On the algebraic stretching dynamics of variable-density mixing in shock-bubble interaction
J.C. Wu Center for Aerodynamics, School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学航空航天学院空气动力学中心）
本研究通过高分辨率模拟，提出了一种针对激波-气泡相互作用中变量密度混合的模型，揭示了拉伸动力学对混合率的影响及密度梯度效应的挑战。
2025-09-18 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
Vortex-Stretching based Large Eddy Simulation Framework for Wind Farms
在大型风电场中，风力涡轮机后面的尾流分布导致下游风力机的风速显著降低，从而导致大量的功率损失。因此，对风力机尾流进行有效的预测是非常重要的。因此，我们提出了一个大涡模拟（LES）方法，它采取涡量拉伸模型瞬态风力机尾流。此外，我们提出了一个改进的致动器盘模型，该模型考虑了大气和尾流之间的双向反馈。首先，我们表明，与新模型预测的平均风的垂直廓线有一个很好的协议与实验测量。接下来，我们验证预测的雷诺应力对风洞数据，并表明，分散应力约占40%的雷诺应力。最后，我们表明，所提出的LES方法准确地预测特性的风力机唤醒。比较LES的结果与以前报道的数据，我们发现，新的LES框架准确地预测在近尾流和远尾流区域的流量统计。
2022-05-03 physics.flu-dyn
Mathematical reformulation of the Kolmogorov-Richardson energy cascade in terms of vortex stretching
在本文中，借助于直接数值模拟（DNS）的强制湍流在一个周期性的域，我们在数学上重新制定的Kolmogorov-Richardson能量级联的涡拉伸。利用这种描述，我们证明了，如果Navier-Stokes流满足一个新的正则性准则的拟能产生率，那么流动不会爆破。我们的DNS结果似乎支持这一规律性标准。接下来，我们在数学上构建了管状涡的层次结构，这是统计自相似的惯性范围内。在涡拉伸/压缩（即能量级联）过程的尺度局部性和非直接拉伸或压缩的涡之间统计独立性的假设下，我们可以不直接使用Kolmogorov假设而导出统计定常湍流能量谱的$-5/3$幂律。
2021-12-08 math.AP physics.flu-dyn
Stretching and buckling of small elastic fibers in turbulence
在湍流中的小的柔性纤维被发现在大多数时间是像硬杆一样直的。这是由于弯曲刚度和流体拉伸的协同作用。然而，当纤维翻滚并经历足够强的局部压缩剪切时，纤维可能弯曲和屈曲。这些事件类似于活化过程，其中温度的作用由杨氏模量的倒数起作用。数值模拟表明，屈曲发生非常间歇性的时间。这是由于湍流切变的长程拉格朗日相关性引起的。
2018-05-15 physics.flu-dyn
Locality of vortex stretching for the 3D Euler equations
本文研究了三维不可压Euler方程在小尺度涡团被大尺度定常流拉伸的情况下的解。更准确地说，我们澄清了什么样的大规模的固定流真正拉伸小规模的涡滴与应变方向一致。其关键思想是构造一个拉格朗日坐标，使得李括号为零（参见。Frobenius定理），并利用它研究了压力项的局部性。
2022-04-05 math.AP math.DG physics.flu-dyn
Vortex Stretching in the Navier-Stokes Equations and Information Dissipation in Diffusion Models: A Reformulation from a Partial Differential Equation Viewpoint
Graduate School of Economics, Hitotsubashi University（早稻田大学经济学研究科）
本文从偏微分方程视角重新表述了纳维-斯托克斯方程中的涡旋拉伸，通过分数函数学习构建反时间粒子轨迹，揭示了信息在压缩与拉伸方向上的不同耗散特性。
2026-02-01 cs.AI math.AP physics.flu-dyn
Reacting and Non-reacting, Three-dimensional Shear Layers with Spanwise Stretching
本文分析了在边界层近似下，在混合、化学反应和外加法向应变作用下，三维定常层流剪切层流在空间上的发展。所施加的应变产生了一个逆流，使涡量沿展向伸展。方程简化为三个速度分量的二维形式。考虑Damköhler数、Prandtl数、化学成分和自由流速度比等参数输入，数值求解了二维形式的控制方程的非反应和反应情况。非反应性情况的分析集中在较热的气态氧和较冷的气态丙烷之间的混合。自由流应变率κ由常微分方程根据施加的展向压力变化预测。一步化学动力学被用来描述扩散火焰和多火焰结构。施加的法向应变率对下游混合层的宽度以及燃烧速率有显著的影响。在下游方向上，如果施加的法向应变率是常数，则剪切层的宽度渐近地为常数。当外加应变率随下游距离的倒数减小时，得到了层宽随下游距离的平方根增大的类似解。
2022-09-12 physics.flu-dyn
A remark on the zeroth law and instantaneous vortex stretching on the incompressible 3D Euler equations
Goto-Saito-Kawahara（2017）通过对Navier-Stokes湍流的DNS研究表明，湍流由反平行涡管对的自相似层次结构组成，特别是，在较大尺度应变场中拉伸会产生较小尺度的涡。受他们数值结果的启发，我们利用三维不可压Euler方程研究了Goto-Saito-Kawahara型涡管的行为，并表明这种行为在没有非线性尺度相互作用的情况下会引起能量级联。从这个能量级联，我们证明了修改后的版本的零定律。在附录中，我们从GSK的观点导出了Kolmogorov的$-5/3$ -定律。
