The coherent structure of the kinetic energy transfer in shear turbulence
湍流中的能量级联，即，自20世纪40年代以来，动能从大流动尺度到小流动尺度或反之亦然（后向级联）的传递是大多数湍流理论和模型的基石。然而，理解空间组织的动能转移仍然是一个突出的挑战，在流体力学。在这里，我们揭示了三维结构的能量级联跨剪切占主导地位的尺度均匀剪切湍流的数值数据。我们表明，与能量传递相关的特征流结构是一个漩涡形状为一个倒置的发夹，然后由一个直立的发夹。前向和后向叶栅之间的不对称性是由发夹结构内的反向流动循环引起的，这触发了流动中的反向模式。
2020-03-07 physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction in magnetohydrodynamic and quasi-static magnetohydrodynamic turbulence
在流体动力学湍流中，大尺度注入的动能级联到惯性范围，导致恒定的动能通量。相反，在磁流体动力学（MHD）湍流中，一部分动能被转移到磁能。因此，对于相同的动能注入率，MHD湍流中的动能通量与其流体动力学对应物相比减小。这导致非线性项（$\la | ({\bf u}\cdot \nabla) {\bf u} | \ra$，其中${\bf u}$是速度场）和湍流阻力相对减弱，但MHD湍流中的速度场增强。我们使用流体动力学和MHD湍流的壳模型模拟来验证上述。准静态MHD湍流也表现出类似于MHD湍流的湍流阻力减小。
2020-04-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Non-equilibrium time-relaxation kinetic model for compressible turbulence modeling
首次提出了非平衡时间松弛动力学模型（NTRKM）用于不可分辨网格上的可压缩湍流模拟。在非平衡时间弛豫框架下，将NTRKM推广为修正的Bhatnagar-Gross-Krook模型。NTRKM基于一阶Chapman-Enskog展开式，与六变量宏观控制方程相联系。前五个控制方程对应于质量、动量和总能量的守恒定律，而第六个方程控制未解决的湍流动能Kutke的演化。NTRKM中的未知量，包括湍流弛豫时间和源项，通过基本梯度型假设和标准动力学模拟方法确定。因此，目前的不可分辨网格上的广义动力学模型为可压缩大涡模拟中的一方程亚网格尺度湍流动能Ksgs模型提供了一个深刻的介观理解。为了精确、鲁棒地求解NTRKM，在已有的求解纳维-斯托克斯方程的气体动力学格式的基础上，发展了一种非平衡气体动力学格式。在不可分辨网格上模拟了三维衰减可压缩各向同性湍流和时间可压缩平面混合层，以评价广义动力学模型和非平衡气体动力学格式。二阶统计量的关键湍流量的性能证实了NTRKM与广泛使用的涡粘性Smagorinsky模型（SM）和动态Smagorinsky模型（DSM）。在时间可压缩平面混合层中，与DNS解相比，NTRKM的性能更接近DSM，优于SM。该研究为不可分辨网格上可压缩湍流的数值模拟提供了一种可行的方法。
2021-12-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Dissipation scales of kinetic helicities in turbulence
本文系统地研究了粘性效应对Navier-Stokes湍流中守恒量和非守恒量的谱和非线性通量的影响。这种分析是用来估计螺旋度耗散尺度，这是一致的能量耗散规模。然而，它示出使用的螺旋度分解成本征模式的旋度算子，粘性效应必须考虑到波矢量小于Kolomogorov波数在这些本征分量的螺旋度的演变。
2010-09-28 physics.flu-dyn
Fokker-Planck Kinetic description of small-scale fluid turbulence for classical incompressible fluids
扩展的统计方法提出了一个平行的文件\cite % {Tessarotto 2008-aa}，这项工作的目的是提出一个随机逆动力学理论的基础上引入一个合适的\textit{local phase-space probability density function}（pdf）的小尺度流体动力学湍流。特别是，我们提出的问题的建设福克-普朗克动力学模型的水动力湍流。这里采用的方法是基于所谓的IKT方法（逆动力学理论），由Ellero等人（2004-2008）开发的，其允许基于采用局部pdf的不可压缩流体的精确相空间描述。我们打算表明，对于规定的随机模型，本方法允许确定唯一的随机流体场的时间演化。随机平均的本地PDF服从动力学方程，虽然一般非马尔可夫，局部速度空间中可以近似通过一个合适的福克-普朗克动力学方程。作为副作用，相同的pdf被证明通常具有非高斯行为。
2008-06-30 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Direct verification of the kinetic description of wave turbulence for finite-size systems dominated by interactions among groups of 6 waves
