识别的$Re_τ= 180$，在深入探索颗粒负载的湍流通道流在$Re_τ= 600$进行之前。惯性球表现出的倾向，积累优先在高速区域内的QC，即相反的众所周知的浓度在低速条纹在近壁区域。的颗粒壁的正常分布，定量的Voronopolitan体积和颗粒数浓度的装置，突然改变整个QC边界和涡流结构出现的空隙面积由于离心机制。的QC边界，其特征在于由一个本地化的强剪切层，出现了作为一个\emph{barrier}，通过它的惯性粒子的运输受阻。然而，QC框架中的统计学条件表明，QC外部的颗粒的平均速度朝向核心，而QC内部的颗粒倾向于向壁迁移。这种向上和向下的粒子运动是由流体包裹的类似运动驱动的。目前的研究结果表明，QC施加的惯性颗粒，这是在高雷诺数通道流的实际意义的传输和积累的实质性影响。
2020-09-17 physics.flu-dyn
Spatial Distribution of Inertial Particles in Turbulent Taylor-Couette Flow
本研究通过直接数值模拟和Voronoi分析，揭示了湍流泰勒-库埃特流中惯性粒子在不同斯托克斯数下的聚集与径向分布规律，明确了离心力、偏置采样和湍流泳的主导作用，为工业应用中的粒子控制提供理论依据。
2024-02-27 physics.flu-dyn
Dynamics of particle-laden turbulent Couette flow. Part1: Turbulence modulation by inertial particles
在载有颗粒的湍流中，对于高于$10^{-4}$的体积分数，载体流体相中的湍流受到分散颗粒相的影响，因此反向耦合或双向耦合在该体积分数范围内变得相关。在Muramulla $et.al.^1$最近的一项研究中，对于临界体积分数O（$10^{-3}$），在垂直的载有颗粒的湍流槽道流中观察到湍流强度的不连续降低。湍流强度的崩溃是湍流能量产生率灾难性下降的结果。从机理上讲，固液耦合在固粒湍流库埃特流中不同于在封闭槽道流中。本文通过双向耦合DNS研究了惯性颗粒对Couette流湍流的调制作用，其中颗粒体积分数（$ϕ$）从$1.75\times10^{-4}$变化到$1.05\times10^{-3}$，基于半通道宽度的雷诺数（$δ$）和基于壁面速度的雷诺数（$U$）（$Re_δ$）为$750$。粒子是重点粒子，具有基于流体积分时标的$St\sim367$，由$δ/U$表示。在超过临界体积分数$ϕ_{cr}\sim7.875\times10^{-4}$后，流体湍流强度、均方速度和雷诺应力均出现不连续的下降。湍流剪切产生的急剧减少和湍流动能的粘性耗散的减少是发生类似槽道流的不连续转捩的两个重要现象。逐步粒子注入和逐步去除的研究证实，这是粒子的存在，这主要是在这个不连续的过渡。
2022-04-01 physics.flu-dyn
Elasto-inertial Chains in a Two-dimensional Turbulent Flow
惯性和弹性的相互作用被证明是有显着的影响，在一个二维的湍流中的珠弹簧链建模的非线性对象的运输。我们展示了如何在惯性珠之间的弹性相互作用的结果在一个非平凡的采样的流量，范围从截留内的旋涡优先采样的应变区域。这种行为被量化为惯性和弹性的函数，并且显示出与自由的、非相互作用的重粒子以及无惯性链非常不同[Picardo等人，物理修订版信函121，244501（2018）]。此外，通过考虑两个极限情况下，一个沉重的头和一个均匀惯性链，我们说明了这样的扩展对象的质量分布在其湍流运输中发挥的关键作用。
2019-08-23 nlin.CD physics.flu-dyn
Inertial particle velocity and distribution in vertical turbulent channel flow: a numerical and experimental comparison
本文研究了两种不同体积浓度（$Φ_{V} = 3 \times 10^{-6}$和$Φ_{V} = 5 \times 10^{-5}$）下，Stokes数为$St^{+} = 58.6$的含惯性颗粒的垂直槽道湍流的统计特性。两个独立的直接数值模拟模型，利用点粒子的方法进行比较，最近的实验测量，所有相关的无量纲参数直接匹配。虽然两个数值模型都是基于相同的一般方法构建的，但实现的细节是不同的，特别是关于如何表示双向耦合。在低体积负荷，这两个数值模型是在一般协议与实验测量，与壁附近的壁法向粒子速度波动的某些例外。在高负荷下，这些差异增加，它被发现，颗粒聚集在模拟中被高估相比，实验观察。对差异的潜在原因进行了讨论。由于这项研究是第一个对数值模型和实验之间的颗粒流统计数据进行一对一比较的研究，因此需要继续努力协调观察到的行为和数值预测之间的差异。
2019-04-19 physics.flu-dyn
Forward and backward in time dispersion of fluid and inertial particles in isotropic turbulence