2019-02-19 math-ph math.AP math.MP
Stretching of polymers around the Kolmogorov scale in a turbulent shear flow
我们提出的数值研究拉伸的虎克哑铃在湍流的Navier-Stokes流的线性平均配置文件，<u_x>=Sy。除了粘性Kolmogorov尺度η之外的湍流特征之外，哑铃的平衡延伸处的动力学显著低于η也得到了很好的解决。恒定剪切率S的变化引起所有尺度上的湍流速度波动的变化，从而引起平流的局部拉伸率的强度的变化。后者是由最大李雅普诺夫指数λ da_1来衡量的，发现λ da_1随着λ_1 ~ S^{3/2}而增加，这与量纲参数一致。布朗动力学模拟结合湍流剪切流的伪谱积分，推进了高达2 × 10^6被动平流哑铃的系综。拉伸的各向异性通过方位角$ϕ$和极角θ的统计来量化，方位角$ϕ$测量与x-y剪切平面中的平均流动轴的对准，极角θ确定相对于剪切平面的取向。φ的概率密度函数（PDF）的不对称性随着剪切速率S的增加而增加。此外，PDF在平均流向（phi= 0）附近逐渐达到峰值。相反，极角θ的PDF是对称的，并且对S的变化不太敏感。
2006-01-03 nlin.CD physics.flu-dyn
Boundary layer flow and heat transfer of Cross fluid over a stretching sheet
本文的研究是建立二维横向流动和传热的边界层方程的一项开拓性工作。通过适当的相似变换，将偏微分方程组转化为高度非线性的常微分方程组。拉伸片的解决方案是通过。一个数值技术，即射击方法和图表构造的剪切稀化以及剪切增稠制度。新兴的参数，即幂律指数，当地Weissenberg数和普朗特数的速度和温度场的影响进行了研究，通过图形。局部表面摩擦系数和局部努塞尔数的数值也以表格形式给出。对于一些限制性的情况下，与以前可用的结果在文献中进行比较，并取得了很好的协议。
2016-09-07 physics.flu-dyn
Stretching Behavior of Knotted and Unknotted Flow Fields
本研究模拟环面表面涡旋冻结流场中物质线的平流，发现打结构型导致与未打结不同的指数拉伸行为，并通过弯曲形成区域和有限时间Lyapunov指数证实了该机制，建立了拓扑与拉伸行为的明确联系。
2023-06-30 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Stretching of polymers in a random three-dimensional flow
实验研究了聚合物稀溶液在具有平均剪切力的三维随机流中的行为。聚合物的剪切应力的贡献被发现是两个以上的数量级高于在层流剪切流。结果表明，聚合物分子受到流体随机运动的强烈拉伸。
2000-05-17 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
How pore-scale disorder controls fluid stretching in two-dimensional porous media
University of Oslo（奥斯陆大学）；University of Rennes（雷恩大学）；Univ. Grenoble Alpes, Univ. Savoie Mont Blanc, CNRS, IRD, Univ. Gustave Eiffel, ISTerre（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、萨瓦蒙布朗克大学、法国国家科学研究中心、法国发展研究所、居斯塔夫埃菲尔大学、ISTerre研究所）；Norwegian University of Science and Technology（挪威科技大学）
研究通过实验、模拟和分析探讨多孔介质中流体拉伸的控制机制，发现无序结构显著影响拉伸统计特性，揭示了无序介质加速混合的潜力。
2026-09-30 physics.flu-dyn
Local precursors to anomalous dissipation in Navier-Stokes turbulence: Burgers vortex-type models and simulation analysis
本文通过Burgers涡旋型解析模型和直接数值模拟，将高雷诺数湍流的反常耗散与局部强涡旋拉伸结构联系起来，识别出可作为反常耗散增强前兆的局部高涡量事件。
2024-05-23 physics.flu-dyn
Vortex Stretching of Non-premixed, Diluted Hydrogen/Oxygen Flamelets
本研究建立考虑涡拉伸的单位Lewis数三维氢氧稀释扩散小火焰模型，发现环境涡量与应变率是小火焰的核心控制参数，可通过湍流级联理论关联宏观流场，为湍流燃烧建模提供新的参数化思路。
2024-10-06 physics.flu-dyn
A simple model for turbulence intermittencies based on self-avoiding random vortex stretching
湍流脉动是否应该用对数泊松分布、对数稳定概率分布或其它分布来描述，目前仍有争论。本文在高分子物理、自回避行走和无规涡旋拉伸之间建立了一座桥梁，这可能有助于对这一主题有新的认识。实际上，在稳定律的稳定性指数和源于高分子物理学的著名Flory指数之间建立了一个非常简单的关系。此外，还得到了湍流度随雷诺数的变化规律，其结果与Tennekes的湍流细尺度结构的简单模型[Phys.Fluids，11，3（1968）]非常接近：Kolmogorov长度宽度的涡管被Taylor长度尺度的较大涡弯曲。因此，这导致简单且可靠的模型，而不需要拟合参数。