本工作考虑的系统，其动力学是由6个非线性波，如非受迫五次非线性薛定谔方程所描述的非线性相互作用组。特定的参数制度，其中系综平均动态的有限大小的系统准确地描述了波动力学方程，如在波动湍流理论中使用的，理论上预测。此外，潜在的原因，波动动力学方程可能是一个穷人的预测波动动力学以外的这些制度也进行了讨论。这些理论预测直接验证通过比较系综平均值的动力学方程与相应的解决方案的波动动力学方程。
2022-09-10 nlin.CD physics.flu-dyn
Kinetic helicity decay in linearly forced turbulence
动力学螺旋度的衰减研究强迫湍流的数值模型中使用外部强加的强迫函数作为方程中的非齐次项，或者，作为替代，一个长期的线性速度引起的线性不稳定。外部强加的强迫功能注入能量在最大的尺度上，产生一个湍流的惯性范围，几乎恒定的能量通量，而线性强迫湍流的谱能量是最大的耗散波数附近。动力学螺旋度注入一次达到统计稳定状态，但它被发现衰减的湍流时间尺度上的强迫的性质和雷诺数的值无关。
2012-04-06 astro-ph.SR nlin.CD physics.ao-ph
Compressible Turbulence: The Cascade and its Locality
我们证明了可压缩湍流中尺度间的动能传递是由局部相互作用决定的。特别是，我们的研究结果排除了动能从大尺度直接转移到耗散尺度，如进入冲击，在高雷诺数湍流是普遍认为。我们对结构函数标度的假设是弱的，并享有令人信服的经验支持。在一个更强的假设下，压力膨胀共谱，我们表明，平均动能和内能预算统计解耦超出过渡“转换”范围。我们的分析建立了一个随后的惯性范围内，平均SGS动能通量成为常数，独立的规模的存在。在这个惯性范围内，平均动能局部地以保守的方式级联，尽管不是不变量。
2011-01-03 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The conservative cascade of kinetic energy in compressible turbulence
可压缩湍流的物理性质在各种天体物理环境中具有根本的重要性。我们提出了第一个直接的证据，即动能级联保守地超出了过渡“转换”尺度范围，尽管不是一个不变的可压缩流动力学。我们使用$512^3$和$1024^3$网格上的可压缩流体动力学湍流的高分辨率三维模拟。我们探测强制稳态等温流动和非强制衰减理想气体流动的制度。我们测量的关键量是压力膨胀共谱，$E^{PD}(k)$，我们提供的第一个数值证据表明，它的衰减速度快于$k^{-1}$作为波数的函数。这足以表明，平均压力膨胀主要在大尺度上起作用，动能和内能预算在过渡尺度范围之外在统计上解耦。我们的研究结果表明，Kolmogorov的惯性范围理论的可压缩湍流的扩展是可能的。
2011-08-22 astro-ph.SR nlin.CD physics.flu-dyn
Numerical investigation of kinetic turbulence in relativistic pair plasmas I: Turbulence statistics
我们描述了在无碰撞，磁化，相对论对等离子体驱动湍流的粒子模拟的结果。这一物理机制为研究动力学湍流的基本性质提供了一个简单的环境，并与脉冲星风、星云和天体物理喷流等高能天体物理系统有关。在本文中，我们调查的湍流起伏的统计模拟格子上的$1024^3$细胞和包含多达$2 \times 10^{11}$粒子。由于在我们的模拟中没有冷却机制，湍流能量耗散在几个动力学时间内将磁化参数降低到有序统一，导致湍流运动成为亚相对论。在发展阶段，我们的结果与磁流体动力学湍流现象学在惯性尺度上的预测一致，包括指数接近$-5/3$的幂律磁能谱，由临界平衡描述的涨落的尺度相关各向异性，粒子密度和内能密度的对数正态分布（与$4/3$绝热指数相关，如对超相对论性理想气体所预测的），以及不稳定性的存在。我们还提出了可能的签名的动力级联通过测量幂律谱的磁，电，和密度波动在次拉莫尔尺度。
2017-09-14 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Scale-by-scale kinetic energy budgets in multiphase turbulence
CNRS, CORIA, UMR 6614, Normandy Univ., UNIROUEN, INSA Rouen（法国国家科学研究中心，CORIA，UMR 6614，诺曼底大学，鲁昂大学，鲁昂国立应用科学学院）
研究多相湍流中各尺度动能交换，揭示表面张力导致的额外传输项，并提出关键尺度下动能存储与释放机制。
2025-11-22 physics.flu-dyn
On cascade of kinetic energy in compressible hydrodynamic turbulence
采用直接数值模拟方法，对中等雷诺数和初始马赫数$M=1$的三维流体动力衰减湍流进行了数值模拟，研究了动能湍流叶栅的特性。可压缩和不可压缩版本的卡门-豪沃思-莫宁（KHM）和低通滤波/粗粒度的方法进行了比较。在模拟中，总能量是很好的守恒;尺度相关的KHM和粗粒度的能量方程也是很好的守恒;这两种方法显示出类似的结果，系统没有一个惯性范围的级联的动能，该级联占主导地位的区域也有不可忽略的贡献的动能衰减，耗散和压力膨胀效应。虽然这两种方法给出了半定量相似的结果的动能级联，耗散和压力膨胀率，它们不同的增量分离和过滤尺度，这些尺度不是简单的相关。这两种方法可用于确定惯性范围和确定动能的级联/耗散率。
2020-04-06 physics.flu-dyn physics.space-ph
Phenomenology of buoyancy-driven turbulence: recent results
