Nonuniqueness and Turbulence
湍流被认为是由微分方程描述的唯一性失败最大的可能性,至少在某些限制。在昂萨格提出的湍流应该用负的绝对温度来描述的背景下,无粘伯格斯方程就是这样一个极限。在这幅图中,湍流的开始与奇点的扩散相吻合,而奇点的扩散是唯一性失效的特征。
1997-10-09 physics.flu-dyn
Spontaneously stochastic solutions in one-dimensional inviscid systems
本文研究了湍流Sabra壳模型的无粘极限,它被认为是一维粘性守恒定律的一种特殊情况,具有非局部二次通量函数。我们提出了一个理论论证(详细的数值确认)表明,一个经典的确定性解决方案之前的有限时间爆破,$t < t_b$,必须继续作为一个随机过程后的爆破,$t > t_b$,代表一个独特的物理相关的描述在无粘限制。该理论基于为对数时间$τ= \log(t-t_b)$编写的动力系统公式,其特征在于无粘Burgers方程的稳定行波解,但Sabra模型的随机行波解。后者描述了一个普遍的随机性爆发后立即开始。
2016-06-28 physics.flu-dyn
RG approach to the inviscid limit for shell models of turbulence
本文用重整化群方法研究湍流壳模型在非粘性极限下的普适收敛行为,发现二进模型有不动点吸引子,Gledzer模型有闭合不变曲线,Sabra模型呈混沌动力学,并阐明对称性保持与破坏正则化的不同作用。
2025-07-31 math.AP physics.flu-dyn
Eigenmode analysis of membrane stability in inviscid flow
我们研究的不稳定性的薄膜(零弯曲刚度)的平面外偏转,当膜是沉浸在一个无粘流体流和脱落的尾随涡片尾迹。我们迭代求解的非线性特征值问题与大合奏的初始猜测,为三个典型的边界条件-两端固定,一端固定和一个自由,和都自由。在几个数量级的膜质量密度,我们发现不稳定的发散或颤振(特别是在大质量密度,或与一个或两个自由端)。最不稳定的本征模通常在较小的质量密度和较小的张力下变得“波动”,但具有非单调行为的区域。我们发现,在小振幅的非定常时间步进模拟良好的定量协议,但只有定性的相似性,最终的稳态大振幅运动。
2020-10-08 physics.flu-dyn
Divergence and convergence of inertial particles in high Reynolds number turbulence
采用Voronoi网格法对高雷诺数下含颗粒均匀各向同性湍流的三维直接数值模拟的惯性颗粒数据进行了分析,考虑了不同的Stokes数。提出了一种通过确定Voronoi单元的体积变化率来量化粒子速度发散的有限时间测度。对于惯性粒子,发散的概率分布函数(PDF)偏离流体粒子。的分歧和Voronoi量的联合PDF说明,分歧是最突出的集群区域和空洞区域不太明显。对于较大体积,结果显示负发散值,其代表团簇形成(即颗粒会聚),而对于较小体积,结果显示正发散值,其代表团簇破坏/空隙形成(即颗粒发散)。此外,当Stokes数增加时,发散度取较大的值,这给出了一些证据,为什么在大Stokes数下观察到的精细簇较少。理论分析进一步表明,随机流中随机颗粒的发散满足PDF对应于两个独立变量的比例遵循正常和伽玛分布在一维。将该模型扩展到三维,预测的PDF与流体颗粒的蒙特卡罗模拟和DNS数据相当吻合。
2020-05-01 physics.flu-dyn
Manufactured Turbulence with Langevin equations
根据定义,人工湍流(MT)旨在模拟物理湍流而不是对其进行建模。MT方程被限制为求解简单,并为工程应用或理论分析中使用的基于Navier-Stokes的直接数值模拟(DNS)提供廉价的替代。在这篇文章中,我们调查的线性无粘方面的MT来自线性近似的纳维-斯托克斯方程,而非线性和粘性物理通过随机建模近似的一种方法。随后的Langevin MT方程用于计算平面二次湍流。虽然还有许多工作要做,但初步结果似乎很有希望。
2016-11-11 physics.flu-dyn
An efficient and low-divergence method for generating inhomogeneous and anisotropic turbulence with arbitrary spectra
提出基于相关重构与 Cholesky 分解的无散度合成湍流方法,可高效生成任意谱的非均匀各向异性湍流,并适用于大规模 DNS/LES。
2023-07-31 physics.flu-dyn
Turbulence properties and global regularity of a modified Navier-Stokes equation