2010-05-31 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.class-ph
Signature of coalescence during scalar mixing in a Rankine vortex
我们分析了在涡流中溶质混合的动力学。本文研究了被动示踪剂在朗肯涡中的输运。剪切流的作用一般是实现流体元素的拉伸。涡流表现出流体元素的拉伸和折叠，使得相邻的流体元素在每转一圈时更接近。沿着旋转方向的强拉伸伴随着径向方向上的伴随变薄，导致强扩散通量，这可能导致来自混合界面的相邻区域的材料聚集。通过拉格朗日浓度演化技术，扩散条法，我们得到的浓度场和精确的两个相邻的浓度区域的合并通过分析浓度分布剖面的签名。我们链接聚合反应混合限制反应流。该分析有助于理解旋涡流动结构中的标量弥散。
2020-02-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Nonlinear modeling of wave-topography interactions, shear instabilities and shear induced wave breaking using vortex method
线性剪切不稳定性的理论研究通常使用简单的速度和密度分布（例如，恒定的，分段的），以获得良好的定性和定量预测的初始扰动。此外，这种简单的配置文件提供了一个极小模型，以获得否则难以捉摸的剪切不稳定性的机械理解。然而，除了少数特定情况下，简单的配置文件的功效仍然限于线性稳定性范例。在这项工作中，我们提出了一个通用的框架，可以模拟各种分层剪切不稳定性的完全非线性演化，以及波-波和波地形相互作用的问题，具有简单的配置文件。为此，我们已经修改了经典的涡方法，将Birkhoff-Rott方程扩展到多个接口，此外，还将背景剪切穿过密度接口。后者更微妙，并且源于理解伯努利方程不仅限于无旋流，而且可以修改以使其适用于分段速度剖面。我们已经解决了各种各样的问题，基本上可以减少到多个相互作用的界面范例，例如溢出和暴跌断路器，分层剪切不稳定性，如Holmboe和泰勒-考菲尔德，射流，甚至波地形相互作用的问题，如布拉格共振。自由滑移边界是一个涡面，用涡方法也能有效地捕捉到它的影响。我们发现，极小模型捕捉关键的非线性特征，例如，波浪破碎特征，如尖点形成和卷起，这是在实验和/或广泛的模拟中观察到的，具有平滑，逼真的轮廓。
2017-09-27 physics.flu-dyn
Lagrangian Phase-Lag and Geometric Precedence in Turbulent Vortex Stretching
Mechanical Engineering Deparatment, College of Engineering and Technology（机械工程系，工程学院与技术学院）；Arab Academy for Science, Technology and Maritime Transport（阿拉伯科学、技术与海运学院）
本研究揭示了湍流中压力拓扑作为几何先驱，通过拉格朗日相位滞后组织流体结构，验证了其在MHD湍流中的稳健性。
2026-01-09 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Vortex stretching and enstrophy production in high Reynolds number turbulence
湍流的一个重要组成部分是涡拉伸机制，它源于涡量和应变率张量的非线性相互作用，并导致极端事件的形成。我们分析了涡量和应变率之间的统计相关性，通过使用一个庞大的数据库产生的非常好的解决直接数值模拟强迫各向同性湍流在周期域。网格分辨率达到$12288^3$，泰勒尺度雷诺数在$140-1300$范围内。为了了解极端涡度波动的形成和结构，我们获得了以涡度拟能（涡度平方）为条件的统计。应变的大小，以及它的特征值，是近似恒定的条件下，弱拟能，而他们的增长近似为幂律的强拟能，这成为陡峭的增加$R_λ$。我们发现，众所周知的涡度和应变张量的中间特征向量之间的优先对齐是更强的大拟能，而涡度表现出的倾向是弱正交的最广泛的特征向量（大拟能）。然而，大涡度拟能事件产生的主要贡献来自于最广泛的本征方向，随着$R_λ$的增加，这种贡献越大。然而，在强烈的涡度区域的拉伸显着耗尽，与弱弯曲管的运动学特性，他们组织一致。进一步的分析表明，强烈的涡度拟能主要是通过粘性扩散来消耗的，尽管粘性耗散也很重要。对建模的影响在名义上是适当的。
2020-09-30 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Sensitivity of vortex pairing and mixing to initial perturbations in stratified shear flows
采用直接数值模拟（DNS）方法，研究了不同初始扰动对Kelvin-Helmholtz不稳定性和涡对作用下剪切层流演化的影响。背景流的纯随机扰动的影响对扰动的次谐波分量的相位敏感，该扰动的波长是开尔文-亥姆霍兹不稳定性的波长的两倍。如果Kelvin-Helmholtz模和它的次谐波模之间的相位关系是最佳的，或者接近最佳，则发生涡旋配对。当存在相位差时，涡配对被延迟，并且该延迟随着相位差的增加而增加。在三维模拟中，如果相位差足够大，则涡旋配对被抑制，从而降低混合量和混合效率。对于一个足够接近最佳相位的给定相位差，流动对特征值扰动的响应与对随机扰动的响应非常相似。除了传统的诊断，我们定量地表明，在一个随机扰动的非模态傅立叶分量迅速演变为模态和描述的过程中使用拉格朗日轨迹的涡配对。
2018-11-27 physics.flu-dyn
Heat transfer in MHD flow due to a linearly stretching sheet with induced magnetic field