本文综述了浮力驱动湍流的研究进展。标度和数值计算表明，中等层结的稳定层结湍流具有动能谱$E_u(k) \sim k^{-11/5}$和动能通量$Π_u(k) \sim k^{-4/5}$，即Bolgiano-Obukhov标度。然而，瑞利-贝纳德对流（RBC）的能通量在惯性范围内近似恒定，这导致动能的柯尔莫罗戈夫谱（$E_u(k) \sim k^{-5/3}$）。RBC的现象学应适用于浮力提供动能的其他流动，例如气泡湍流和充分发展的Rayleigh Taylor不稳定性。本文还介绍了几种预测RBC雷诺数和努塞尔数的模型。最近的工作表明，红细胞的粘性耗散率的标度为$\sim \mathrm{Ra}^{1.3}$，其中$\mathrm{Ra}$是瑞利数。
2016-11-29 physics.flu-dyn
-8/3 spectrum in kinetic Alfvén wave turbulence: implications for the solar wind
大尺度太阳风湍流的本质在磁流体力学的理论框架中得到了较好的理解。在亚质子尺度下，不同航天器测量的磁能谱与经典湍流预言不符，情况则完全不同：一般报道的幂律指数接近于$-8/3$，而与强湍流和波湍流的预言（分别为$-7/3$和$-5/2$）相差甚远。这种差异被认为是太阳风湍流的主要问题。在这里，我们用弱动力学Alfvén波湍流的非线性扩散模型表明，级联由局部三元相互作用驱动（Passot和Sulem，2019），可以出现幂律指数为$-8/3$的磁谱。该缩放对应于具有遵循规律$k_f \sim (t_*-t)^{-3/4}$的前沿传播的第二类自相似解，其中$t<t_*$。当我们放松通常在湍流中所作的平稳性的隐含假设时，这个解就出现了。理论与观测的一致性可以解释为亚质子尺度太阳风湍流非定常性的证据。
2019-06-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Data-driven decomposition of the streamwise turbulence kinetic energy in boundary layers. Part 2. Integrated energy and $A_1$
第一部分考虑了紊流边界层中流向速度能谱的定标。光谱分解分析提供了一种手段，分离出附加和非附加涡流的贡献，并被用来产生三个光谱子组件，其中之一是一个密切的代表性的自相似，附壁湍流引起的光谱签名。由于流向湍流强度$\overline{u^2}$的子分量来自于速度能谱的积分，因此我们在这里集中于前者的标度。壁正常的配置文件和雷诺数趋势的三个人，添加剂的流向湍流强度的子组件进行检查。与评估总流向湍流强度相比，这允许在更深处重新审视湍流强度的缩放。根据所有考虑的雷诺数的普遍趋势，给出了$A_1 = 0.98$的Townsend-Perry常数的一些证据，该常数将描述根据Townsend的附着涡假设的湍流强度的壁面法向对数衰减。它也证明了这个常数可以是一致的，在近壁区域的流向湍流强度的增加的雷诺数。
2019-12-03 physics.flu-dyn
Kinetic Energy Decay Rates of Supersonic and Super-Alfvenic Turbulence in Star-Forming Clouds
我们目前的数值研究的可压缩，衰减湍流，有和没有磁场，与初始均方根阿尔芬和马赫数范围高达5，并应用结果的问题的支持恒星形成的星际分子气体云。我们发现，在一维，磁化湍流实际上比未磁化湍流衰减得更快。在我们研究过的所有三维相干态-超阿尔夫文、超音速、亚阿尔夫文和亚音速-中，动能衰减为（t-t0）^（-x），其中0.85 < x < 1.2。我们比较了两种完全不同的算法在未磁化情况下的结果，并在所有情况下进行了广泛的分辨率研究，达到了256^3个区域或350，000个粒子的分辨率。我们的结论是，所观察到的长寿命和超音速运动的分子云必须是由于外部驱动，因为非驱动湍流衰减太快，无法解释的意见。
1997-12-01 astro-ph chao-dyn nlin.CD
Average turbulence dynamics from a one-parameter kinetic theory
本研究提出仅含单个时空依赖自由弛豫时间的单参数动理学理论，通过平均流体元的Klimontovich型方程构建动理学方程，解释湍流非高斯性来源，克服传统湍流模型的尺度分离难题，更适合描述平均湍流流动。
2024-01-30 physics.flu-dyn
Kinetic and internal energy transfer in implicit large eddy simulations of forced compressible turbulence
我们重新审视的问题，如何通过湍流级联的能量传递可压缩流体动力学湍流。一般来说，由于动能库和内能库可以通过压力膨胀交换能量，因此不存在保守的可压缩叶栅。此外，高马赫数下的统计稳定湍流只能在接近等温的气体中维持，即，如果由冲击压缩和动能耗散产生的多余的热被连续地从系统中去除。我们模拟这个过程中的一个线性冷却项随机强迫驱动的湍流数值模拟。这使我们能够研究大范围马赫数的紊流统计。我们计算的变化率的动能和内能在波数壳引起的平流，压缩和压力膨胀效应和约束幂律拟合可压缩湍流能量谱的波数范围内的总能量转移接近于零。由此产生的标度指数显着影响的强迫。根据均方根马赫数，我们发现一个几乎恒定的平流分量的跨尺度通量的动能在中间波数的螺线管和压缩模式的强迫的特定混合物。这表明存在一种自然的、与马赫数有关的强迫模态的混合。我们的研究结果还支持在高马赫数下对流占主导地位的制度与特定的标度指数（纯速度波动$u$的Burgers标度和质量加权变量$v=ρ^{1/3}u$的Kolmogorov标度）。
