A shallow water model for magnetohydrodynamic flows with turbulent Hartmann layers
本文建立了一个浅水模型，研究了均匀静态磁场中导电流体在两个平行平面之间的流动，其中存在湍流哈特曼层。这是通过使用Prandtl的混合长度模型对这些层中的壁面剪切应力进行建模来实现的，正如Albousssière \& Lingwood的作者所做的那样（Phys. Fluids，2000）。这个新模型的想法产生于以前的浅水模型的失败，假设一个层流哈特曼层恢复正确的耗散量发现在一些制度的MATURE实验。该实验由Messadek \& Moreau（J. Fluid Mech.2002）的作者进行，由在横向磁场中以差动旋转方式电驱动的汞薄层组成。我们的新模型在这个实验的配置的数值模拟，使我们能够恢复的全球角动量和本地速度的实验值高达百分之几时，哈特曼层是在一个足够发达的湍流状态。因此，我们提供了一个证据，在这些特定的制度中观察到的原因不明的耗散水平在MATURs哈特曼层中的湍流所造成的。通过我们模型的简单性，对流动进行了参数分析，结果还表明，哈特曼层中的湍流摩擦阻止了准二维湍流变得更加强烈，并限制了大尺度的大小。
2020-06-06 physics.flu-dyn
Effect of a polymer additive on heat transport in turbulent Rayleigh-Bénard convection
测量的热传输，表示为努塞尔数$Nu$，报告的湍流瑞利-贝纳德对流的水含有高达120 ppm的聚-[环氧乙烷]的分子量为$4\times10^6$克/摩尔。在瑞利数范围内，$ 5\times 10^9 \alt Ra \alt 7 \times 10^{10}$ $Nu$比纯水小10%。
2009-10-19 physics.flu-dyn
To the problem of mathematical and physical modeling of the turbulent jets of mutually immiscible liquids like the oil and water
基于A.I.教授提出的方法，考虑了两相和多相湍流的特点及其平均微分方程的建模问题。Nakhenevski作为一个替代的一些众所周知的平均多相动力学方程。新方法的主要区别在于对纳维-斯托克斯方程按相位和分量在时间上进行平均，而不是多相力学中广泛传播的空间平均。更重要的是，引入所谓的流中相的功能指示器允许从理论和实验上识别多相混合物中的相运动。为了进行实验研究，发明并制造了专用的微型传感器，并成功地应用于实验。本文介绍了Nakalevski方法在某些多相流问题中的应用，并讨论了该方法在研究油水不混溶混合物以及许多其它类似混合物的湍流两相流中的优点。在这些问题中，了解多相流中各相的运动和混合特性是很重要的。
2018-02-24 physics.flu-dyn
Twente Mass and Heat Transfer Water Tunnel: Temperature controlled turbulent multiphase channel flow with heat and mass transfer
设计并建造了一个具有整体温度控制和气泡及局部热质注入可能性的新型垂直水洞。新设备提供了准确研究湍流多相流（气体体积分数高达$8\%$）中的传热和传质的可能性，在室温下的水的情况下，具有从$1.5 \times 10^4$到$3 \times 10^5$的数值范围。隧道由高级不锈钢制成，允许使用超过15 $\%$质量分数的盐溶液。隧道的容积为300升。隧道有三个高度为$1$ m但横截面不同的可互换测量段（$0.3 \times 0.04 m^2$、$0.3 \times 0.06 m^2$、$0.3 \times 0.08 m^2$）。玻璃垂直测量部分允许对流动进行光学访问，从而实现诸如激光多普勒测速、粒子图像测速、粒子跟踪测速和激光诱导荧光成像等技术。本地传感器可以从顶部引入，并且可以使用内置的横移系统进行横移，从而实现例如本地温度、热线或本地相位测量。结合速度同步测量，可以定量、精确地研究单相和两相湍流中的局部热流密度。
2019-02-15 physics.flu-dyn
Substantial drag reduction in turbulent flow using liquid-infused surfaces
实验演示了如何液体注入表面可以显着减少泰勒-库埃特流的湍流阻力。测试液体是水，测试表面由尺寸为100 $μ$ m至800 $μ$ m的方形微观凹槽组成，填充有粘度为水的0.3至1.4倍的烷烃液体。我们实现了阻力减少超过35\%，四倍以上，比以前报道的液体注入表面在湍流。减阻水平随粘度比、槽宽、流体面积分数和雷诺数的增加而增加。利用$w^+ \approx 35$给出了最佳槽宽。
2017-06-29 physics.flu-dyn
The formation and migration of sand ripples in closed conduits: experiments with turbulent water flows