将横向磁场作用下线性拉伸薄板的流动与传热的全MHD问题转化为自相似形式。传统上被忽略的物理过程，如感应磁场，粘性耗散，焦耳加热，和工作剪切包括在内，并建立其重要性。还考虑了规定的表面温度、规定的热通量、表面进给（喷射或抽吸）、速度滑移和热滑移的情况。这个问题被证明承认自相似性。样本的数值解得到选定的组合的流动参数。
2017-06-18 physics.flu-dyn
Angular dynamics of a small particle in turbulence
我们计算了一个中性浮力近球形粒子浸没在不稳定流体的角动力学。我们假设粒子是小的，它的平移滑移速度可以忽略不计，非定常和对流惯性是小扰动。我们推导出一个近似的扭矩的粒子，确定第一惯性修正杰弗里的方程。这些修正是由于局部涡拉伸而产生的，并且在局部涡拉伸很强并且与湍流的不可逆性密切相关的湍流中可能很大。
2016-10-02 physics.flu-dyn
Spatially evolving vortex-gas turbulent free shear layers: Part 1. Effect of velocity ratio, and upstream and downstream conditions on spread-rate
最近，通过大量的数值模拟，建立了涡旋-气体模型与无粘不可压缩流体中随时间演变的湍流自由剪切层的大尺度动力学的相关性（Suryanarayanan等人，Phys. Rev. E 89，013009，2014）。在这里，通过涡-气模拟研究了空间演变的二维自由剪切层中速度比的影响，所用的计算模型是基于Basu等人（1992，1995）的，但作了重要的改进，以确保全球环流守恒。这些是针对速度比参数$λ= (U_1-U_2)/(U_1+U_2)$的值的范围进行的，其中$U_1$和$U_2$（$< U_1$）是穿过层的相应速度。模拟结果表明，施加在自由剪切层的开始和出口处的域的条件可以影响在其各自的街区，后者是特别强的$λ\rightarrow 1$的流动演变。在这两个邻域之间是由$λ$的通用函数给出的通用自保持增长率的区域。计算的增长率位于平面混合层上的实验数据的分散范围内，并且与最近的高雷诺数实验和三维LES研究非常一致，经过混合过渡，并支持了自由剪切层增长可以用准二维大尺度结构的二维涡动力学来解释的观点。
2015-09-03 physics.flu-dyn
Vortex-induced vibration of a flexible pipe under oscillatory sheared flow
本文通过海洋水池旋转装置试验研究柔性管道在振荡剪切流中的横流涡激振动，揭示振幅调制与迟滞，并提出临界$KC$判据。
2023-12-18 physics.flu-dyn
Viscous tilting and production of vorticity in homogeneous turbulence
粘性涡量消耗是湍流的一个基本和众所周知的特性，它平衡了与涡拉伸机制相关的净涡量产生。然而，在这封信中，我们证明了粘性效应不仅限于一个单纯的破坏过程，但在涡度动力学中发挥着更复杂的作用，这与涡拉伸一样重要。基于粒子跟踪实验（3D-PTV）和均匀和准各向同性湍流的直接数值模拟（DNS）结果，我们发现涡量方程中的粘性项也可以局部诱导涡量的产生及其方向的改变（粘性倾斜）。
2010-02-08 physics.flu-dyn
Laminar convective heat transfer of shear-thinning liquids in rectangular channels with longitudinal vortex generators
在雷诺数为25 ~ 200的范围内，对装有纵向涡发生器的矩形通道热沉内的流动和传热进行了数值研究。具有不同浓度（200-2000 ppm）的羧甲基纤维素（CMC）的水溶液（其为剪切稀化的非牛顿液体）已被用作工作流体。对一个平面通道和一个装有五对涡发生器的通道进行了三维模拟。通道的水力直径为8 mm，并通过恒定的壁温加热。涡流发生器安装在不同的攻角和通道内的位置。本文描述了带有纵向涡发生器的矩形通道内剪切变稀液体的流动，讨论了纵向涡发生器强化传热的机理。结果表明，相对于牛顿液体流（即水），在具有LVG的矩形通道中使用CMC水溶液的传热增强39-188%。此外，它表明，装备LVG矩形通道的结果在传热性能的24-135%的提高相对于平原通道。然而，这种传热增强与较大的压力损失相关。在本文所研究的参数范围内，增加CMC浓度、涡流发生器的迎角和它们的横向距离会导致传热性能的增加。此外，在层流区，纵向涡发生器的矩形通道的传热性能随着雷诺数的增加而增强。
2018-07-10 physics.flu-dyn
Absolute/convective secondary instabilities and the role of confinement in free shear layers
混合层可以在时间或空间上通过以几乎自相似的方式彼此相继的涡旋配对来增长。我们使用一个点涡模型来研究如何限制最终限制这个增长过程中，导致我们提出了一个波长选择机制的自由剪切层逆流。
2018-05-07 physics.flu-dyn
Subgrid-scale energy transfer and associated coherent structures in turbulent flow over a forest-like canopy
大涡模拟允许通过森林或植被样冠层纳入重要的驱动物理湍流。本文研究了涡旋拉伸和相干结构对亚网格尺度湍流动能的影响。我们提出了三个模拟（SGS-D/S/W）的冠层相互作用的影响。SGS-d假设SGS生产与SGS耗散的局部动态平衡。SGS-s平均拉格朗日轨迹上相干结构的SGS贡献。SGS-w假设TKE从大尺度到小尺度的平均叶栅发生在涡拉伸过程中。我们比较的后果，考虑森林的相同形态浸没固体或浸没树冠。我们的研究结果表明，流动和湍流的特性有明显的差异，而这两种情况下表现出冠层混合层。计算结果还表明，考虑涡拉伸后的TKE比经典的Deardorff TKE模型多解了约$18$ %。这些观测结果表明，森林冠层的空气动力学响应与森林覆盖的形态有关。讨论了森林中空间间歇相干结构的扫掠和喷射事件及其在动量、能量和标量传输中的作用。