2019-12-05 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.flu-dyn
Kinetic Equations and Turbulence in Large $N$ Vector and SYK-like Models
The Graduate Center, CUNY（纽约市立大学研究生中心）
本文通过大N展开技术，分别推导大N矢量模型与类SYK模型的动力学方程，发现类SYK模型的动力学方程无时间局域碰撞积分，并揭示出新型强湍流标度指数。
2026-10-15 cond-mat.stat-mech cond-mat.str-el hep-th
The Lundgren-Monin-Novikov Hierarchy: Kinetic Equations for Turbulence
我们提出了一个概述的统计描述的湍流的概率密度函数（PDF）的框架下的Lundamart-Monin-Novikov（LMN）的层次结构的最近的工作。在此框架内，PDF的演化方程来自流体运动的基本方程。封闭问题的出现，无论是在耦合到多点PDF或条件的平均值进入演化方程作为未知函数。我们主要集中在后者的情况下，并使用直接数值模拟（DNS）的数据来指定的未封闭的条款。除了介绍基本的分析技术外，还讨论了二维涡量统计、三维湍流的单点速度和涡量统计、Rayleigh-Bénard对流的温度统计和Burgers湍流的应用。
2012-10-22 physics.flu-dyn
Energy transfer and dual cascade in kinetic magnetized plasma turbulence
非线性相互作用如何在可用的自由度上重新分配波动能量的问题，在磁化弱碰撞等离子体中的湍流和输运研究中具有根本的重要性，范围从空间设置到聚变装置。在这封信中，我们提出了一个理论的双重级联发现在这样的等离子体，它预测了一系列的新的行为，区分这种级联的中性流体湍流。这些现象解释的非线性陀螺动力学的光谱传输的约束性质。伴随这一理论的是这些现象的第一次观察，通过直接数值模拟获得使用gyrokinetic代码{ \tt AstroGK}。所发现的基本机制提供了一个框架，了解湍流能量传递耦合尺度本地和非本地。
2011-04-15 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
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
Decoupling of the Kinetic and Magnetic Energy Cascades in MHD Turbulence
在理想的不可压缩MHD中，磁能和动能不是整体不变量，因此，只讨论它们的总和，即总能量的级联是合理的。我们提供了一个物理参数的基础上的规模本地化的级联，以及令人信服的证据表明，在高雷诺数，磁和动能预算统计解耦超出过渡“转换”范围。这是因为磁场线拉伸是一个大尺度过程，在惯性感应范围内的中等和小尺度上平均消失，从而允许平均动能和磁能中的每一个保守地以相等的速率级联。一个结果是，湍流磁普朗特数是统一的“解耦范围”的尺度。
2019-02-24 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Inverse kinetic theory approach to turbulence theory
湍流理论的一个基本方面涉及到识别可实现的相空间统计描述，这些描述能够在某种适当的意义上再现湍流流体的随机流体方程。特别是，一个主要的开放问题是，是否一个纯粹的马尔可夫统计描述的流体动力学湍流实际上可以实现。基于三维不可压Navier-Stokes方程的\textit{deterministic inverse kinetic theory}（IKT）的形式，本文提出了一种求解三维不可压Navier-Stokes方程的\textit{Markovian statistical description actually exists} .该方法，它涉及到引入的\textit{local velocity probability density}的流体（本地pdf）-而不是速度差pdf采用的习惯方法均匀湍流-完全依赖于第一原理。这些包括-特别是-的确切有效性的随机纳维-斯托克斯方程，原则的熵最大化和一个常数H-定理的香农统计熵。因此，新方法提供了拉格朗日公式和欧拉公式之间的精确等价性，其允许通常为非麦克斯韦（即，非高斯）。发展的理论是相当普遍的，原则上甚至适用于非平稳和非均匀的统计意义上的湍流制度。
2008-06-27 physics.class-ph physics.flu-dyn
Interplay of waves and eddies in rotating stratified turbulence and the link with kinetic-potential energy partition
本文采用世界一流的直接数值模拟方法，使用多达$3072^3$网格点，研究了稳定分层旋转流中波与涡的相互作用。引人注目的是，我们发现，从涡波为主的动力学的转变发生在波数$k_R$不依赖于雷诺数，这表明波和涡模式之间的能量分配是不敏感的发展湍流在较小的尺度。我们还表明，$k_R$是可比的波数在动能和潜在的模式之间的交流稳定在接近均分，强调势能的作用，如在大气和海洋中所示。此外，$k_R$变化的弗劳德数的倒数所解释的缩放预测建议，与最近的观测和建模的中间层，低热层和海洋。