我们介绍了一个修改的纳维-斯托克斯方程,具有显着的性质,拥有无穷多个守恒量的无粘极限。对该方程进行了数值研究,并从能谱和结构函数的标度性方面分析了湍流特性。与Navier-Stokes湍流中的涡管相反,新方程中出现的耗散结构是卷曲的涡面。数值计算的结构函数的缩放比较与基于She-Lévêque方法的唯象模型。最后,对于这个方程,我们证明了充分光滑的初始条件下的周期性的情况下,在$\mathbb R^3$的整体适定性。的关键特征是一个额外的估计,这表明速度场的$L^4$ -范数保持有限的可用性。
2012-05-25 physics.flu-dyn
Kolmogorov-Type Theory of Compressible Turbulence and Inviscid Limit of the Navier-Stokes Equations in $\mathbb{R}^3$
本文讨论了在$\mathbb{R}^3$中可压缩流体的Navier-斯托克斯方程对Euler方程的无粘极限。受Kolmogorov(1941)关于不可压缩流的假设的启发,我们引入了一个关于正压流的Kolmogorov型假设,其中密度和声速通常变化很大。然后我们观察到,可压缩Kolmogorov型假设意味着在$L^2$的空间变量的加权速度和声速的一些分数阶导数的一致有界性,这是独立的粘性系数$μ>0$。结果表明,对于某些固定的$q_1 >γ$和$q_2 >2$(其中$γ>1$是绝热指数),这一关键观测给出了$L^γ$中密度和$L^2$中动量在空间和时间上的等度连续性,以及$L^{q_1}$中密度和$L^{q_2}$中速度与$μ>0$无关的一致界.这些结果导致了Navier-斯托克斯方程的解强收敛到$\mathbb{R}^3$中正压流体的Euler方程的解。我们不仅提供了一个数学存在理论的框架,而且我们还提供了一个框架,通过识别一个函数空间中的收敛应该发生的解释数值解,与边界是独立的$μ>0$,这是在高雷诺数限制。
2019-06-08 math-ph math.AP math.MP
On the conservation of helicity by weak solutions of the 3D Euler and inviscid MHD equations
University of Cambridge(剑桥大学);Texas A&M University(德克萨斯农工大学);Weizmann Institute of Science(魏茨曼科学研究所)
本文提出了一种新的弱形式,用于研究3D欧拉和无粘磁流体力学方程弱解中旋度的守恒问题,并给出了局部旋度平衡方程和磁旋度守恒的充分条件。
2025-08-04 math.AP physics.flu-dyn
Thermalization and free decay in Surface Quasi-Geostrophic flows
本文导出了截断无粘表面准地转(SQG)方程的统计平衡解,并在截断SQG方程的数值模拟中验证了这些解的有效性。结果表明,拟能热化,而能量可以凝聚在最严重的模式,在协议与以前的指示的直接级联拟能和逆级联的能量在强迫耗散SQG系统。在早期,截断无粘SQG模拟显示的行为让人想起强迫耗散SQG湍流,我们确定的能量和拟能谱的谱标度律。最后,粘性和无粘模拟之间的比较,使我们能够确定在非常大的雷诺数的SQG湍流拟能的自由衰减相似律。
2012-03-09 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.data-an
Inviscid SPH
在光滑粒子流体动力学(SPH)中,人工粘性对于正确处理激波是必要的,但通常会产生不必要的耗散。我们提出了一种新的方法来控制人工粘性的量,它使用的总时间导数的速度发散作为冲击指标,旨在完全消除粘性远离冲击。我们的新计划进行了大量的测试,发现该方法的工作至少以及任何以前的技术在强冲击制度,但变得几乎无粘远离冲击,同时仍然保持粒子秩序。特别是声波或气体球的振荡在许多周期内几乎没有衰减。
2010-06-08 astro-ph.IM physics.flu-dyn
Interfusion, labeling and stream lines in flow of inviscid barotropic fluid
本文指出,正压无粘流体的欧拉方程组并不是正压无粘流体动力学方程组的完整方程组。它只是四个动力学方程的一个封闭子系统。完整的动力学方程系统由七个动力学方程组成,涉及七个因变量:密度、速度和标记(拉格朗日坐标,被视为因变量)。欧拉子系统的柯西问题的解是唯一的。包含七个方程的完整流体动力系统的柯西问题的解仅对无旋流是唯一的。对于旋涡流动,柯西问题的解不是唯一的。非唯一性的原因是一种相互融合,这在流体力学的框架中不能适当地考虑。有一些论点支持融合和动荡之间的联系。