2020-10-04 physics.flu-dyn
Zonal Shear Flows with a Free Surface: Hamiltonian Formulation and Linear and Nonlinear Stability
一般的理论结果，通过一个哈密顿制定开发的带状剪切流的变形自由表面的涡拉伸效应的列入。这些结果包括推广的Flierl-Stern-Whitehead零角动量定理}的局部非线性结构上或关闭的β平面，和充分条件的线性和非线性稳定性在Liapunov意义下，后者是通过边界上的平衡位涡梯度。
2007-08-24 physics.flu-dyn
Enhanced reaction kinetics and reactive mixing scale dynamics in mixing fronts under shear flow for arbitrary Damköhler numbers
不同化学成分的流体相互混合的混合前沿通常受到速度梯度的影响，由于渗透率变化和流线几何形状，速度梯度的范围从孔隙尺度到集水尺度。这些过程的一个共同特征是混合界面因剪切而产生应变。根据代表特征扩散时间与特征平流时间之比的Péclet数$Pe$和代表特征扩散时间与特征反应时间之比的Damköhler数$Da$，局部反应速率可受到混合界面动力学的强烈影响。这种影响主要在动力学限制或混合限制条件下表征，即对于非常低或非常高的$Da$。在这里的耦合的剪切流和化学反应性的任意Damköhler数，为双分子反应和初始界面与分离的反应物进行了研究。近似的分析表达式的全球生产率和反应混合规模的基础上得到的反应层的方法，允许拉伸增强混合和化学反应之间的一般耦合。而对于$Pe<Da$，反应动力学和拉伸效应是解耦的，我们称之为“弱拉伸”的情况下，对于$Pe>Da$，我们发现了一个“强拉伸”的情况下，新的标度律出现从反应动力学，扩散和拉伸之间的相互作用。分析结果与数值模拟进行了验证。这些研究结果揭示了流动的非均匀性对增强化学反应的影响，以及从动力学限制到混合限制情况的广泛系统的反应性的空间局部热点的创建。
2016-04-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Letter: Mathematical Foundation of Turbulence Generation-Symmetric to Asymmetric Liutex/Rortex
长期以来，涡被认为是湍流的“积木”和“肌肉”。流体运动的刚性旋转部分被定义为一个新的物理量，称为Liutex（以前称为Rortex）。数值模拟和实验结果表明，在流动转捩和低雷诺数湍流中出现了发夹涡森林，而在充分发展的湍流中出现了越来越多的单腿涡。这封信表明发夹涡是不稳定的。剪切与涡的相互作用使发夹涡减弱或失去一条腿。这一结论是在没有任何物理假设的情况下，通过柳特克斯定义和数学分析得出的。由于Liutex的定义将一对涡量元素中较小的元素作为旋转强度，使得涡旋的非对称性是由对称切变和对称Liutex的相互作用引起的。对于二维流体旋转，如果扰动剪切作用于较大的单元，则旋转强度不会改变，但是如果扰动剪切作用于较小的单元，则由于Liutex强度定义，旋转强度将立即改变。对于刚性旋转，如果切变涡和流体涡都有相同的方向，例如，顺时针方向，柳特克斯强度不会改变。如果切变涡度和流体涡度的方向不同，顺时针和逆时针方向各一次，柳特克斯强度将减弱。然后，发夹涡可能失去对称性，甚至变形为单腿涡。单腿涡不能保持平衡，必然会产生混沌运动和流动波动。这被认为是湍流形成的数学基础。这一理论已被我们的边界层转捩DNS结果所验证。
2019-05-08 physics.flu-dyn
Viscous vortex layers subject to more general strain and comparison to isotropic turbulence
粘性涡层受到更普遍的均匀应变被认为是。它们包括汤森的平面应变定常解（对应于参数$a = 1$），其中层平面内的所有应变都朝向涡量拉伸，以及米格达尔最近的轴对称应变定常非对称解（$a = 1/2$），其中一半应变进入涡量拉伸。除了考虑非对称、对称和反对称定常解$\forall a \ge 0$外，还证明了对于$a < 1$，即，如果不是汤森德的情况，涡量本身随时间衰减：只有在一端或两端保持涡量供应的边界条件才导致非零稳态。对于超汤森情况$a > 1$，定常状态有一个相反符号的涡鞘。与各向同性湍流的比较，在这种情况下的平均涡的应变本征框架是层状的，有翅膀相反的涡，和应变配置被发现是超级汤森。只有零积分扰动的$a > 1$稳定的解决方案是稳定的，否则，解决方案的增长。最后，附录表明，应变本征框架中的平均流动（除了一个附加项）是雷诺平均的纳维-斯托克斯方程。
2021-02-28 physics.flu-dyn
A sensor-restrained artificial shear diffusivity for large-eddy simulations of vortex-dominated compressible flows
提出一种传感器限制的LAD人工剪切粘性模型，仅在低压核心涡区添加扩散率，在抑制非物理振荡的同时避免过度扩散，实现可压缩涡主导流稳定准确的大涡模拟。
2025-04-30 physics.flu-dyn
Vortex breakdown in the shear-driven flow in a rectangular cavity
通过数值模拟和实验研究了矩形空腔绕流的层流涡动力学特性。流动是三维的，其特征是一个大的，占主导地位的涡流结构，在中等雷诺数下填充了大部分空腔，并沿涡核在轴向方向上产生了微弱但显著的流动。在一定的临界雷诺数以上的空腔内观察到经典的气泡型涡破裂，这是通道宽度的函数。的临界雷诺数的发病击穿被确定为通道宽度的函数，和击穿区域的演变和动态过渡的通道宽度和雷诺数的函数进行了研究。在大空腔宽度，两个涡破裂气泡出现在侧壁附近对称的中心平面，增长，并最终合并雷诺数增加。对于足够大的宽度，涡破裂区域保持良好分离，其结构变得独立的空腔宽度。分析了驻点的稳定性和分岔以及它们向稳定/不稳定极限环的转变，计算了涡流的临界性，表明涡在空腔中的破裂与Benjamin对临界性的解释一致。在中间宽度区域，在临界雷诺数以上出现单个涡破裂泡。在窄宽度区域，流动表现出更复杂的模式。在此宽度范围内，观察到一种具有反向流型的附加涡破裂模式，以及驻点稳定性的多次偏移。实验和数值计算结果还表明了流动对进口条件的敏感性，因此，相对较小的上游不对称性可能导致空腔中涡流破裂行为的显著变化。