2015-11-11 physics.flu-dyn
Scale locality and the inertial range in compressible turbulence
我们使用粗粒化的方法来证明，在可压缩湍流的动能的尺度间传递是由本地相互作用。在这里，局部性意味着不同尺度之间的相互作用衰减的速度至少与尺度差异比的幂律函数一样快。特别是，我们的研究结果排除了动能从大尺度直接转移到耗散尺度，如进入冲击，在高雷诺数湍流的限制，是普遍认为。在任何马赫数下，对于任何状态方程，且不要求均匀性或各向同性，这些结果具有广泛的普遍性。我们在证明中对速度、压力和密度结构函数的标度所作的假设是很弱的，并且得到了令人信服的经验支持。在一个更强的假设压力膨胀共谱，我们表明，\emph{mean}动能和内能预算统计解耦超出过渡“转换”范围。我们的分析表明，存在一个随之而来的惯性尺度范围内，平均SGS动能通量成为常数，独立的规模。在这个惯性范围内，平均动能局部地以保守的方式级联，尽管不是不变量。
2010-12-30 physics.flu-dyn
Asymptotic Solutions of the Kinetic Boltzmann Equation, Multicomponent Non-equilibrium Gas Dynamics and Turbulence
本文给出了求动力学Boltzmann方程渐近解的正确方法，讨论了Hilbert方法和Enskog方法。本文导出了多组分非平衡气体动力学方程组，它对应于动力学Boltzmann方程组近似（渐近）解法中的一阶。它示出，粒子的速度分布函数，所提出的方法和Enskog的方法，在Enskog的方法内，是等价的无穷小的一阶项的渐近展开，但是，一般来说，不同的下一个订单。提出了将湍流气体流动解释为组分气体流动的分层，并由导出的多组分非平衡气体动力学方程组描述。
2013-03-24 physics.flu-dyn
Kinetic turbulence in space plasmas observed in the near-Earth and near-Sun solar wind
当强迫尺度远大于耗散尺度时，湍流在任何应力流中发展。在中性流体中，它由物理空间中的混沌运动组成，但在傅立叶空间中具有普适的能谱。间歇性（波动的非高斯统计）是另一个一般性质，它与相干结构的存在有关。空间等离子体也是湍流的。在这里，我们专注于动力学等离子体尺度，这还没有得到很好的理解。我们解决了以下基本问题：（1）在动力学尺度上的湍流涨落是否形成一个普适谱？（2）波动的性质是什么？利用对太阳风的测量，我们发现在距太阳0.3，0.6和0.9天文单位处的动力学湍流磁谱与距地球轨道1天文单位处的动力学湍流磁谱具有相同的形状，表明了这种现象的普遍性。形成该光谱的波动通常是倾向于产生磁丝的非线性相互作用的涡流。
2020-04-02 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Wave turbulence and the kinetic equation beyond leading order
本文提出一种基于 Prigogine 图解法的微扰方案求解 Liouville 方程，应用于弱非线性经典场论，并推导出次领头阶的波湍流动力学方程，为研究远离平衡的弱波湍流态提供了有效方法。
2024-03-24 cond-mat.stat-mech hep-th nlin.CD
Scale dependence and cross-scale transfer of kinetic energy in compressible hydrodynamic turbulence at moderate Reynolds numbers
通过对初始马赫数M = 1/3和M = 1，以及中等雷诺数R_lambda ~ 100的衰减湍流的直接数值模拟，研究了可压缩三维流体动力学湍流中动能的尺度依赖性和跨尺度传递特性。湍流动力学分析使用可压缩和不可压缩版本的动态谱传输（ST）和卡门-豪沃思-莫宁（KHM）方程。我们发现，非线性耦合导致的小尺度的动能的流量，它是耗散的，在同一时间，可逆的压力膨胀机制导致的振荡之间的动能和内能的平均为零的净能量转移的交换。虽然不可压缩的KHM和ST方程在模拟中通常是无效的，但它们的可压缩对应方程是令人满意的，并且以定量相似的方式描述了大尺度上动能的衰减、跨尺度能量传递/级联、压力膨胀和耗散。通过波矢量k和空间分离长度l之间的反比关系，KHM和ST结果之间存在简单的关系，因为k l ~ 3^1/2。对于一个给定的时间的耗散和压力膨胀项是强大的大尺度上的KHM方法，而ST项成为主导的小尺度上，这是由于互补的累积行为的两种方法。当在其振荡周期上平均时，压力膨胀的影响是弱的，并且可能导致动能从大尺度向小尺度的转移，而在动能和内能之间没有净交换。我们的结果表明，对于足够大的系统，存在一个惯性范围的动能级联。
2021-03-22 physics.flu-dyn
Revisiting Bolgiano-Obukhov scaling for moderately stably stratified turbulence