在自然界和工业中经常发现固体颗粒通过流体流动的输送。一些例子是河流和碳氢化合物管道中的沙子运输。当流体流施加在颗粒床上的剪切应力保持适度时，一些颗粒被设置为运动而不使床流化;运动的颗粒形成一个层，称为推移质，该层在移动的同时保持与床的固定部分接触。在推移质条件下，颗粒床可能变得不稳定，产生波纹和沙丘。沙纹通常在封闭的管道和管道中观察到，例如石油管道，下水道系统和疏浚管线。虽然在许多科学领域和工业应用的重要性，波纹的形成在封闭的管道没有得到很好的理解，这个问题仍然是开放的。本文介绍了在紊流闭管水流和推移质条件下沙纹形成和迁移的试验研究。在我们的实验中，充分发展的湍流水流施加在一个透明的通道中的已知粒度的颗粒床，并发生推移质负荷。对于不同的水流量和粒径，生长和迁移的底形被拍摄的高清晰度相机，并开发了一个数字代码，以确定从所获得的图像的波长和celebrations的底形。所得到的结果进行了比较与出版的稳定性分析。
2016-08-16 physics.flu-dyn
Entrainment induced by waves at a density interface impinged by a turbulent jet
利用水/盐水实验室实验，我们研究了中等雷诺数和弗劳德数下湍流射流冲击密度界面的侵蚀机理。相反，以前的模型涉及斜压不稳定性，我们表明，夹带是由界面重力波，打破和诱导混合。波是由射流的湍流波动产生的，并通过波致应力机制放大。基于物理观测，我们引入了一个标度模型，该模型从小到大的弗劳德数从$Fr_i^3$到$Fr_i$幂律连续变化，与以前的一些实验室数据一致。
2017-01-31 physics.flu-dyn
Sodium chloride inhibits effective bubbly drag reduction in turbulent bubbly Taylor-Couette flows
使用泰勒-库埃特几何，我们实验研究盐对流动中存在的气泡引起的减阻效果。我们将扭矩测量与光学高速成像相结合，将气泡尺寸与流动所经历的阻力相关联。以前的研究结果表明，一小部分空气（4%）可以导致显着的阻力减少（40%）。与以前主要使用淡水的实验室实验不同，我们将改变淡水的盐度到海水的平均盐度。我们发现，随着盐浓度的增加，减阻越来越受到抑制;从淡水的40%到海水的15%。存在于工作流体中的盐抑制聚结事件，导致流动中的较小气泡，并且由此降低减阻。在临界盐度以上，增加盐度对流中的气泡尺寸没有进一步的影响，因此对流所经历的阻力没有进一步的影响。我们的新发现证明了NaCl对气泡减阻机制的重要性，并将进一步挑战海军建筑师在海洋船舶上实施有前途的空气润滑系统。
2022-10-28 physics.flu-dyn
Velocity fields of a bed-load layer under a turbulent liquid flow
在自然界和工业中，沉积物通过流体流动的输送是常见的。在自然界中，它存在于河流，海洋，沙漠和其他环境中。在工业中，它存在于输送谷物的石油管道、下水道系统和疏浚管道中。本研究以实验方式探讨颗粒床中颗粒在紊流剪切下之输送。在我们的实验中，充分发展的湍流水流施加在一个平坦的颗粒床已知的粒度。在试验条件下，颗粒作为推移质运输，即，它们通过彼此滚动和滑动而被夹带，形成移动的颗粒层。目前的实验进行接近起动推移质，颗粒速度的实验数据是稀缺的情况下。与以前的实验不同，入口长度保证了松散床上的水流得到充分发展。在不同的水流量下，使用高速摄像机拍摄运动层，并通过使用本研究过程中开发的数字代码对图像进行后处理来确定颗粒的位移和速度。推移质输沙率估计和相关的水流条件。
2016-08-15 physics.flu-dyn
Interfacial instability of turbulent two-phase stratified flow: Multi-equation turbulent modelling with rapid distortion
我们调查的线性稳定性的一个平坦的界面，从一个充分发展的湍流气体流分离的液体层。在这种情况下，线性稳定性分析涉及到一个小振幅波的界面上的动态研究，我们开发了一个模型，描述波引起的扰动湍流应力（PTS）。我们证明了PTS在两种情况下的系统的稳定性的影响：层流薄膜，深水波。在第一种情况下，我们发现PTS对波的增长率几乎没有影响，尽管它们确实影响扰动速度的结构。在第二种情况下，PTS提高了最大增长率，虽然色散曲线的整体形状不变。此外，PTS修改速度场的结构，特别是在较长的波长。最后，我们展示了一种参数调整，使生产的薄膜（慢）波在深水设置。
2009-08-12 physics.flu-dyn
Simultaneous 2D and 3D turbulent flows in Faraday Waves
在自然界中，湍流的存在既不是简单的二维也不是三维，而是边界条件，如变化的分层，迫使它们朝向一个或另一个。在这里，我们报告的第一个证据的共存的2D和3D湍流在实验流驱动的法拉第波在水中。我们发现，在流体表面的反向能量级联和直接的能量级联在下面的三维整体流同时存在。我们的分析基于在水平和垂直平面上测量的时间和空间分辨率良好的速度场。研究结果表明，强烈湍流的2D表面流驱动的3D整体流通过零星的垂直射流作为动量源。
2021-09-02 physics.flu-dyn