2023-02-08 physics.flu-dyn
Essence of inviscid shear instability: a point view of vortex dynamics
从数学和物理两方面充分揭示了剪切失稳的本质。在线性背景下，得到了一个一般的充分必要稳定判据。它是Kelvin-Arnol定理的类似物，即，稳定的流动使与涡度相关的动能最小化。结合Kelvin-Helmholtz不稳定性（K-H不稳定性）和波的共振机制，探讨了剪切不稳定性的机理。它需要集中涡和共振波的不稳定性。与集中涡具有相同相速的波动与集中涡相互作用，触发不稳定。我们称这种机制为“集中涡不稳定性”。文中还简述了剪切失稳的物理解释。最后，由定理导出了一些有用的判据.这些结果将激发未来的工作，调查其他流体动力学不稳定性。
2006-05-19 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Energy Flux Decomposition in Magnetohydrodynamic Turbulence
本文将HD湍流能量通量分解方法扩展至MHD湍流，发现MHD中涡旋拉伸显著耗尽，动能传递主要由洛伦兹力诱导的小尺度应变驱动，磁能传递主要通过电流片变薄实现。
2024-02-15 physics.flu-dyn
The evolution of three-dimensionally localized vortices in shear flows. Linear theory
本文研究了具有线速度剖面的无界剪切流中小振幅局部涡扰动的演化。根据基本流动初始问题的精确解，对理论方法（Levinski（1991）提出，随后在一系列其他出版物中进一步发展）作了修正，其中用涡“核”的流体冲量来描述涡的演化。虽然这种方法的基础上获得的理论预测在随后的实验研究中得到了很好的证实，它的不一致性证明在这项研究中。根据得到的解，局部涡缓慢地增加（随时间呈幂律），并达到几乎“水平”的方向，这与先前的理论（Levinski，1991）不同，该理论预测在与流动方向成45度角时更快速地增长和涡的方向。另一方面，对于在湍流边界层中观察到的发夹涡或在层流边界层中观察到的人工合成涡，只有快速增加和与外流方向成45度角才是其特征。因此，对局部涡的演化进行充分的理论解释的问题又被提上了议事日程。
2004-07-29 physics.flu-dyn
Discrete shedding of secondary vortices along a modified Kaden spiral
当物体在流体中加速运动时，剪切层的卷起会形成一个主涡。这个主涡不会无限增长，并将达到一个有限的大小和强度。超过临界极限的额外涡量将最终形成尾剪切层并积累成二次涡。二次涡流通常比一次涡流小得多。在这里，我们专注于形成，脱落，和轨迹的二次涡产生的旋转矩形板在静止的流体中使用时间分辨粒子图像测速。雷诺数（Re）从840变化到11150。在低Re时，剪切层是一个连续不间断的涡量层，它卷起形成一个单一的相干主涡。当Re=1955时，剪切层变得不稳定。当Re>4000时，二次涡从板尖离散释放。首先，我们证明了卷起的剪切层，主涡的轨迹，和二次涡的路径可以预测的修改卡登螺旋。其次，分析了二次涡脱落的时间。在旋转过程中，连续的二次涡释放之间的时间间隔不是恒定的，而是随着更多的涡脱落而增加。脱落时间间隔也随雷诺数的减小而增大。在两种条件下增加的时间间隔是由于循环进料速率降低。
2021-03-16 physics.flu-dyn
Generation of intense dissipation in high Reynolds number turbulence
湍流中能量耗散率的剧烈波动是由应变率的自放大通过二次非线性引起的，其贡献来自涡量（通过涡拉伸机制）和压力Hessian张量，我们在这里使用$12288^3$网格点的周期域中的各向同性湍流的直接数值模拟进行分析，以及在$140-1300$范围内的泰勒尺度雷诺数。我们提取的统计数据中涉及的各种条款的放大应变和额外的条件，他们对应变的大小。我们发现，应变是整体自放大的二次非线性，并通过涡拉伸耗尽，而压力海森行为重新分配应变波动的平均场，从而耗尽强烈的应变。从本征值的角度分析了应变的剧烈波动，结果表明，净放大率仅由第三本征值产生，从而产生了很强的压缩作用。相比之下，自放大项的作用是消耗其他两个本征值，而涡拉伸的作用是放大它们，这两种效应几乎完全相互抵消。每个特征值的压力海森的效果是定性类似的涡拉伸，但显着弱的幅度。我们的研究结果符合熟悉的概念，即强烈的应变是组织在片状结构，这是在附近的，但从来没有重叠的区域，由于其放大机制的根本差异强烈的涡。
2021-07-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Starting vortex strength in an impulsively started airfoil
本研究针对3°-7°攻角下突然起动的NACA 0010翼型，通过时间分辨PIV表征起动涡与非定常剪切层，验证Wagner函数的净环量预测精度，分析起动涡脱离条件及次级Kelvin-Helmholtz涡的形成影响因素。
2025-03-02 physics.flu-dyn
Twisting vortex lines regularize Navier-Stokes turbulence
本研究通过分析涡量放大过程中的流动拓扑，发现涡线自拉伸会产生无粘正则化机制：初始扭转增长后自发出现反扭转，防止奇点形成，揭示Navier-Stokes湍流无需粘性即可避免奇点。
2024-09-19 cond-mat.soft math-ph math.MP