根据著名的Bolgiano-Obukhov中等稳定分层湍流的\citep{Bolgiano_1959,Obukhov_1959}现象学，惯性范围内的能谱显示出双重标度;动能遵循（i）对于$k < k_B$的$\sim k^{-11/5}$，和（ii）对于$k > k_B$的$\sim k^{-5/3}$，其中$k_B$是Bolgiano波数。类似于被动标量湍流的$k^{-5/3}$标度是假定浮力对$k>k_B$来说不重要的直接结果。我们重新审视了这个假设，并利用动能和势能通量的恒定性和简单的理论分析，我们发现$ k^{-5/3}$谱是不存在的。这是因为小尺度下的速度场太弱，无法像被动标量湍流那样建立恒定的动能通量。本文还导出了第二区存在的定量条件。
2019-06-25 physics.flu-dyn
A Modified Gas-Kinetic Scheme for Turbulent Flow
通过与气体动力学理论的类比，大多数湍流建模策略依赖于涡动粘度来对未解决的湍流波动进行建模。然而，基于纳维-斯托克斯方程的流行的传统格式没有考虑到未分辨尺度与已分辨尺度的比率--非常像稀疏度。本文研究了用气体动力学格式模拟湍流.在这样做时，湍流的建模成为数值方案的一部分：稀疏度被自动考虑在内;湍流应力张量不受约束为与应变率的线性关系。相反，它是在颗粒和涡流之间的类比的基础上建模的，而没有对湍流类型或流动类别的任何假设。提出了将湍流气体动力学格式转化为有限体积法的方法，湍流动能和耗散由相应的湍流模型提供。大量的流动情况下，传统的RANS方法的挑战，进行了研究，结果表明，激波湍流边界层被捕获的气体动力学计划在一个更令人信服的方式。
2013-08-14 physics.flu-dyn
Cascades of turbulent kinetic energy and multicomponent scalars in a momentum-scalar coupling turbulence driven by multiscale forces under homogeneous and isotropic hypotheses
本研究初步理论探索了多尺度力驱动的动量-标量耦合湍流中多重耦合机制对湍动能和多分量标量级联的控制作用，验证了四重级联过程并发现了多个新的VF子范围。
2024-06-05 physics.flu-dyn
Sudden viscous dissipation of compressing turbulence
如果压缩比湍流涡旋的粘性耗散时间快，则湍流等离子体的压缩可以放大湍流动能。一个突然的粘性耗散机制被证明，从而这种放大的湍流动能迅速转换为热能，提出了一个新的范例快速点火惯性聚变。
2016-02-23 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
A quasi-dynamic one-equation model with joint constraints of kinetic energy and helicity fluxes for large eddy simulation of rotating turbulence
本文提出一种由动能和螺旋度通量联合约束的准动态单方程SGS模型（QCM），通过动态获取系数并引入双通道螺旋度通量理论，显著提升了强螺旋度影响下的旋转流预测及转捩过程处理能力。
2024-01-04 physics.flu-dyn
Kinetic turbulence in relativistic plasma: from thermal bath to non-thermal continuum
我们提出的结果，从粒子在细胞模拟驱动湍流磁化，无碰撞，相对论对等离子体。我们发现，波动是一致的经典$k_\perp^{-5/3}$磁能谱在流体尺度和陡峭的$k_\perp^{-4}$频谱在亚拉莫尔尺度，其中$k_\perp$是波矢垂直于平均场。我们展示了一个非热的，幂律粒子能量分布，$f(E) \sim E^{-α}$，与指数$α$，随着磁化强度的增加而减少，并随着系统的大小增加（相对于特征拉莫尔半径）的发展。我们的模拟表明，湍流可以是一个可行的高能天体物理系统，如脉冲星风星云的高能粒子源，如果缩放渐近系统的大小变得不敏感。
2017-01-13 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
4-wave dynamics in kinetic wave turbulence
本文考虑了具有四次共振的一般哈密顿波系，在具有随机相位的弱相互作用色散波连续统的标准动力学极限下。在“相互作用表示”和小非线性参数的微扰展开中获得了多模特征函数$Z$的演化方程。进行频率重整化以去除在3波情况下不出现的线性项。Feynman-Wyld图被用来平均相位，导致$Z$的一阶微分演化方程。一个方程的层次，类似于低密度气体的玻尔兹曼层次，它保留了时间的随机相位和振幅的属性。这相当于一个通用的形式主义的$N$模式和1模式的PDF方程的4波湍流系统，适用于数值模拟和调查的不稳定性。
2017-09-29 physics.flu-dyn
Mesoscale Equipartition of kinetic energy in Quantum Turbulence
对有限温度下超流氦的湍流进行了数值研究。直接数值模拟进行了“截断HVBK”模型，它结合了连续描述的Hall-Vinen-Bekeravich-Khalatnikov方程的附加约束，这种连续的描述不能超出量子长度尺度与个人超流涡之间的平均间距。一个很好的协议被发现与实验测量的旋涡密度。此外，通过改变湍流强度，观察到涡间距随雷诺数的变化规律为$Re^{-3/4}$，与经典湍流中的粘性尺度相似。在高温极限，Kolmogorov的惯性叶栅恢复，从以前的数值和实验研究的预期。随着温度的降低，惯性级联仍然存在于大尺度，而在小尺度下，该系统的发展对统计均分的动能之间的频谱模式，与特征$k^2$速度谱。超流激发在一系列介观尺度上的积累使超流能够通过与剩余的正常流体的相互摩擦来持续耗散动能，尽管后者在低温下变得罕见。结果表明，在低温下，超流涡量主要集中在这些中尺度区域，而在高温下，超流涡量主要集中在惯性区域。这一观察结果应对衰减湍流实验的解释产生影响，这些实验通常基于涡线密度测量。