Enhancing thermal mixing in turbulent bubbly flow by adding salt
本研究通过实验证明，在湍流泡状流中添加盐可减小气泡直径并增强热能谱，从而提升热混合效果。
2023-09-01 physics.flu-dyn
The spatio-temporal spectrum of turbulent flows
在湍流研究中，识别和提取无组织流动中的涡结构和波是一个主要的挑战。本文研究了不同回复力作用下湍流的时空行为。我们展示了如何计算和分析的时空谱数据来自数值模拟和实验室实验。四种情况下被认为是：均匀和各向同性湍流，旋转湍流，分层湍流，水波湍流。对于均匀和各向同性湍流，频谱允许识别大尺度流的扫掠。对于旋转和分层湍流，频谱允许识别波，精确量化波和湍流涡流中的能量，并识别关键层中的多普勒频移和波吸收等物理机制。最后，在水波湍流的频谱显示从重力毛细波的束缚波的强迫的振幅增加的过渡。
2015-11-06 physics.flu-dyn
Experimental studies of turbulent Taylor-Couette flows: single phase and liquid-liquid dispersions
本文研究了在两个反向旋转的同轴圆柱体之间产生的湍流Taylor-Couette流中的液-液分散。在纯水和反向旋转中，雷诺数可达1.4 × 10^5。我们使用的液体是低粘度油和纯水或具有与油相匹配的折射率的碘化钠溶液，以获得透明的分散体。我们首先描述的单相流，在过渡到湍流的阈值，缩放的扭矩和测量的平均流量和雷诺应力的立体PIV。然后，我们研究了两相流中耗散的增加，发现单位质量的扭矩可以是单相流扭矩的两倍。长期行为也有报道。
2008-06-19 physics.flu-dyn
Bubble entrainment in turbulent jets leaping from liquid surface
Ningbo Innovation Center, Zhejiang University（浙江大学宁波创新中心）；State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, Zhejiang University（浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室）；Key Laboratory of Hydrodynamics (Ministry of Education), School of Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学海洋与土木工程学院水动力学教育部重点实验室）
本研究通过实验发现湍流水射流跃出液面时的气泡卷吸仅由出口速度决定，受剪切力与开尔文-亥姆霍兹不稳定性驱动，与射流形态无关，为空气卷吸机制提供了新见解。
2025-10-10 physics.flu-dyn
Universal properties of penetrative turbulent Rayleigh--Bénard convection in cold water near $4^\circ\rm{C}$
本文从数值和理论上分析了对流不稳定流体层中的穿透湍流，它穿透到相邻的、原本稳定的分层流体层中。我们选择了最相关的例子，即温度在$T_m\approx 4^\circ\rm{C}$附近的热驱动水流，在那里它具有最大密度。我们用底板温度$T_b > 4^\circ\rm{C}$和顶板温度$T_t \le 4^\circ\rm{C}$来选择瑞利-贝纳德几何。除了由温差$Δ= T_b - T_t$（无量纲形式的瑞利数$Ra$）设定的总热驱动强度之外，与标准瑞利-贝纳德对流相比，关键的新控制参数是密度反演参数$θ_m \equiv (T_m - T_t ) / Δ$。关键的响应参数是相对平均中间高度温度$θ_c$和总传热（即，Nusselt数$Nu$）。我们从理论上推导出普遍的（即，$Ra$依赖性）依赖性$θ_c (θ_m) =(1+θ_m^2)/2$，其对于低于$Ra$依赖性临界值的$θ_m$成立，超过该临界值，$θ_c (θ_m)$急剧减小并下降至$θ_m=θ_{m,c}$的$θ_c=1/2$。我们的直接数值模拟$Ra$ $10^{10}$与这些结果是一致的。临界密度反演参数$θ_{m,c}$可以通过线性稳定性分析精确地预测。热通量$Nu(θ_m)$随着$θ_m$的增加而单调减小，并且我们可以从理论上推导出相对热通量$Nu(θ_m)/Nu(0)$的普适关系。最后，我们数值识别和讨论大$θ…
2020-12-16 physics.flu-dyn
Enhancing Heat Transport in Multiphase Rayleigh-Bénard Turbulence by Changing the Plate-Liquid Contact Angles
该数值研究提出了一种简单但非常有效的方法来大大增强湍流多相流中的热传输，即通过使用亲油壁。作为一个模型系统，我们选择瑞利-贝纳德装置，充满了油-水混合物。对于亲油壁，例如，仅使用水中的油的$10\%$体积分数，我们观察到与纯水情况相比，超过$100\%$的显著热传递增强。相反，对于疏油壁，与纯水相比，增强仅为约$20\%$。亲油壁高效传热的物理解释是热羽流从富油边界层分离并与油相一起被输送。在主体中，油-水界面防止羽状物与湍流水主体混合。为了证实这一物理图像，我们表明，最小量的油，以实现最大的热传输是由热羽流的体积分数。我们的研究结果提供了指导方针，如何优化热湍流热传输。此外，相干结构如何与两相系统的一相耦合的物理见解对于控制其他湍流多相流中的输运性质具有非常普遍的适用性。