本文从理论和数值两方面研究了各向同性湍流中流体和惯性粒子对的时间向前（FIT）和时间向后（BIT）色散。已知流体粒子在三维湍流中比FIT更快地分离BIT，并且我们发现惯性粒子也是如此。然而，我们发现，在惯性粒子分散的不可逆性是在一般情况下比流体粒子强得多。例如，BIT与FIT均方间隔的比率对于惯性颗粒可以比对于流体颗粒大高达一个数量级。我们还发现，对于惯性粒子和流体粒子的不可逆性变得更强的规模，他们的分离减少。关于不可逆性的物理机制，我们认为，而流体粒子对分散的不可逆性可以理解的方向偏差所产生的能量转移过程中的湍流，惯性粒子的经验产生的不可逆性的额外来源的非本地贡献，其速度动力学，贡献消失在极限${St\to0}$，其中$St$是粒子斯托克斯数。对于每个给定的初始（最终，在时间向后的情况下）分离$\bm{r}^0$，存在分散不可逆性最强的最佳值$St$，因为这样的颗粒最佳地受到两种不可逆性源的影响。我们推导出分析表达式的位，均方分离的惯性粒子和比较的预测…
2015-07-22 physics.flu-dyn
On the relevance of lift force modelling in turbulent wall flows with small inertial particles
本研究通过直接数值模拟探讨湍流壁面流动中小惯性颗粒的升力建模问题，发现对于内尺度直径量级为1及更大的颗粒，升力在近壁区域显著影响颗粒动力学和动量输运，强调了采用真实升力模型对准确预测湍流调制的必要性。
2024-07-26 physics.flu-dyn
Inertial spheroids in homogeneous, isotropic turbulence
本文研究了{ \it惯性}圆盘和杆在三维均匀各向同性湍流中的旋转动力学。特别是，我们展示了如何对齐和去相关的时间尺度，这样的球体依赖，关键是，在这两个水平的惯性和纵横比，这些粒子。这些结果说明了惯性的影响-这导致了局部流动几何形状的优先采样-对湍流中圆盘和杆的统计数据。我们的研究结果是重要的各种自然和工业环境中的不对称，球状惯性粒子的湍流运输是无处不在的。
2018-08-03 physics.flu-dyn
Description of clustering of inertial particles in turbulent flows via finite-time Lyapunov exponents
本文导出了非定常随机流中惯性质点在Stokes阻力作用下运动的渐近解。该解提供了有限时间李雅普诺夫指数作为斯托克斯数和拉格朗日应变和旋转速率自协方差的函数。这些指数的总和，这对应于一个浓度加权的粒子速度场的发散，被认为是聚类的措施。对于分散在各向同性湍流中的惯性颗粒，我们的分析预测在中间Stokes数处的最大聚类和在小和大Stokes数处的最小聚类。直接数值模拟进行定量验证我们的分析，显示两者之间的合理协议。
2016-06-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Turbulence modulations and drag reduction by inertialess spheroids in turbulent channel flow
以往对非球形颗粒与流体相互作用的研究大多局限于细长纤维状颗粒，这些颗粒被观察到诱导湍流减阻。然而，微小的盘状颗粒的存在下，如何壁湍流调制和是否发生阻力减小仍然是未知的。基于这些问题，本文采用欧拉-拉格朗日方法对槽道湍流中的无惯性椭球体进行了双向耦合直接数值模拟。该附加应力解释了来自流体相上的无惯性球体的反馈。结果表明，刚性细长纤维（长球体）和薄盘（扁球体）可以导致显着的湍流调制和阻力降低。然而，盘诱导的阻力减少是不太明显的刚性纤维具有相同的体积分数。在流动统计和湍流拟序结构两个方面观察到添加剂减阻流动的典型特征。此外，与单向模拟相比，双向耦合的结果表现出更强的优先排列和更低的旋转速率。最后提出了无惯性球体的减阻机理，并解释了纤维和圆盘减阻性能的差异。我们发现，球形颗粒削弱了准流向涡通过负功，因此，雷诺切应力降低。然而，由颗粒产生的平均剪切应力，这是形状相关的，部分补偿雷诺剪切应力的减少，从而影响减阻效率。本研究表明，微小的盘状颗粒可以作为壁湍流减阻剂的替代。
2021-02-07 physics.flu-dyn
Role of initial separation for Richardson scaling of turbulent two-particle dispersion
根据最近的研究结果，重新评估了初始分离对湍流双粒子弥散惯性范围标度的作用。（《物理评论快报》上发表的评论的稍微扩大的版本）。
2023-01-19 physics.flu-dyn
Experimental study of turbulent thermal diffusion of inertial particles in a convective turbulence forced by oscillating grids