2012-02-02 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Three dimensional high-order gas-kinetic scheme for supersonic isotropic turbulence I: criterion for direct numerical simulation
在本文中，我们打算解决的高阶气体动力学方案（HGKS）的直接数值模拟（DNS）的可压缩各向同性湍流的超音速制度。考虑到鲁棒性和精度，目前的高阶格式采用WENO-Z格式进行空间重构。统计量与高阶紧致差分格式进行比较，以确定DNS的空间和时间标准。通过对网格和时间收敛性的研究表明，最小空间分辨率参数$κ_{max} η_0 \ge 2.71$和最大时间分辨率参数$Δt_{ini}/τ_{t_0} \leq 5.58/1000$适用于HGKS求解可压缩各向同性湍流，其中$κ_{max}$为最大分辨波数，$Δt_{ini}$为初始时间步长，$η_0$和$τ_{t_0}$为初始Kolmogorov长度尺度和大涡翻转时间。在此准则的指导下，模拟了从亚音速$Ma_t=0.8$到超音速$Ma_t=1.2$的可压缩各向同性湍流，以及从$10$到$72$的泰勒微尺度雷诺数$Re_λ$。在高初始湍流马赫数条件下，识别出强随机小激波和高膨胀区，以及局部湍流马赫数范围内的大概率密度函数。所有这些都对高阶格式提出了挑战。为了建立高湍流马赫数下的可压缩大涡模拟模型，对湍流动能的系综收支进行了全面的分析。螺线管耗散率随$Ma_t$和$Re_λ$的增加而减小。同时，膨胀耗散率随$Ma_t$的增大而增大，这对建立超声速湍流模型是不可忽略的。
2019-05-10 physics.flu-dyn
Conversions between kinetic and surface energy in periodically forced multiphase turbulence
CNRS, CORIA, UMR 6614, Normandy Univ., UNIROUEN, INSA Rouen（法国国家科学研究中心，CORIA，联合研究实验室6614，诺曼底大学，鲁昂大学，鲁昂国立应用科学学院）
通过周期性强迫多相湍流数值模拟，研究动能与表面能之间的动态转换，提出改进的Ka-Pi-bara模型捕捉非平衡效应和相位滞后。
2026-07-14 physics.flu-dyn
Data-driven decomposition of the streamwise turbulence kinetic energy in boundary layers. Part 1. Energy spectra
在有壁湍流中，大量共存的湍流结构形成了从粘性到惯性占主导地位的尺度范围内的流向速度能谱。流向光谱的确定的标度趋势在经验上仍然难以捉摸，尽管一个著名的思想流派源于Perry和Abell的著作（J. Fluid Mech.，第79卷，1977年，第100页。785-799）和Perry等人（J. Fluid Mech.，第165卷，1986年，第165页。163-199），这些理论受到Townsend的附着涡假设（The Structure of Turbulent Shear Flow，Cambridge University Press，1976）的极大启发。在本文中，我们重新审查的湍流动能的流向速度分量的频谱分解的背景下，佩里和同事。两个通用的频谱滤波器通过频谱相干分析的两点速度信号，跨越雷诺数范围$Re_τ\sim \mathcal{O}(10^3)$到$\mathcal{O}(10^6)$，并形成我们的分解的基础上的湍流区域的随机壁分离和附壁部分的能量。后者由大于流向/壁面法线比$λ_x/z \approx 14$的尺度组成。如果分解被接受，则$k_x^{-1}$缩放区域只能在$z^+ = 100$的壁法线位置处出现$Re_τ\geq 80\,000$。在Perry和同事的研究之后，人们假设湍流结构而不是附着涡的光谱贡献掩盖了$k_x^{-1}$标度。当接受的想法，不同的光谱…
2019-12-03 physics.flu-dyn
Kinetic closure of turbulence
HEPIA, University of Applied Sciences and Arts of Western Switzerland（西方瑞士应用艺术大学 HEPIA）；Department of Computer Science, University of Geneva（日内瓦大学计算机科学系）
本文提出了一种基于过滤Boltzmann-BGK方程的输运闭合方法，为湍流的替代描述铺平了道路。该闭合方法保留了湍流子滤波应力张量，而无需采用Smagorinsky型假设来描述其结构。通过推广BGK碰撞算子，该方法在非守恒矩中考虑了子滤波湍流扩散。该模型不需要在已解析和未解析尺度之间进行尺度分离。Chapman-Enskog分析显示，其流体动力学极限可以收敛到过滤Navier-Stokes方程，速度梯度隔离了子滤波贡献。在Taylor-Green涡旋和湍流混合层的数值测试中，该方法在稳定性方面有所改进，并在报告案例中减少了耗散，与Smagorinsky模型进行了基准对比。