2022-05-23 physics.flu-dyn
Dynamics and flow-coupling in two-layer turbulent thermal convection
本文对水和氟化FC-77电子液体（FC-77）两种不混溶流体在圆柱形Rayleigh-Benard对流池中的对流湍流的动力学和流动耦合进行了实验研究。结果表明，在每个流体层中存在一个大尺度环流（LSC）卷，并且它们的环流平面具有两个由$\simπ$分隔的优选方位角取向。一个令人惊讶的发现的研究是，停止/逆转的LSC在FC 77的两层系统比他们在单层湍流红细胞中更频繁地发生，并且停止是最有可能导致的流动逆转的LSC，这是在形成鲜明对比的均匀分布的取向角变化的LSC在停止之前和之后在单层湍流红细胞。这意味着，在两个系统中，控制停止和逆转的动力学是非常不同的。两种耦合模式，热耦合（两个LSC的流动方向是彼此相反的流体-流体界面）和粘性耦合（两个LSC的流动方向是相同的流体-流体界面），被识别与前一个作为主导模式。大多数终止（在FC 77层）最终以反转结束，这可以理解为LSC在水层中的取向所施加的对称性破缺，该取向在大多数时间保持不变。此外，频繁发生的停止和反转是由系统在其两个亚稳态，即热和粘性耦合模式之间切换引起的。还观察到当FC 77中的LSC在方位角上旋转得更快时，水中的LSC的强度变得更弱，并且当水中的LSC在方位角上旋转得更快时，FC 77中的流动强度变得更强，即一个流体层中的LSC对另一个流体层的影响是不对称的。
2015-11-16 physics.flu-dyn
Effect of polymer additives on dynamics of water level in an open channel
本文通过数值模拟研究了聚合物添加剂对明渠水位的影响，揭示了注入点远下游水位反直觉升高的机制，并提出了一种缓解该现象的技术。
2023-07-02 physics.flu-dyn
Large Eddy Simulation of Flow Interactions Between a Turbulent Free-Stream and a Permeable Bed
包括覆盖可渗透床的湍流通道流的系统可以在各种工业和自然应用（例如，城市规划、水力压裂、水下植被）中找到。这一系统的一个重要实现是在河流底部，河流的地表水渗透沉积的沉积物，并与地下水交换其内容。获得这一过程的完整图像，称为潜流交换，对于理解和维护水质和河流生态非常重要。考虑到广泛的长度尺度（毫米到公里）和相应的时间尺度的兴趣，降阶的数值模型（如随机粒子跟踪，对流扩散方程）经常被用来研究在这个系统中的质量和动量的传输。然而，与表面/次表面混合相关联的许多尺度使得湍流标量输运的高保真度模型的发展成为一个艰巨的挑战。在努力捕捉在孔隙尺度上的传输行为，这项工作的重点是发展一个详细的，三维流动模型的大涡模拟（LES）的湍流在可渗透床。对计算网格、区域尺寸和湍流模型进行了严格的评估。同时，双平均方法被用来研究大规模的，持续的流动行为存在的时空异质性。据发现，最大的湍流尺度的准确分辨率是必要的，以开发一个完整的界面传输的图片，这些大的结构，感觉更深的床内。此外，还详细介绍了粒子跟踪软件模块的开发。该模块为从LES中提取拉格朗日色散信息提供了基础，这些信息最终将用于物理通知降阶模型。
2017-07-29 physics.flu-dyn
On the physical origin of enhanced turbulent-dispersion of inertial particles in boundary layer flows
关于湍流边界层流的惯性颗粒输运的最神秘的科学问题之一是湍流施密特数的值，即颗粒扩散率与湍流涡动粘性的比值。通过对湍流颗粒通量剖面的直接声学测量和两相流湍流分辨数值模拟，证明了用现有文献模型预测时，颗粒的湍流弥散是减小而不是增强的。解释在于在静水中的沉降速度的误导性假设，以估计湍流颗粒扩散率，而直接测量和模拟的湍流颗粒通量支持发生的沉降延迟。
2021-12-11 physics.flu-dyn
An asymptotic analysis for generation of unsteady surface waves on deep water by turbulence
对Sajjadi、Hunt和Drullion（2014）最近的论文进行了详细的数学研究。本文将他们所考虑的非定常增长单色波的数学发展推广到Stokes波。本论文还证明了与Belcher和Hunt（1993）的开创性工作的一致性，该工作在波相速度\c_i \downarrow 0的复数部分的极限下有效。进一步表明，当不含二次谐波时，Stokes波的能量传递参数和表面剪应力恢复为单色波。此外，本理论还可用于估算湍流剪切流吹过深水时传递给非线性表面波各分量的能量。最后，证明了在湍流涡动粘性存在的情况下，Miles（1957）临界层不起重要作用。因此，在零增长率的极限下，波浪增长的影响是由有限湍流扩散系数引起的临界层升高引起的，因此扰动流和阻力是由表面剪切层中的非对称和遮蔽流及其与上部区域的匹配相互作用决定的。