Effect of Foam Insertion in Aneurysm Sac on Flow Structures in Parent Lumen: Relating Vortex Structures with Disturbed Shear
许多研究表明，扰动剪切，导致内皮功能障碍，可能与邻近的旋涡结构。基于这种动机，本研究提出了一种表征涡结构的方法。准确地说，我们使用涡流结构变化的映射和表征将其与扰动剪切的血流动力学指标相关联。涡核线（VCL）的拓扑特征被用来量化涡结构的变化。我们使用Sujudi-Haimes算法从流动模拟结果中提取VCL。将涡流结构与扰动剪切力相关联的想法被证明用于通过在囊内插入泡沫进行虚拟治疗的脑动脉瘤。为了获得生理上真实的流场，我们在泡沫插入前后模拟了两种患者特定几何形状的血流，在入口处施加了真实的速度波形，使用Carreau-Yashuda模型来模拟剪切稀化行为。在均质多孔介质假设下，采用Forcheimmer-Brinkmann扩展Darcy模型模拟泡沫中的流动。结果表明，泡沫插入增加了载瘤腔内VCL的数量。在两种几何构型中，VCL的平均长度分别增加了168.9%和55.6%。对于这两种几何形状的考虑，结果表明，该地区的干扰剪切力增加位于同一动脉段表现出倾斜VCL的数量增加。基于这些发现，我们推测斜向VCL的增加与动脉壁邻近部分的扰动剪切增加有关。
2021-06-27 physics.flu-dyn physics.med-ph
On the role of vorticity stretching and strain self-amplification in the turbulence energy cascade
湍流由于大尺度能量注入而产生细尺度运动的趋势通常被看作是由涡量拉伸驱动的动能的尺度级联。这最近已经通过精确的空间-局部关系进行了评估[Johnson，P. L. 2020年，物理学评论快报，\textbf{124}，104501]，这也突出了菌株自扩增的贡献。在本文中，这两个机制的作用进行了更详细的探讨。在相同尺度下过滤的速度梯度之间的涡量拉伸和应变放大相互作用约占能量级联速率的一半，直接将受限的欧拉动力学与能量级联联系起来。然而，多尺度应变放大和涡度拉伸同样重要，并且更类似于涡动粘性物理。此外，随之而来的证据的幂律衰减的能量转移的贡献，从不同的规模支持的概念，能源级联，虽然是一个'漏'的。除了涡量拉伸和应变自放大之外，还引入了第三种能量传递机制，并与二维逆叶栅中重要的涡变薄机制相关。模拟结果表明，这种机制也提供了一个净源的三维湍流的后向散射，在与瓶颈效应的尺度范围内。总之，这些结果为大涡模拟建模提供了丰富的内涵。
2021-02-13 physics.flu-dyn
Spatially evolving vortex-gas turbulent free shear layers: Part 2. Coherent structure dynamics in vorticity and concentration fields
本文研究了在不同速度比参数λ= $(U_1-U_2)/(U_1+U_2)$的情况下，空间发展的湍流自由剪切层中相干结构相互作用的机制，其中$U_1$和$U_2 (\leq U_1)$是自由流在剪切层两侧的速度。该研究采用了第一部分（arXiv：1509.00603）中提出的点涡（或涡气）模型，该模型预测的扩散率与大多数高雷诺数实验和3D模拟的结果接近。目前的（2D）模拟表明，在λ< 0.63时，在几乎相同大小的相邻结构之间的众所周知的急剧增长合并事件（Brown & Roshko 1974）占总增长的70%以上。然而，随着λ的增大，这种“硬合并”事件的相对贡献逐渐减小，在单流极限（λ = 1）下，仅占总增长的27%。结果表明，其余的贡献层生长很大程度上是由于相邻的结构之间的尺寸的差异，随着λ从0.6增加到1.0，并通过两个不同的路线发生。第一种是通过所谓的“软”合并发生的，包括随着时间的推移从明显较小的（通常是上游）结构中提取涡量的小片或细丝。这与早期关于非对称双涡合并的计算工作（Yasuda & Flierl，1995）是一致的。第二条途径涉及到无组织的“涡旋尘埃”的同化，其中包含尚未转移到幸存者的破坏早期结构的残余物。这些过程的组合显示出在λ = 1时，随着下游距离的增加，结构尺寸明显地几乎连续增加，这是D 'Ovidio & Coats（2013）报道的类型，并归因于混合转变…
2015-11-18 physics.flu-dyn
Short-wavelength secondary instabilities in homogeneous and stably stratified shear flows
我们提出了一个数值研究三维，短波长的线性不稳定性的Kelvin-Helmholtz（KH）涡在均匀和分层的环境。使用二维数值模拟产生的基流的特征在于基于初始一维速度和浮力剖面定义的雷诺数和理查森数。局部稳定性方程，然后解决封闭的流线在涡基流，这是假定准定常。对于非层结的情况下，椭圆形不稳定性的涡核占主导地位，在被接管的涡边缘的双曲线不稳定性。对于分层的情况下，早期的不稳定性包括一个占主导地位的椭圆形不稳定性的核心和双曲线不稳定性的强烈影响的分层在涡边缘。在中间时间，当地的方法显示了一个新的分支的不稳定性（对流分支），出现在涡核，随后向涡边缘移动。更多的对流不稳定分支出现在涡核处并远离，然后在大部分时间合并形成涡外围内最不稳定的区域。从本地的方法的主导不稳定性特征被证明是在良好的定性一致性与结果从全球不稳定性研究均质和分层的情况下。分区分析，然后用来阐明剪切和分层上确定的不稳定性的作用。浮力的作用被证明是至关重要的主要KH不稳定饱和后，与占主导地位的对流不稳定发生在最强的静态不稳定分层的区域。最后，我们强调了潜在的洞察力的作用，当地的方法可以提供在其他流量的二次不稳定性的理解。
2018-02-14 physics.flu-dyn
Microstreaming by ultrasound contrast microbubble between two parallel walls: shear stress and streamlines