Ben-Gurion University of the Negev（内盖夫本-古里安大学）
通过振荡网格强迫对流湍流实验，研究惯性固体颗粒的湍流热扩散现象，发现有效漂移速度与理论预测一致，且惯性颗粒（直径10 μm）的漂移速度是非惯性颗粒（0.7 μm）的1.5-2.5倍。
2026-05-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Using approximate inertial manifold approach to model turbulent non-premixed combustion
惯性流形理论（IM）被用来发展湍流燃烧的降阶模型。在这种方法中，系统的动态跟踪在一个低维流形确定在原位，而不调用层流火焰结构或统计假设的基础湍流。近似IM（AIM）的基本概念是将系统的慢主导动力学行为限制在低维流形上，而快动力学行为对IM上的动力学行为做出瞬时响应。分解的慢/快动态和制定的AIM是通过只利用控制方程。对初始非预混的燃料-空气混合物在强迫各向同性湍流中的发展进行了直接数值模拟（DNS）。改变反应速率参数以允许不同水平的熄灭和重燃。在捕捉不同的火焰行为的AIM性能进行评估的先验和后验。结果表明，AIM捕获的火焰，包括熄灭和重燃的动态。此外，AIM提供标量耗散率，反应标量的混合时间，以及非线性项的封闭，而无需任何额外的建模。AIM公式被认为是有前途的，并提供了一种新的方法来模拟湍流燃烧。
2021-03-23 physics.flu-dyn
Burns turbulent dispersion considers the dispersed phase as a passive scalar
本研究揭示双流体RANS泡状流中常用的Burns湍流弥散力等效于将气相视为跟随湍流涡的被动标量，验证了其适用于低空泡份额压水堆管流的气泡弥散表征。
2024-03-11 physics.flu-dyn
Dynamics of inertial particles in a turbulent von Karman flow
我们研究了中性浮力颗粒的动力学，其直径在柯尔莫哥洛夫尺度单位（eta）和雷诺数的范围[1，45]内变化，基于泰勒尺度在580和1050之间。在Von-Karman（VK）流的中心，用扩展的激光多普勒测速仪测量颗粒速度的一个分量，通过微分得到加速度。我们发现，尽管粒子加速度方差随着粒子直径的增加而减小，且标度接近（D/eta）^-2/3，但与以前的观察结果一致，加速度自相关的特征时间比以前报道的要大得多，并且与D/eta呈线性关系。对加速度概率密度函数的新分析表明，较大颗粒的机翼较小;平坦度确实减小，这也是从VK流中欧拉压力增量的行为中所预期的。我们将我们的测量结果与以前在风洞湍流和数值模拟中的观察结果进行了对比，并讨论了所观察到的差异是否来自VK流的固有特性。
2010-01-27 physics.flu-dyn
Transport of inertial spherical particles in compressible turbulent boundary layers
通过直接数值模拟研究马赫数2至6可压缩湍流边界层中惯性球形颗粒的输运，发现压缩性效应显著减弱大惯性颗粒的近壁聚集、小尺度簇聚及流向速度脉动强度，并揭示其与近壁颗粒马赫数及流体密度黏度变化有关。
2024-07-15 physics.flu-dyn
Modification of the turbulent energy cascade by polymer additives
通过跟踪大量的强烈的湍流中的小颗粒，我们表明，即使是一个非常小的浓度的长链聚合物破坏通常的湍流能量级联。聚合物影响的尺度远大于其物理尺寸，从耗散范围到惯性范围。该效应强烈地依赖于聚合物浓度。虽然耗散尺度统计随着聚合物浓度的增加而连续变化，但是当浓度高于阈值（对于我们使用的聚合物，按重量计约百万分之五）时，惯性范围能量传递速率仅被聚合物添加剂改变。
2007-12-31 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
Distribution of velocity gradients and rate of caustic formation in turbulent aerosols at finite Kubo numbers
在一维湍流气溶胶（悬浮在随机流中的惯性粒子）模型中，我们计算了在有限但很小的久保数Ku下粒子速度梯度的分布和焦散形成率，对于任意的斯托克斯数St。我们的结果与前面在小Ku和大St的极限下得到的结果一致，使得Ku^2 St保持不变。我们展示了有限时间相关性和非遍历效应如何影响有限但很小的久保数下的惯性粒子动力学。
2012-04-29 physics.flu-dyn
Asymptotic closure model for inertial particle transport in turbulent boundary layers