2017-04-07 physics.flu-dyn
The feedback effect caused by bed load on a turbulent liquid flow
实验上的影响，由于仅仅是一个移动的颗粒层上的液体流动（反馈效应）。非侵入式测量进行了一个封闭的管道通道的矩形截面，其中颗粒作为推移质通过湍流水流。采用粒子图像测速技术，对相同粒度的固定和流动颗粒床的水流速度剖面进行了测量。测量的空间分辨率允许反馈效应的实验量化。本文的研究结果对预测推移质输沙率和输沙过程中的压力降具有重要意义。
2016-09-02 physics.flu-dyn
A conjecture for turbulent flow
本文基于已在别处提出的广义牛顿动力学（GND）方法，提出了一个关于湍流的猜想。本文首次利用GND理论合理地统一了目前提出的两种非饱和土水分运动的唯象方法。然后用同样的方法得到一个修正的欧拉方程（Euler equation）。在零阶近似下，可以得到一个简单的分裂解的湍流，表明流动流体将有一个速度场与幂律标度功能（幂律流体）的情况下，高雷诺数。
2005-08-20 physics.flu-dyn
Intermittency acceleration of water droplet population dynamics inside the interfacial layer between cloudy and clear air environments
我们使用直接的数值模拟来研究湍流层上的扰动的时间演化，湍流层通常将云与周围的晴朗空气分开。穿过这个无剪切层，自然形成湍流动能梯度。在这里，一个有限的扰动形式的局部初始温度波动被施加到模拟的流体动力学不稳定性内的背景湍流气流。然后求解了两种完全相反类型的液滴总体分布的数值初值问题。具体地，我们考虑半径为15 $μ$ m的单分散液滴群体和半径在0.6 - 30 $μ$ m范围内的多分散分布。对于这两种分布，据观察，蒸发和冷凝有一个显着不同的重量内的均匀的多云区域和界面各向异性混合区域。据观察，液滴碰撞的动力学是高度影响的主机区域的湍流结构。这两个群体在其能量衰减瞬变过程中表现出一个共同的方面。也就是说，界面层中碰撞的概率增加，界面层中存在强烈的各向异性速度波动。事实上，该层引起液滴动能和尺寸的增强的差异。多分散和单分散初始颗粒分布都含有$10^7$液滴，与初始液态水含量$0.8 g/m^3$匹配。给出了粒子数平衡方程中几何碰撞的湍流碰撞核的估计。本文对在云界面区得到的两个非定常非遍历碰撞核的结构作了初步讨论。
2021-01-25 physics.flu-dyn
Equilibrium solutions of the shallow water equations
本文描述了一种计算具有自由表面的基本二维流体流动模型浅水方程平衡解的统计方法。该模型包含一个竞争的声学湍流{ \it直接}能量级联和一个二维湍流{ \it逆}能量级联。它示出，尽管如此，正如在相应的理论中的无粘欧拉方程，无穷多的守恒量约束的流动足以产生非平凡的大尺度涡结构，这是一组明确推导出的耦合非线性偏微分方程的解决方案。
2000-08-29 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Entrainment, diffusion and effective compressibility in a self-similar turbulent jet
利用粒子跟踪测速技术对不可压圆形射流自由扩展过程进行了实验研究。喷流只能通过喷嘴喷入示踪剂：不均匀的喷入称为喷嘴喷入。因此，这些示踪剂标记的拉格朗日流不包含从静止的周围流体夹带到射流中的颗粒的任何贡献。喷嘴种子流的平均速度场，$\langle \boldsymbol{U_φ} \rangle$，被发现是基本上无法区分的射流，$\langle \boldsymbol{U} \rangle$的全球平均速度场，轴向速度，而径向速度的显着偏差。这导致喷嘴引射气流的有效可压缩性，即使全局背景气流完全不可压缩，也是$\boldsymbol{\nabla \cdot} \langle \boldsymbol{U_φ} \rangle \neq 0$。通过使用质量守恒和自相似性，我们定量地解释了修改后的径向速度分布，并解析地表达了与夹带流体颗粒相关的缺失贡献。通过考虑一个经典的对流扩散描述，我们明确连接湍流扩散的质量（通过湍流扩散率$K_T$）和动量（通过湍流粘度$ν_T$）夹带。这导致新的实际关系，以实验确定的非均匀空间分布的$K_T$和$ν_T$（因此，湍流普朗特数$σ_T = ν_T/K_T$）从简单的测量平均示踪剂浓度和轴向速度分布。总的来说，所提出的方法的基础上喷嘴种子流提供了新的实验和理论元素，更好地理解湍流扩散和夹带在湍流射流。
2022-01-07 physics.flu-dyn
A global summary of seafloor topography influenced by turbulent water mixing