2009-08-05 physics.flu-dyn physics.gen-ph
Small-scale dynamics and structure of free-surface turbulence
本文通过高浓度漂浮粒子实验研究自由表面湍流的小尺度结构,揭示散度、涡量和应变率的间歇统计、拓扑特征及标度规律,并发现含能尺度对小尺度量的影响强于三维湍流。
2024-12-05 physics.flu-dyn
Enhanced dissipation and inviscid damping in the inviscid limit of the Navier-Stokes equations near the 2D Couette flow
在这项工作中,我们研究了长时间,无粘极限的二维Navier-斯托克斯方程附近的周期Couette流,特别是,我们确认在非线性水平的定性行为预测开尔文的1887年线性分析。在高雷诺数Re下,我们证明了对于时间t \lesssim Re^(1/3),解的性质类似于二维欧拉,特别是表现出无粘阻尼(例如涡量弱地接近剪切流)。对于时间t \gtrsim Re^(1/3),它比自然耗散的时间尺度O(Re)更快,粘性成为主导,涡量的流向依赖性被增强的耗散效应迅速消除。之后,剩余的剪切流在非常长的时间尺度t \gtrsim Re上衰减回到库埃特流。当适当定义时,在这种情况下的耗散长度尺度为L_D \sim Re^(-1/3),大于经典Batchelor-Kraichnan二维湍流理论中预测的尺度L_D \sim Re^(-1/2)。我们研究的初始数据类是一个足够光滑函数和一个小的(相对于Re^(-1))$L^2$函数之和。
2014-08-20 math-ph math.AP math.MP
Effects of shear flows on the evolution of fluctuations in interchange turbulence
本文用非微扰方法研究了不同类型的剪切流对交换湍流中涡量和粒子密度脉动演化的影响。对于相同的剪切强度,密度的运输是减少流光比纬向流,纬向流导致振荡死亡。在无粘性极限下,涡量(密度)由于流束或纬向流而按幂律增长(衰减),由于纬向流和流束的组合效应而按指数增长(衰减),并具有相同的剪切符号。带向流和带向流具有相反的剪切符号,导致多个频率的振荡。
2017-11-14 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
On the spatial statistics of free-surface turbulence and the complementarity of 'dimples' and 'scars'
Norwegian University of Science and Technology(挪威科技大学)
采用空间统计方法,通过泊松点过程模型量化自由表面湍流中凹坑和疤痕与表面散度和垂直涡度的时空关联,揭示两者在局部和全局上的互补性。
2026-06-08 physics.flu-dyn
A Kullback-Leibler divergence measure of intermittency: application to turbulence
对于表现出幂律行为的通用系统,因此多尺度依赖性,我们提出了一种新的,但简单的工具来分析多重分形和多重性,注意到这些概念直接关系到变形的概率密度函数从高斯在大尺度上的非高斯在较小的尺度。我们的框架是基于信息论,并使用香农熵和Kullback-Leibler分歧。我们提出了一个广泛的应用,三维充分发展的湍流,在这里看到的是一个典型的复杂系统,在历史上定义的不稳定性。此外,标度不变性和多重分形的概念在这一领域得到了广泛的研究,最重要的是,基准。我们计算我们的测量实验欧拉速度测量,以及合成过程和唯象模型的流体turbulence.Our方法是非常普遍的,不需要任何基础模型的系统,虽然它可以探测这样一个模型的相关性。
2017-07-25 cond-mat.stat-mech physics.data-an physics.flu-dyn
Turbulence via intermolecular potential: Uncovering the origin
本研究通过线性化分析揭示,气体湍流源于分子间势能的平均场效应与大尺度涡量的耦合,产生速度散度的不稳定涨落,并导出科尔莫戈罗夫标度律。
2023-10-17 physics.flu-dyn
Correction to Euler's equations and elimination of the closure problem in turbulence