重惯性粒子在湍流边界层中的输运方程可以从相空间概率密度函数（PDF）方程中导出。然而，这些方程是不封闭的，标准的封闭方法是使用准正态近似（QNA），其中四阶矩近似为速度正态分布。除了具有弱惯性的粒子之外，QNA导致大的定量误差，并且与Sikovsky的已知渐近预测不一致（Flow Turbulence Combust，第92卷，2014年，第100页）。41-64）的PDF在粘性子层的时刻。我们推导出一个新的封闭近似的基础上的渐近解的区域中的粒子惯性的影响是显着的输运方程。新的封闭与Sikovsky的渐近预测是一致的，但即使在粘性子层之外也适用。与直接数值模拟（DNS）的比较表明，当粘性Stokes数为$St<10$时，新的封闭模型得到了与QNA相似的结果（QNA结果与DNS的一致性略好），但对于$St>10$，新模型与DNS的一致性远好于QNA。虽然新模型的预测仍有改进的余地，但结果表明，这种新的封闭策略是传统QNA方法的一种非常有效的替代方案，并且可以在未来的工作中改进封闭策略。
2022-11-09 physics.flu-dyn
Single inertial particle statistics in turbulent flows from Lagrangian velocity models
我们提出了拉格朗日示踪粒子模拟技术的扩展[B. Viggiano等人，流体力学杂志（2020），第900卷，A27]，其考虑了颗粒惯性的影响。因此，几个斯托克斯数的粒子速度直接建模的多层Ornstein-Uhlenbeck过程和比较的关键统计量（二阶速度结构函数，加速度关联函数，和均方根加速度）的表达式来自巴彻勒的模型，以及直接的数值模拟（DNS）进行。在这两种方法中，斯托克斯的阻力由近似的“线性滤波器”处理，该滤波器将进入流体速度场的粒子位置替换为相应的理想示踪剂位置。惯性粒子的优先浓度的影响被考虑在一个有效的斯托克斯数，这是从零交叉的加速度关联函数从DNS确定。因此，这种近似允许通过随机方法和拉格朗日速度模型对惯性粒子统计进行建模;粒子速度有效地与粒子位置解耦。与普通滤波技术[Cencini等人，杰·特布尔（2006），7，N36]，我们的方法捕获了在低斯托克斯数下的粒子的优先浓度的影响，其例如通过增加斯托克斯数的加速度方差的急剧减小而表现出来。
2021-06-14 physics.flu-dyn
Relative velocities of inertial particles in turbulent aerosols
本文计算了随机混合流和湍流中相同惯性颗粒的相对速度和分离度的联合分布。我们的结果是通过匹配的渐近形式的分布。该方法考虑了悬浮颗粒的空间聚集以及它们运动中的奇异性（所谓的“焦散”）。因此，它适当地考虑相空间的分形性质，并根据相应的相空间分形维数D_2来表征分布。该方法清楚地展示了分布的普遍性（与流量的统计特性无关）：在小颗粒间距R和不太大的径向相对速度|V_R|下，径向相对速度的分布呈现普适的幂律形式ρ（V_R，R）\sim |V_R| ^{D_2-d-1}，条件是D_2 <d +1（d是空间维度），并且斯托克斯数St足够大，可以形成焦散线。在V_R的范围内，这个幂律是有效的，它取决于R，取决于斯托克斯数，也取决于流动的性质。我们的结果是在很好的协议与计算机模拟的结果的粒子悬浮在随机速度场与有限的相关时间。在白噪声限值中，结果与[Gustavsson和Mehlig，Phys.Rev.E84（2011）045304]的结果一致。
2013-07-05 physics.flu-dyn
Some issues concerning Large-Eddy Simulation of inertial particle dispersion in turbulent bounded flows
研究了壁面湍流大涡模拟（LES）中惯性颗粒弥散的精确欧拉-拉格朗日模型问题。我们运行直接数值模拟（DNS）的湍流槽道流在剪切雷诺数等于150和300和相应的先验和后验LES在不同的粗网格。然后，我们跟踪不同的惯性粒子群，我们研究了过滤和亚网格尺度（SGS）建模的流体相粒子速度和浓度统计的影响。我们还重点讨论了如何通过LES预测颗粒的优先偏析。结果表明，即使是“良好的解析”LES是无法再现的物理表现为DNS，无论是在壁的颗粒积累和颗粒的优先偏析。在这项研究中考虑的颗粒的整个范围内观察到不准确的预测，即使当颗粒的响应时间是远远大于流的时间尺度没有解决LES。先验和后验测试都表明，恢复流体和颗粒速度波动的水平不足以准确预测近壁积聚和局部偏析。这可能表明，重新引入正确数量的高阶矩的速度波动也是一个关键点SGS封闭模型的粒子方程。另一个重要的问题是可能存在的流动雷诺数对颗粒分散的影响。我们的研究结果表明，在小雷诺数湍流和重颗粒的情况下，剪切流体速度是一个合适的尺度参数来量化这些影响。
2008-01-15 physics.flu-dyn
Mechanisms of drag reduction by semi-dilute inertial particles in turbulent channel flow