本研究结合全球内波-湍流视角与高分辨率温度观测数据，重新分析海底临界坡度特征，揭示超临界坡度区域对湍流的主导贡献、内潮与近惯性波的作用占比，以及内波侵蚀对海底高程谱的影响。
2024-08-13 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Simultaneous temperature and velocity Lagrangian measurements in turbulent thermal convection
我们报告联合拉格朗日速度和温度测量湍流热对流。测量使用的中性浮力仪器粒子，被用来进行实验中的平行六面体瑞利-贝纳德细胞的改进版本（扩展的自主性）。温度信号从RF发射器获得。同时，我们确定粒子的位置和速度与一个相机，这授予访问拉格朗日热流。由于本粒子的扩展自治性，我们得到了收敛良好的温度和速度统计，以及速度和热通量的伪欧拉映射。目前的实验结果也进行了比较，通过相应的运动的直接数值模拟和拉格朗日跟踪的无质量示踪剂所获得的结果。实验结果与数值计算结果的比较表明了实验测量的准确性和可靠性。最后，拉格朗日速度和温度频谱的分析显示和讨论。特别是，我们观察到温度谱表现出异常的f^2.5频率标度，可能代表了温度普遍存在的被动和主动标量行为
2015-08-25 physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction of viscoelastic wormlike micellar gels
长链粘弹性表面活性剂溶液（VES）已广泛用于石油和天然气工业，特别是在水力压裂和砾石充填操作中，其中由于高泵送速率而通常达到湍流。有了这个动机，我们实验研究的湍流管道流动的一类蠕虫状胶束的解决方案，在室温下形成凝胶。流体的特征在于通过旋转流变仪，并通过激光多普勒风速仪（LDA）测量湍流速度和雷诺应力分布。三种表面活性剂浓度的研究在增加雷诺数。比较了水、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）和黄原胶（XG）半稀溶液的湍流场。我们的研究表明，蠕虫状胶束凝胶的凝胶状结构主要是在湍流过程中被打破，特别是在近壁区域的结果表明存在水层。低浓度表面活性剂下的湍流显示出贯穿大部分管道的类牛顿流场，其中能谱显示出与波数的-5/3幂律标度，而较高浓度导致大波数下的阻力减小和较低的功率谱密度。聚合物流体和蠕虫状胶束溶液在最大减阻（MDR）的流动的比较显示出可比的减阻效果，在雷诺剪切应力的大幅度降低，并增加湍流各向异性的缓冲层由于大的流向波动和近零壁正常波动。此外，MDR制度的Virk的渐近线的聚合物和胶束凝胶，这意味着一个类似的机制，在MDR减阻。
2021-10-14 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
Anomalous Statistics and Large Deviations of Turbulent Water Waves past a Step
本文利用大偏差理论结合截断KdV方程研究越过台阶的湍流水波的异常统计，通过确定性优化问题准确刻画波高分布的非高斯尾部及异常波时空结构，并展示其对一般非线性哈密顿系统的适用潜力。
2021-12-16 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Competing turbulent cascades and eddy-wave interactions in shallow water equilibria
在最近的工作中，Renaud，Venaille，和Bouchet（RVB）重温平衡统计力学理论的浅水方程，在一个微正则的方法，集中在一个更仔细的治疗之间的能量分配的惯性重力波和涡流运动的平衡态，并推导出联合概率分布相应的动态自由度。作者推导出一个刘维尔定理，确定了基本的相空间统计测量，但然后，通过一些物理参数，实际上计算平衡统计使用的措施，\emph{violates}这个定理。在这里，使用一个更方便，但本质上是等价的，巨正则方法，充分的统计理论与刘维尔定理一致的推导。结果表明：（1）微尺度波动导致热力学的强烈涨落，包括长程关联，与RVB发现的类似平均场的行为相反.最终的有效模型是等效的弹性膜的非线性波重整化表面张力。(2)即使当平均场近似，一个相当复杂的联合概率分布揭示。其他物理参数完全支持结果的一致性。当然，真正的流体最终稳定状态依赖于浅水方程中不包括的耗散过程，例如波浪破碎和粘性效应，但有人认为，目前的理论为未来旨在评估其影响的工作提供了一个更数学上一致的起点。
2016-09-22 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
The perturbation of a turbulent boundary layer by a two-dimensional hill
在自然界和工业中，经常可以发现有山丘存在的平壁面上的紊流边界层。一些例子是空气流过山丘和沙丘，还有水流过封闭管道内的水生沙丘。山丘对二维边界层的扰动在问题中引入了新的尺度，改变了速度和应力沿流动分布的方式。当存在泥沙输移时，沿山体的应力分布与床面不稳定性密切相关。本文介绍了二维山丘对充分发展的湍流边界层扰动的实验研究。水流被施加在固定在封闭管道的底壁上的山丘上，并且流场通过粒子图像测速仪（Particle Image Velocimetry）测量。从流量测量，平均和波动场计算。速度和应力的一般行为进行了比较，发表的渐近分析和表面剪应力分析的颗粒床的不稳定性。