本文证明了无粘流体的欧拉方程是不完全的:根据释放约束的原理,切应力的缺失必须由附加的自由度来补偿,从而导致了多值速度场的出现。然而,与雷诺方程不同的是,扩大的欧拉(EE)模型提供了额外的波动方程,消除了封闭问题。因此,(EE)方程适用于充分发展的湍流运动,其中的物理粘度是vanishingly小相比,湍流粘度,以及超流体和雾化fluids.Analysis耦合的平均/波动EE方程表明,波动稳定整个系统产生弹性剪切波和增加声速。这些湍流运动起源于底层层流运动的不稳定性,可以用修改后的欧拉方程描述,其封闭性由稳定性原理提供:由层流运动的不稳定性驱动,波动增长,直到新的状态在扩大的(多值)函数类中达到中性稳定性,并且这些波动可以作为EE模型的边界条件。通过一个例子说明了该方法。
2012-08-30 physics.flu-dyn
Three Important Theorems for Fluid Dynamics
新提出的“能量梯度理论”,物理上解释了剪切流中的流动不稳定性和湍流转捩现象,并已被证明是有效的平行流,在这项研究中被扩展到弯曲流。在此基础上,推导出了流体动力学的三个重要定理。这些定理是:(1)势流(无粘无旋)是稳定的; (2)无粘旋转(非零涡度)流是不稳定的。(3)当系统无功输入或输出时,无论是无粘流动还是粘性流动,具有拐点的速度剖面都是不稳定的。这些定理是首次推导出来的,对于理解湍流的产生和解释复杂流动具有重要意义。从这些结果可以得出结论,经典的瑞利定理(1880年)的弯曲速度不稳定性的无粘流是不正确的,这是持续了一个多世纪。结果表明,无论是无粘流动还是粘性流动,速度分布拐点的存在都是流动不稳定的充分条件,而不是必要条件。解决了粘度的双重作用的悖论:粘度只有稳定的作用。这一悖论的产生是由于线性分析的无粘流的瑞利定理是不正确的。
2007-05-08 physics.class-ph physics.flu-dyn
An approach to the Riemann problem in the light of a reformulation of the state equation for SPH inviscid ideal flows: a highlight on spiral hydrodynamics in accretion discs
在物理无粘流体动力学中,“激波捕捉”方法采用人工粘性贡献或适当的黎曼解算器算法。这些技术是必要的,以解决严格的双曲欧拉方程,如果流动间断(黎曼问题)要解决。在这种情况下,通常使用必要的耗散。一个显式的人工粘性的贡献,通常采用平滑虚假加热和处理输运现象。这种无粘流的处理方法也广泛地应用于光滑粒子流体动力学(SPH)有限体积自由拉格朗日格式。在其他情况下,Godunov型方法的内在耗散隐含有用。相反,“冲击跟踪”方法通常使用Rankine-Hugoniot跳跃条件来解决这些问题。本文基于流体动力学中欧拉方程的经验状态方程,提出了无粘理想气体Riemann问题的一个简单有效的解,其对静止气体的极限与理想气体的经典状态方程相一致。这样一个有效的解决方案的应用程序的黎曼问题排除任何依赖,在传输现象,粒子光滑的分辨率长度$h$在非粘性SPH流。本文给出了一维激波管试验的结果以及二维湍流和二维剪切流的应用实例。作为天体物理学的应用,一个更好的识别螺旋结构的吸积盘在一个紧密的二进制(CB),作为一个结果,这种改造也显示在这里。
2011-08-20 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Dissipation anomaly in gradient-driven nonequilibrium steady states
Institute for Solid State Physics, University of Tokyo(东京大学固体物理研究所);Faculty of Engineering, Gifu University(岐阜大学工学部)
本文通过波动流体动力学展示了梯度驱动非平衡稳态中存在耗散异常,揭示了非湍流条件下耗散异常的产生机制及热噪声与非平衡驱动的相互作用。
2025-11-22 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Universal energy cascade in homogeneous binary fluid turbulence: A direct comparison of different exact relations
本研究通过直接数值模拟比较三种精确关系,证实均匀二元流体湍流中存在 Kolmogorov 式普适能量级联,且不同公式给出的级联率一致,并发现散度形式通量率在域尺寸处相交。
2025-03-27 physics.flu-dyn
Is the Kelvin Theorem Valid for High-Reynolds-Number Turbulence?