本文研究了在半稀释条件下分散的惯性颗粒在$\mathrm{Re}_τ= 180$湍流槽道流动中引起显着减阻的机理。我们考虑一系列四向耦合欧拉-拉格朗日模拟，其中在从$M=0.2$到1.0逐渐增加的质量负载下引入摩擦斯托克斯数为$\mathrm{St}^+ = 6$或30的颗粒。模拟结果表明，$\mathrm{St}^+ = 30$颗粒在$M=1.0$处引起的减阻率高达19.74%，而$\mathrm{St}^+ = 6$颗粒在$M=1.0$处引起的增阻率高达16.92%.为了揭示减阻或增阻的机制，我们研究了通道内的应力分布以及分散颗粒对近壁相干结构的影响。我们发现减阻颗粒的一个显著特征是形成极长的簇，称为绳。这些结构优先与低速条纹对齐，并有助于其稳定和抑制爆裂。尽管由于颗粒的额外的应力，调制的近壁相干结构导致更大的减少雷诺剪切应力和局部再层化的近壁流。在具有$\mathrm{St}^+ = 6$的增阻颗粒的情况下，还观察到雷诺剪切应力的降低，然而，这种降低不足以克服导致阻力增加的附加颗粒应力。
2023-03-28 physics.flu-dyn
An experimental study on the settling velocity of inertial particles in different homogeneous isotropic turbulent flows
本文对不同背景湍流下稠密亚Kolmogorov惯性颗粒的重力沉降速度进行了实验研究。我们报告相位多普勒粒子分析仪测量在低速风洞均匀播种微米尺度的水滴。湍流由三种不同的网格生成（两种由不同的主动网格协议组成，而第三种是常规的静态网格），使我们能够涵盖基于泰勒尺度的雷诺数（$Re_λ\in [30-520]$），劳斯数（$Ro \in [0-5]$）和体积分数（$ϕ_v \in[0.5\times10^{-5} - 2.0\times10^{-5}]$）方面的非常广泛的湍流条件。我们发现，在协议与以前的工作，增强的沉降速度发生在低的Rouse数，而阻碍的沉降发生在较高的Rouse数为降低湍流能级。广泛的流动参数的探索，使我们能够观察到，增强显着降低与泰勒雷诺数，并显着影响的体积分数$ϕ_v$。我们还研究了大尺度强迫对沉降速度修正的影响。通过使用不同的网格来改变流入条件的可能性使我们能够测试具有固定$Re_λ$和湍流强度但不同积分长度尺度的情况。最后，我们评估了二次流的存在，在风洞和颗粒沉降的作用。这是通过表征两个不同位置（中心线和靠近壁）的沉降速度来实现的，具有相同的流向坐标。
2022-07-14 physics.flu-dyn
Three-dimensional turbulent relative dispersion by the Gledzer-Ohkitani-Yamada shell model
本文研究了三维不可压缩高雷诺数湍流中的电子对色散，该湍流是通过对Gledzer-Ohkitani-Yamada（GOY）壳模型的动力学进行傅立叶变换而产生的。结果表明，GOY壳模型可以成功地再现湍流相对色散的Batchelor和Richardson-Obukhov两种状态。我们还研究了交叉时间尺度与粒子对的初始分离，并将其与Batchelor的预测进行比较。
2010-02-03 physics.flu-dyn
Velocity circulation intermittency in finite-temperature turbulent superfluid helium
利用实验网格湍流和Hall-Vinen-Bekarevich-Khalatnikov模型的数值模拟研究了湍流超流氦中环流矩的不稳定性。更准确地说，我们计算的速度循环$Γ_r$的大小为$r$的环路铺设在惯性范围内。对于这两个，实验和数值数据，环流方差显示出一个明确的柯尔莫哥洛夫标度$\langle Γ_r^2 \rangle \sim r^{8/3}$在惯性范围内，独立的温度。高阶矩的标度指数是可比的，误差条内，以前报道的异常循环指数在经典湍流和低温量子湍流数值模拟。
2022-04-27 physics.flu-dyn
A General Method for Large Eddy Simulation in Different Range of Turbulent Flows
传统的大涡模拟是基于Kolmogrov假设，在惯性范围内进行的。在惯性范围内，LES模型系数是尺度不变的。在很多情况下，如在边界层中计算时，滤波尺度不在惯性范围内，模型系数随滤波尺度变化剧烈，尺度不变性的假设是不恰当的。本文提出了一个一般性的约束原则，并根据已有的谱理论和先验数据推导出两个具体的约束条件。约束动力学Smogorinsky模型能较好地预测不同受迫范围和衰减范围内的湍流能谱。结果表明，在不同的湍流范围内，动态混合模型在预测能谱和SGS耗散方面比经典模型有更好的效果，并且与实际应力有很强的相关性。
2014-08-15 physics.flu-dyn