声学微流具有若干工业、治疗和生物医学应用-声学清洁、微混合、微流体输送、溶血、声致穿孔。数值研究了超声造影剂微泡在两平行壁间隙中振荡产生的声微流。本文采用轴对称边界元法和Nyborg理论对流动进行了研究。采用弹性指数变化的粘弹性模型对微泡涂层进行了数值模拟。绘制了平面壁面附近的微流流线和诱导剪应力。结果表明，在壁面附近产生了环形涡。通过增大壁面间隙，涡环的径向尺寸增大，而微流切应力减小。
2022-01-18 physics.flu-dyn
Predicting vortex merging and ensuing turbulence characteristics in shear layers from initial conditions
在环境和工业流动中，不稳定剪切层卷起形成一系列旋涡，这些旋涡往往形成复杂的非线性合并模式，如成对和三联体。这些模式决定了随后的湍流，混合和标量传输。我们发现，后期的时间，高度非线性的合并模式是可预测的线性化的初始状态。垂直速度场的连续波长之间的初始不对称性提供了涡合并的强度和模式的有效测量。使用直接数值模拟证实了这一措施的预测。我们还表明，这一措施有显着的影响，在确定路线的湍流和随之而来的湍流特性。
2019-08-28 nlin.PS physics.flu-dyn
Level set formulation of two-dimensional Lagrangian vortex detection methods
我们建议在这里使用变分水平集方法来捕捉拉格朗日涡边界在二维非定常速度场。这种方法重新制定早期的方法，寻求材料涡边界的极值解变分问题。我们证明了这种技术的性能为两个不同的变分配方建立在不同的概念的一致性。第一个公式使用能量泛函，其惩罚闭合材料线与分段均匀拉伸的偏差[Haller和Beron-Vera，J. Fluid Mech.731，R4（2013）]。第二能量函数是为基于图的方法导出的，用于涡流边界检测[Hadjighasem等人，E 93，063107（2016）]。我们的水平集公式捕获一个先验未知数量的漩涡同时在相对较低的计算成本。我们说明的方法，通过识别不同的相干性原则在几个例子中的旋涡。
2016-10-05 physics.flu-dyn
Coherent dynamics in the rotor tip shear layer of utility scale wind turbines
最近在2.5 MW风力机的近尾流（转子顺风处最大0.5转子直径）中进行的现场实验使用了基于雪的超大规模粒子图像测速仪（SLPIV）（Hong等人，自然通讯，Vol.5，2014，No.4216）成功地将尖端涡核可视化为没有雪花的区域。然而，如此可视化的雪洞表明，尖端涡核的形状复杂，由圆形核心和明显的细长彗星状尾巴组成。我们采用大涡模拟（LES）来阐明实验确定的复杂叶尖涡的结构和动力学。LES再现涡核与SLPIV结果具有良好的定性一致性，基本上捕获了在尖端剪切层中观察到的所有涡核图案。我们表明，可视化的涡流图案是在转子尖端剪切层驱动的尖端涡流和第二组反向旋转的螺旋涡与尖端涡流交织之间的相互作用的能量相干动力学的结果。我们进一步表明，在这种丰富的相干动力学发生的区域内的平均流满足Leibovich和Stewartson（J. Fluid Mech.，第126卷，1983年，第126页。335- 356），表明SLPIV和LES揭示的不稳定性是离心型的。这项研究突出了采用雪空隙可视化尖端涡流的可行性，并展示了巨大的潜力，集成SLPIV与LES作为一个强大的工具，获得新的见解到公用事业规模的风力机的尾流。
2015-12-08 physics.flu-dyn
Comparison of three-dimensional and two-dimensional statistical mechanics of shear layers for flow between two parallel plates
结果表明，对于两平行壁面间的剪切流，由点涡的统计力学和涡线的统计力学预测的平均速度剖面实际上是不可区分的。
2011-11-14 physics.flu-dyn
Stretching of polymers in a turbulent environment
聚合物与小尺度速度梯度的相互作用可以触发聚合物中的线圈拉伸转变。我们分析了这种过渡内的直接数值模拟的剪切湍流与Oldrophil-B模型的聚合物。在卷曲状态下，聚合物的长度以指数α =2 γ-1/De代数分布，其中γ是流动的特征拉伸速率，De是Deborah数。在拉伸状态下，我们证明了聚合物的长度分布是有限的反馈流。
2002-01-20 nlin.CD physics.flu-dyn
Two-point enstrophy dynamics in homogeneous isotropic turbulence
University of Modena and Reggio Emilia（摩德纳与雷焦艾米利亚大学）；Universidade de Lisboa（里斯本大学）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）
本文通过Kármán-Howarth-Monin-Hill方法的二点形式，研究了各向同性湍流中涡量的多尺度动力学，发现涡量的二点预算主要由涡旋拉伸产生的生产平衡涡量破坏，并由扩散传输主导，从而防止了由惯性传输主导的涡量范围的出现。同时，纵向和横向贡献的分解揭示了惯性涡量通量的双重性质，即通过直接和反向的跨尺度传输非平凡地转移涡量。结果表明，这种双重性质与涡旋拉伸机制密切相关，除了通过涡量放大产生涡量外，还通过拉伸涡旋元素将纵向涡量转移到大尺度，通过在径向方向收缩涡旋元素将横向涡量转移到小尺度。这些贡献的总和导致涡量从大尺度向小尺度转移。本文提出使用压力传输项作为代理，以获得关于惯性能量和涡量传输相关事件的动力学信息。新发现强调了纵向能量传输中惯性压缩事件的相关性。同时，发现横向能量传输事件与由于涡旋拉伸机制导致的涡旋元素径向收缩之间有良好的相关性。
2026-11-06 physics.flu-dyn