2017-06-08 physics.flu-dyn
Experimental studies of liquid-liquid dispersion in a turbulent shear flow
本文研究了在两个反向旋转的同轴圆柱体之间产生的湍流泰勒-库埃特流中的液-液分散。在纯水和反向旋转中，雷诺数可达1.4 × 10^5。我们首先描述的单相流，在过渡到湍流的阈值，缩放的扭矩和测量的平均流量和雷诺应力的立体PIV。然后，我们研究了两相流中耗散的增加，发现单位质量的扭矩可以是单相流扭矩的两倍。长期行为也有报道。
2008-06-19 physics.flu-dyn
Edge-effects in the turbulent flow over flexible aquatic vegetation
Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University（冲绳科学技术大学院大学）；Politecnico di Torino（都灵理工大学）
研究了柔性水生植被边缘的湍流特性，揭示了植被边缘涡旋对流体与结构间动量交换的影响，为河流和海岸工程提供了新的见解。
2025-08-28 physics.flu-dyn
Heterogeneous Turbulent Jets of the Mutually Immiscible Liquids: the Mixing and Heat Transfer Processes
许多自然过程和技术过程都涉及互不相溶液体射流中的湍流混合和传热，它们代表了现代多相系统动力学的一类重要内容。对于自由射流和受限射流，考虑了轴对称二维定常流的微分方程和柱坐标系中的积分关联式。对自由射流和燃烧室内两相流的湍流混合参数进行了模拟和分析。最后，以核电站严重事故模拟中水冷金属熔体的高温流动为例进行了计算，并与实验数据进行了比较。该算法和所得结果可能对某些研究和工业任务感兴趣，其中多相湍流混合和传热参数的计算是重要的。
2018-03-26 physics.flu-dyn
Combined particle image velocimetry and thermometry of turbulent superstructures in thermal convection
在普朗特数为$Pr = 7$的水介质中，通过受控实验研究了水平延伸的三维Rayleigh-Bénard对流中的湍流超结构。使用具有正方形横截面、纵横比$Γ= l/h = 25$、边长$l$和高度$h$的瑞利-贝纳德单元。考虑了$10^5 < Ra < 10^6$范围内的三种不同的瑞利数。该单元是光学可访问的，使得热致变色液晶可以作为示踪剂颗粒接种，以同时监测温度和速度场在一个大的部分的水平中平面长达6小时的长时间段，对应于大约$10^4$对流自由落体时间单位。立体粒子图像测速和测温的联合应用开辟了评估局部对流热通量场的对流单体的体积，从而分析的特点大规模的运输模式的流动的可能性。与现有的直接数值模拟数据在相同的参数范围内的$Pr, Ra$和$Γ$的直接比较，揭示了相同的超结构模式和全球湍流传热标度$Nu(Ra)$。轻微的定量差异可以追溯到在顶部扩展的水冷玻璃板处的等温边界条件的违反。模式的特征尺度属于相同的尺寸范围，但系统地更大。实验证实，超结构模式是传热的重要支柱。此外，目前的实验，使研究的大规模模式的逐渐演变的时间，这是具有挑战性的大纵横比湍流对流的模拟。
2022-08-02 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
Connecting flow structures and heat flux in turbulent Rayleigh-Bénard convection
本文用数值方法研究了二维Rayleigh-Bénard湍流对流中传热（无量纲形式的努塞尔数Nu）与纵横比（Γ）的关系，其中Rayleigh数为$0.4 \le Γ\le 1.25$，Prandtl数为Pr =0.7（气体）和Pr = 4.3（水）。Nu（Γ）表现出非常丰富的结构，具有突跳和急剧的跃迁。我们将这些结构与样品中流动的组织方式联系起来，并解释了为什么Nu的纵横比依赖性对于小Pr更为明显。即使对于固定的Γ，也可以存在不同的湍流状态（产生不同的Nu），流动可以或不能在这些状态之间切换。因此，在后一种情况下，热传递取决于初始条件。
2011-09-30 physics.flu-dyn
Diffuselet method for three-dimensional turbulent mixing of a cloudy air filament
本研究通过三维直接数值模拟和diffuselet方法考察含云空气丝状物的湍流混合过程，发现高Schmidt数下两者高度吻合，证明diffuselet可作为湍流高Sc的有效参数化方法。
2025-06-11 physics.flu-dyn
Penetrative turbulent Rayleigh-Bénard convection in two and three dimensions