Non-equilibrium formulation for inertial particles in turbulent swirling flows
Universidad de Buenos Aires（布宜诺斯艾利斯大学）；CONICET-UBA, Instituto de Física Interdisciplinaria y Aplicada (INFINA)（阿根廷国家科学研究委员会-布宜诺斯艾利斯大学，交叉与应用物理研究所）；CNRS-CONICET-UBA, Institut Franco-Argentin de Dynamique des Fluides pour l’Environnement (IFADyFE)（法国国家科学研究中心-阿根廷国家科学研究委员会-布宜诺斯艾利斯大学，法阿环境流体动力学研究所）；Univ. Lille, CNRS, ONERA, Arts et Metiers Institute of Technology, Centrale Lille（里尔大学、法国国家科学研究中心、法国航空与航天研究院、巴黎高等机械工艺学院、里尔中央理工学院）；Institute of Physics, University of Oldenburg（奥尔登堡大学物理研究所）
本文通过马尔可夫过程和福克-普朗克方程研究湍流旋流中惰性粒子的动力学，揭示了惯性过滤和间歇性效应，并建立了随机热力学与粒子流体之间的定量联系。
2025-12-05 nlin.CD physics.flu-dyn
Direct numerical simulations on transport and deposition of charged inertial particles in turbulent channel flow
本文通过四向耦合直接数值模拟研究湍流槽道流中带电惯性颗粒的沉积，揭示静电力增强近壁聚集与法向输运的机制。
2025-03-19 physics.flu-dyn
Point-source dispersion of quasi-neutrally-buoyant inertial particles
我们分析的分布的演变，无论是在相空间和物理空间中，惯性粒子释放的空间本地化（点状）源和平流的不可压缩流。流体和粒子之间的质量密度差被假定为很小，并且代表了规则微扰膨胀的基本参数。通过分析技术，如Hermitianization，我们推导出一个链的方程的对流-扩散-反应型，很容易求解至少在数值上。我们的程序提供的结果也为有限的粒子惯性，远离过阻尼的准示踪剂动力学的限制。
2018-03-31 physics.flu-dyn
Scale-resolved turbulent Prandtl number for Rayleigh-Bénard convection at $\boldsymbol{Pr =10^{-3}}$
Indian Institute of Technology Mandi（印度技术学院曼迪分校）；Indian Institute of Technology Roorkee（印度技术学院卢尔基分校）；Nagoya Institute of Technology（名古屋工业大学）；Keio University（庆应义塾大学）
本研究通过直接数值模拟，揭示了低普朗特数瑞利-贝纳德对流中湍流普朗特数显著高于分子普朗特数，且在惯性子层上端表现尤为突出。
2025-06-27 physics.flu-dyn
Clustering of Inertial Particles in Turbulent Flow Through a Porous Unit Cell
采用直接数值模拟方法研究了在不同Stokes数（$St = 0.01, 0.1, 0.5, 1, 2$）和孔雷诺数为500时，面心立方多孔单胞受限几何结构中湍流对细颗粒输运、聚集和沉积的影响。颗粒使用单向耦合前进，并且颗粒与孔壁的碰撞被建模为具有镜面反射的完全弹性。用于研究惯性粒子动力学和聚类均匀流的工具进行了调整，以考虑到嵌入式，弯曲的孔壁几何形状。聚类的模式和动力学研究使用Voronoi镶嵌的体积变化的时间来分析的发散和收敛的粒子。与均匀、各向同性湍流的情况类似，团簇形成存在于大体积中，而团簇破坏在小体积中突出，并且这些效应随着Stokes数而放大。然而，与均匀的，各向同性的湍流，形成大量的非常小的体积观察到在所有的斯托克斯数，是由于颗粒与孔壁的碰撞。粒子数密度的多尺度小波分析表明，随着斯托克斯数的增加，聚类峰向更大的尺度移动。尺度相关的偏斜度和平坦度量化的间歇性空隙和集群分布，观察到的团簇形成在小尺度的所有斯托克斯数，和大尺度的大斯托克斯数的空隙区域。
2021-08-23 physics.flu-dyn
Experimental study of the non-linear saturation of the elliptical instability: inertial wave turbulence versus geostrophic turbulence