关于环流守恒的Kelvin-Helmholtz定理被认为适用于理想的无粘流体,并且被认为在湍流现象中起着至关重要的作用,例如通过涡线拉伸产生耗散。然而,这一期望并没有考虑在无限雷诺数的湍流速度场的奇异性。我们提出的证据,从数值模拟的故障的经典开尔文定理在三维湍流能量级联。虽然在个别实现中违反了,但我们发现循环在某种平均意义上仍然守恒。为了比较,我们表明,开尔文定理持有个人实现的二维拟能级联,与理论一致。湍流的“级联环流”是一个经典的模拟相滑移由于量子化的涡旋在超流体和各种应用在天体物理学和天体物理学的概述。
2006-05-02 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Optimal thermalization in a shell model of homogeneous turbulence
我们调查的连续性引起的耗散的大尺度的统计均匀流使用的“最佳封闭”,其中我们之一(BT)最近暴露在哈密顿动力学的背景下。这种统计封闭采用高斯模型的湍流尺度,相应的消失的第三累积量,但它捕获的内在阻尼。这个明显的悖论的关键在于真正的系综平均值和它们的代理之间的明显区别,当人们直接使用刘维尔方程而不是累积量层次时,最容易理解。我们专注于一个简单的问题,其中的最佳关闭可以完全和准确地制定:放松任意远离平衡的单能量壳吉布斯平衡在无粘壳模型的三维湍流。最佳封闭的预测进行了验证,对DNS和EDQNM封闭的对比。
2016-04-24 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Scaling laws in turbulence
根据高雷诺数湍流中的耗散是由时空中的奇异事件和无粘欧拉方程的解描述的思想,我们得出结论,在这种流动中,标度律应仅取决于欧拉方程中出现的量。这排除了粘度或湍流长度作为标度参数,并限制了这一限制的彻底可能的分析图片。我们专注于牛顿定律的阻力为一个弹丸在静止的流体中快速移动。受牛顿阻力定律的启发(在大雷诺数极限下与运动物体速度的平方成比例),当确定了边界层的分离位置时,这在实验中得到了很好的验证,我们提出了湍流尾流中雷诺应力与速度场相关量之间的显式关系(在时间上平均,但取决于空间),在一个积分微分方程的形式为速度,解决了一个Poietille流在一个圆形管道。
2019-12-30 nlin.CD physics.flu-dyn
A Measure-Theoretic Approach to Spontaneous Stochasticity
LPENSL, ENS de Lyon, CNRS(巴黎高等师范学院物理实验室,法国国家科学研究中心);Institut de Physique de Nice, Université Côte d’Azur et CNRS(尼斯物理研究所,蔚蓝海岸大学及法国国家科学研究中心);DAMTP, Centre for Mathematical Sciences, University of Cambridge(剑桥大学数学科学中心应用数学与理论物理系);Inria, Centre at Université Côte d’Azur Team Calisto(法国国家信息与自动化研究所,蔚蓝海岸大学卡尔斯托团队中心)
研究自发随机性问题,引入测度论形式体系,将其作为测度选择原则。通过正则化流研究推送测度,建立有限维系统相关结构结果,分析与初始数据敏感性的关系,发展重整化群观点并举例说明各因素在自发随机性出现中的相互作用。
2026-07-21 math-ph math.MP nlin.CD
2D inviscid Boussinesq equations and 3D axisymmetric Euler equations: (1) A unification ($Em$), (2) Finite-time blow-up of two unified $(1+1)$D systems rigorously derived from ($Em$)
本文基于二维无粘Boussinesq方程和三维轴对称Euler方程推导出(1+2)D子系统(Em),并研究了两个统一的(1+1)D系统(R0)和(Z0),揭示了其作为全系统精确对称轴限制的机制,并证明了有限时间爆破。
2026-07-14 math.AP nlin.SI physics.flu-dyn