2026-09-23 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Matter Wave Turbulence: Beyond Kinetic Scaling
本文研究了超冷玻色气体中远离热平衡的湍流标度现象。动力学演化的不动点由关联函数的普适标度指数表征。在量子场论的框架内，利用两粒子不可约有效作用量的非微扰近似，解析地确定了标度行为。虽然微扰Kolmogorov缩放恢复在较高的能量，缩放的解决方案，具有极大的指数出现在红外区的湍流光谱。在超冷原子气体中，长程关联的动量依赖性的显著增强可以在实验上实现。这样的实验有可能提供对动力学现象的深入了解，这些动力学现象也与当今的其他焦点领域直接相关，如重离子碰撞和早期宇宙学。
2009-12-21 cond-mat.other cond-mat.quant-gas hep-ph
Emergence of isotropy in rotating turbulence of Bose-Einstein condensates
本文利用耗散Gross-Pitaevskii模型研究玻色-爱因斯坦凝聚体中旋转湍流的演化，发现湍流状态下不可压缩动能呈现较弱各向异性并具有$k_z^{-2.5}$标度，而可压缩动能则表现出各向同性。
2024-03-18 cond-mat.quant-gas physics.flu-dyn
Contrasting turbulence in stably stratified flows and thermal convection
本文对比了稳定层结湍流和湍流热对流的性质。这些流动之间的一个关键区别是浮力动能馈送的符号$\mathcal{F}_B$。对于SST，由于其稳定的性质，动能通量$\mathcal{F}_B < 0$随波数$k$减小，导致动能谱$E_u(k) \sim k^{-11/5}$陡峭。湍流对流是不稳定的，因此$\mathcal{F}_B > 0$导致$Π_u(k)$与$k$增加;然而，由于浮力相对较弱，这种增加是边际的，因此$E_u(k) \sim k^{-5/3}$与流体动力学湍流相似。本文还描述了上述系统的守恒通量。
2019-02-18 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetized Decaying Turbulence in the Weakly Compressible Taylor-Green Vortex
磁流体动力学湍流会影响地球和天体物理等离子体。必须更好地理解磁化湍流的性质，以更准确地表征这些系统。本文对亚音速马赫数和磁场强度范围内的可压缩Taylor-Green涡进行了理想MHD模拟。我们发现，无论初始场强度，磁能成为主导的动能在所有尺度后，在最多几个动力学时间。动能谱和磁能谱的谱指数随时间变得比$k^{-5/3}$浅，并且通常波动。使用壳到壳能量传递分析框架，我们发现，磁场促进了显着量的能量通量和动能级联被抑制。此外，我们还观察到大尺度动能通过磁张力向中小尺度磁能的非定域能量转移。我们的结论是，即使在间歇或奇异驱动的弱磁化系统中，磁场的动力学效应也不能忽略。
2021-04-26 astro-ph.CO physics.flu-dyn
Turbulence models generator
在本文中，我们探讨了一种可能性，所有的传输湍流模型包含在一个粗粒度的动力学方程。基于H.Chen等人（2004）的最新工作，我们通过引入"两级“（${\bf c,v}$）相空间，分离微观（${\bf c'\equiv c_{micro}= c-v}$）和流体动力学（${\bf v'=v-V}$）模式，解释了湍流中单点概率密度的波动。与传统的动力学理论不同，流体动力学近似是根据与热力学平衡的微小偏差导出的，在这项工作中开发的理论是基于远离平衡的各向同性和均匀湍流作为未扰动状态。无量纲应变率的扩展导致了一类新的湍流模型，包括著名的${\cal K}-{\cal E}$，雷诺应力和所有可能的非线性模型。在物理空间中的通量与跨尺度的能通量的相互作用的作用，不存在于标准建模中，表现在湍流槽道流的例子。为了封闭系统，既不需要湍流动能方程，也不需要包含在导出的粗粒度动力学方程中的关于压力-速度相关性的信息。
2007-06-29 nlin.CG physics.flu-dyn
Generation of large-scale vorticity in rotating stratified turbulence with inhomogeneous helicity: mean-field theory
本文讨论了具有非均匀动力螺旋度的旋转密度分层发展湍流中大尺度涡量产生的平均场论。我们指出，大尺度非均匀流动是由密度分层旋转湍流和均匀动力螺旋度的联合作用或旋转不可压湍流和非均匀动力螺旋度的联合作用产生的。这些效应导致大尺度剪切的形成，并且由于大尺度剪切和雷诺应力诱导的平均涡量的产生的组合效应，其与小尺度湍流的相互作用又引起大尺度不稳定性的激发（称为涡量发电机）。后者是由于大尺度剪切对雷诺应力的影响。快速旋转抑制了这种大规模的不稳定性。
2018-05-13 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Analytic characterization of sub-Alfvénic turbulence energetics
本文针对强磁化可压缩湍流的能量失衡难题，基于相干圆柱流体微元动力学与MHD拉格朗日量，解析证明了转移至动能的磁能主要源于有序与波动磁场间的耦合，且该理论关系与数值模拟高度吻合。
2023-04-07 astro-ph.IM physics.flu-dyn physics.plasm-ph