本文对旋转流体中惯性波参数共振驱动的湍流饱和进行了实验研究。在我们的装置中，一个半米宽的充满水的椭球体被带到固体旋转，然后经历持续的谐波调制其旋转速率。这触发了一对惯性波的指数增长，通过一种称为振动驱动椭圆不稳定性的机制。一旦达到这种不稳定性的饱和，我们观察到一个湍流状态的能量注入到共振惯性波。根据旋转速率调制的幅度，观察到两种不同的饱和状态。在大强迫振幅下，饱和流主要由稳定的地转反气旋组成。当强迫振幅减小时，它的振幅消失，而保持在椭圆不稳定性的阈值以上。在这种二次跃迁之下，饱和流是惯性波的叠加，惯性波处于弱非线性共振相互作用中，这种状态可能渐近地导致惯性波湍流。除了是不稳定旋转流中波主导饱和的第一次实验观察外，本研究也是Le Reun et al，PRL（2017）模型的实验确认，他介绍了这两种湍流状态的可能性。最后讨论了这两个制度之间的过渡及其与地球物理应用的相关性。
2021-01-25 physics.flu-dyn
Quantifying turbulence induced segregation of inertial particles
由于轻重粒子对湍流脉动的响应不同，导致密度与平流湍流团不同的粒子。本研究的重点是定量表征的分离的稀释多分散惯性颗粒在湍流中的演变，从直接数值模拟的纳维-斯托克斯方程。我们引入了一个不同的惯性和/或大小的颗粒之间的偏析的指标，从其中的长度尺度r_{seg}量化的两种不同类型的颗粒的偏析程度推导出来。
2008-08-28 nlin.CD physics.flu-dyn
Quantification of the strength of inertial waves in a rotating turbulent flow
通过研究周期性盒子中三维数值模拟中各个傅立叶模式的波数、频率能量谱和时间关联函数，定量分析了旋转湍流中波的强度及其对能量级联的影响。从频谱中，我们发现，一个显着的部分的能量集中在波频率$ω\approx 0$的模式，即使当外部强迫注入没有能量直接进入这些模式。然而，对于惯性波的周期$τ_ω$快于翻转时间$τ_\textrm{NL}$的模式，剩余能量的显著部分集中在满足波的色散关系的模式中。没有证据表明，在模式与$τ_ω= τ_\textrm{NL}$的能量积累被观察到，不像什么临界平衡参数预测。从时间关联函数，我们发现，模式与$τ_ω< τ_\textrm{sw}$（与$τ_\textrm{sw}$的扫描时间）的主要去相关时间是波周期，这些模式也表现出较慢的调制的时间尺度$τ_\textrm{NL}$波湍流理论中假设的。其余的模式与扫描时间去相关，包括具有$ω\approx 0$的非常活跃的模式。
2014-02-28 physics.flu-dyn
Modulation of the turbulence regeneration cycle by inertial particles in planar Couette flow
双向耦合直接数值模拟被用来调查的影响，惯性粒子的自持，湍流相干结构（即所谓的再生循环）在平面Couette流在低雷诺数以上的开始过渡。试验表明，随着颗粒惯性的增加，有两种限制行为，类似于1962年的线性稳定性分析结果：低惯性颗粒触发层流-湍流不稳定性，而高惯性颗粒由于颗粒-液力偶合器引起的额外耗散而趋于稳定湍流。此外，它被发现，流向相之间的耦合是阻尼湍流的主导因素，是高度相关的颗粒的空间分布。颗粒在不同湍流拟序结构（大尺度涡或大尺度条纹）中的存在决定了颗粒相的湍流动能，它与以大尺度涡翻转时间标度的颗粒响应时间有关。通过定量研究的周期性特征的整个再生循环和链接的子步骤之间的相位差，我们表明，惯性粒子的存在并不改变周期性的周期性或每个子步骤的相对长度。相反，高惯性颗粒大大削弱了大尺度涡以及流向涡度拉伸和提升效应，从而抑制了大尺度条纹的波动幅度。然而，低惯性颗粒的主要影响是加强大尺度涡，这促进了循环并最终降低了临界雷诺数。
2018-07-05 physics.flu-dyn
Restricted Euler dynamics along trajectories of small inertial particles in turbulence
小颗粒在湍流中的命运很大程度上取决于周围流体的速度梯度特性，如旋转和应变率。对于非惯性（流体）粒子，限制欧拉模型提供了一个简单的，低维的动力系统表示的拉格朗日演化的速度梯度在流体湍流，至少在短时间内。在这里，我们推导出一个新的限制欧拉动力系统的速度梯度演化的惯性粒子，如固体颗粒在气体或液滴和气泡在湍流液体流动。该模型是在小（亚柯尔莫哥洛夫尺度）粒子和低斯托克斯数的限制。该系统表现出有趣的不动点，稳定性和不变性质。与直接数值模拟的数据比较表明，该模型预测的趋势，如增加应变沿重粒子轨迹旋转的趋势，并为轻粒子，如气泡，减少自拉伸的应变率的趋势。
2016-08-08 physics.flu-dyn
Dispersion of inertial particles in cellular flows in the small-Stokes, large-Péclet regime