Statistical Estimates for 2D stochastic Navier-Stokes Equations
本文研究二维随机湍流的统计性质,推导了能量和涡度耗散率均值的严格界,证明无粘极限下能量耗散趋于零而涡度耗散有界,符合二维湍流的双级联理论。
2025-10-08 math.AP physics.flu-dyn
A systematic comparison of two-equation RANS turbulence models applied to shock-cloud interactions
湍流模型试图解释流体动力学模拟中未解决的动力学和扩散。我们开发了一个通用的框架,两方程的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)湍流模型,我们实现了六个模型的雅典娜代码。我们验证每个实施与标准的亚音速混合层,虽然协议的水平取决于混合层宽度的定义。然后,我们测试每个模型的有效性到超音速制度,可压缩性修正可以提高与实验的一致性。对于具有浮力效应的模型,我们还通过分层介质中Rayleigh-Taylor不稳定性的增长来验证我们的实现。然后将模型应用于无处不在的三维天体物理激波-云相互作用。我们专注于激波和云物质的混合,将湍流模型的结果与高分辨率模拟(每个云半径高达200个单元)和整体平均模拟进行比较。我们发现,湍流模型导致云的扩散和混合增加,虽然没有两个模型预测相同的结果。在分辨率大于100个单元/半径的无粘模拟中也观察到混合增加,这表明湍流混合开始得到解决。
2017-03-25 astro-ph.GA astro-ph.IM physics.flu-dyn
Fokker-Planck approach to wave turbulence
The Graduate Center, CUNY(纽约市立大学研究生中心)
本文通过福克-普朗克哈密顿量的稳态态重新考虑了弱波湍流的Kolmogorov-Zakharov稳态态,引入非微扰关系并用零耗散极限下的二点期望值发散表达动力学方程。
2025-07-11 cond-mat.stat-mech hep-th nlin.CD
A data-driven approach for the closure of RANS models by the divergence of the Reynolds Stress Tensor
Politecnico di Torino(都灵理工大学)
本文提出了一种新的数据驱动模型来封闭和提高RANS方程的精度。雷诺应力张量的发散是通过神经网络(NN)获得的,神经网络的结构和输入选择保证伽利略和坐标系旋转。前者来源于神经网络的输入选择,而后者来源于将神经网络的发散扩展为向量基。这种方法已被广泛用于数据驱动的模型的各向异性或的差异,它是在这里提出的发散的差异。因此,提出了一个本构关系的发散的平均量,以获得这样的扩展。此外,一旦训练了所提出的数据驱动方法,就不需要运行任何经典的湍流模型来关闭方程。在一个正方形的管道和周期性的山丘上的流动的众所周知的测试被用来显示本方法的优点相比,标准的湍流模型。
2022-10-18 cs.LG cs.NA math.NA
Coarse-graining two-dimensional turbulence via dynamical optimization
基于最优化原理的模型降阶技术被应用于二维无粘、不可压缩的粗颗粒流体动力学。在这种减少的频谱截断涡度方程定义的微观动力学,而宏观状态空间由准平衡试验概率密度的微观相空间,这是参数化的手段和方差的低模式的涡度。因此,宏观路径代表了对微观解的非平衡系综演化的粗粒度近似。封闭的向量的解决变量,即,低模式的平均值和方差,是通过最小化所有可行路径的时间积分的均方残差相对于刘维方程。根据Hamilton-Jacobi理论推导了最优路径的控制方程。通过这种优化技术得到的粗粒度的动力学包含一个尺度依赖的涡粘性,修改后的低模式的手段之间的非线性相互作用,和每个低模式的平均值和方差之间的非线性耦合。通过与直接数值模拟进行比较,定量地验证了这种最佳闭合的预测技巧。这些测试表明,在不调整任何闭合参数的情况下,实现了良好的一致性。
2015-09-24 math-ph math.MP physics.flu-dyn