本文研究了当平流作用超过惯性和扩散作用时，即Stokes数和Péclet数满足$\mathrm{St} \ll 1$和$\mathrm{Pe} \gg 1$时，惯性粒子通过胞状流的输运。本文从Maxey-Riley模型出发，考虑特殊的标度$\mathrm{St} \, \mathrm{Pe} = O(1)$，导出了一个有效的布朗动力学，它近似于完全的Langevin动力学.然后，我们应用均匀化和匹配的渐近技术，以获得一个明确的表达式的有效扩散率$\overline{D}$表征长时间分散。该表达式量化了当忽略惯性时，$\overline{D}$如何与$\mathrm{Pe}^{-1/2}$成比例地对于比流体重的颗粒增加以及对于较轻的颗粒减少。特别地，当$\mathrm{St} \gg \mathrm{Pe}^{-1}$时，我们发现对于重粒子，$\overline{D}$与$\mathrm{St}^{1/2}/(\log ( \mathrm{St} \, \mathrm{Pe}))^{1/2}$成正比，对于轻粒子，$\overline{D}$与$\mathrm{St} \, \mathrm{Pe}$成指数小。我们验证我们的渐近预测对粒子动力学的数值模拟。
2020-05-25 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
Velocity and spatial distribution of inertial particles in a turbulent channel flow
我们目前的速度和空间分布的惯性颗粒分散在湍流向下流动通过一个垂直通道在$Re_τ = 235$和$335$的实验观察。工作流体是载有尺寸选定的玻璃微球的空气，其斯托克斯数$St = O(10)$和$O(100)$分别基于柯尔莫哥洛夫时间尺度和粘性时间尺度。考虑固体体积分数为$ϕ_v = 3{\times}10^{-6}$和$5{\times}10^{-5}$的情况。在更稀的制度，颗粒浓度分布显示近壁和中心线的最大值兼容的湍流强度的梯度下的turbophoretic漂移;的颗粒以类似的速度作为空载流量，除了在近壁区域旅行;和他们的速度波动一般遵循空载流量水平的通道核心，超过它在近壁区域。更密集的制度提出了实质性的差异，在所有测得的统计数据：近壁浓度峰值更明显，而中心线的最大值是不存在的，平均粒子速度下降的对数和缓冲层，和粒子速度波动和沉积速度增强。颗粒位置和速度的空间分布的分析揭示了密集的，细长的集群形成的核心，这往往是优先对齐的流向方向，和旅行速度比不太集中的颗粒。在近壁区，颗粒排列在高度细长的条纹与负流向速度波动，几个通道高度的长度和间隔的$O(100)$壁单元，支持这些被耦合到流体低速条纹典型的壁湍流的观点。粒子速度场包含一个显着的随机不相关运动的组成部分，更突出的高St和近壁区。
2019-04-12 physics.flu-dyn
On local isotropy and scale dependence of pair dispersion in turbulent canopy flows
该研究通过风洞3D-PTV实验探究湍流冠层流中的被动标量对扩散，证实小尺度下存在局部各向同性的超扩散过程，拓展了相关基础认知，可为大气表层标量扩散建模提供参考。
2023-06-10 physics.flu-dyn
Generalization of Turbulent Pair Dispersion to Large Initial Separations
通过引入一个新的时间尺度$τ_{v_0}$，反映了初始条件在时间$τ=0$上的持续性，我们提出了一个将湍流对色散推广到大初始分离（$η< r_0 < L$）的方法。在中等雷诺数的三维拉格朗日跟踪实验的结果表明，对，新的时间尺度比涡周转时间尺度短，分离的理查森超扩散制度，$\langle Δr^2 \rangle \propto τ^3$。这些条件采样对的延迟时间（穿过$Δr = ρ\, r_0$的时间间隔）的分析表现出$ρ^{2/5}$缩放。
2018-03-29 physics.flu-dyn
Detection of turbulent thermal diffusion of particles in numerical simulations
利用直接数值模拟（DNS）发现了温度分层湍流中的湍流热扩散现象，在湍流热通量的方向上引起惯性和非惯性颗粒的非扩散湍流通量。在有重力和无重力的模拟中，发现这种现象会在斯托克斯数小于1的平均流体温度的最小值附近引起颗粒数密度的峰值，其中斯托克斯数是粘性尺度下颗粒斯托克斯时间与湍流柯尔莫哥洛夫时间的比率。湍流热扩散导致惯性粒子空间分布的大尺度不均匀性的形成。这种效应的强度在斯托克斯数为1时最大，并在较大值时再次减小。惯性粒子的动力学研究使用拉格朗日模型在强迫温度分层湍流，而非惯性粒子和流体描述使用DNS在欧拉框架。
2011-11-21 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