采用二维和三维直接数值模拟（DNS）方法研究了渗透性湍流Rayleigh-Bénard对流，该对流依赖于$4^\circ\rm{C}$附近水的密度极大值.工作流体是接近$4^\circ\rm{C}$的水，普朗特数为$Pr=11.57$。所考虑的瑞利数$Ra$的范围从$10^7$到$10^{10}$。密度反演参数$θ_m$在0到0.9之间变化。研究发现，顶底边界层厚度之比（$F_λ=λ_t^θ/λ_b^θ$）随$θ_m$的增大而增大，且$F_λ$与$θ_m$之间的关系似乎与$Ra$无关.与Oberbeck-Boussinesq（OB）病例相比，中心温度$θ_c$升高，因为$θ_c$与$F_λ$和$1/θ_c=1/F_λ+1$相关，还发现$θ_c$与$θ_m$具有独立于$Ra$的普遍关系。Nusselt数$Nu$和Reynolds数$Re$均随$θ_m$的增大而减小，归一化Nusselt数$Nu(θ_m)/Nu(0)$和Reynolds数$Re(θ_m)/Re(0)$也与$θ_m$具有普适关系，且与$Ra$和展弦比$Γ$无关。研究发现，尽管流动组织发生了显著变化，但$Nu\sim Ra^α$和$Re\sim Ra^β$的标度指数对$θ_m$不敏感。
2019-04-17 physics.flu-dyn
High-resolution numerical simulations of turbulent non-catalytic reverse water gas shift
SINTEF Energy Research（SINTEF能源研究）
本文研究无催化剂反水煤气变换反应的湍流-化学相互作用，发现微量O2可显著提升CO产量，并验证PaSR LES模型在内能反应中的有效性。
2026-02-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Mixing layer and turbulent jet flow in a Hele--Shaw cell
本文研究了两个相对封闭的刚性壁面间理想均匀流体剪切流动中的平面湍流混合。流动的性质是由在Kelvin-Helmholtz不稳定性发展的非线性阶段产生的涡的相互作用和湍流摩擦决定的。在浅水理论和三层流动表示的框架内，提出了混合层的一维模型。所得到的方程允许一个来确定强烈的流体混合的区域的平均边界。稳态解的控制方程的构造和分析。利用由一维方程得到的平均流动特性，导出了确定混合层速度分布和雷诺剪应力的双曲线方程组。与实验结果的比较表明，在Hele-Shaw细胞的湍流射流的演变表明，所提出的模型提供了一个相当准确的描述的平均边界的区域的强烈混合，以及速度分布和雷诺剪应力的混合层。
2020-03-14 physics.flu-dyn
Blade-shaped (PKN) Hydraulic Fracture Driven By A Turbulent Fluid In An Impermeable Rock
在石油和天然气工业中，高流速水驱动水力压裂比以往任何时候都更常见。虽然裂缝很小，但水的高注入速率和低粘度导致裂缝中的高雷诺数和潜在湍流。在这里，我们提出了一个半解析解的叶片形（PKN）几何水力压裂驱动的湍流流体在零流体泄漏到地层的限制。我们使用Gaukler-Manning-Strickler参数化来模拟PKN裂缝中的湍流，该参数化将水的流速与沿着裂缝的压力梯度联系起来。在这个关系中的关键参数是达西-韦斯巴赫摩擦系数的粗糙度的裂纹壁。耦合这种湍流参数化与质量守恒允许我们写一个非线性偏微分方程的裂纹宽度作为空间和时间的函数。通过相似性分析，我们得到了一个半解析解使用正交多项式级数。将裂缝尖端附近的渐近行为嵌入到多项式级数中，我们发现非常快速的收敛：用级数的两个项得到适当精确的解。这种封闭形式的解决方案有利于层流和湍流水力压裂的结果和参数之间的清晰比较。特别是，它解决了一个众所周知的问题，即校准模型的数据难以同时匹配的水力压裂长度和井筒压力。
2016-09-05 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Experimental study of three-dimensional turbulence under a free surface
该研究搭建基于RASJA激励的原创实验装置，生成可调强度的近无平均流湍流，探究自由表面对三维湍流的影响，验证了近表面湍流各向异性等特性，补充了不同湍流强度下的相关行为研究。
2024-12-18 physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of water-ethanol flows in a T-mixer
流体的有效混合在许多应用中是关键，例如化学反应和纳米颗粒沉淀。然而，很难获得混合动力学的详细实验测量，因此预测性数值工具有助于设计和优化许多过程。如果考虑两种不同的流体，混合物的粘度和密度通常非线性地取决于组成，这使得混合过程的建模特别具有挑战性。因此，水-水混合物在简单的几何形状，如T型混合器已被深入研究，但很少有人知道更复杂的混合物的动力学，特别是在湍流状态。在这里，我们提出了一种数值方法，允许精确模拟两种流体的混合物。使用这种方法的高性能实现，我们进行直接的数值模拟解决的空间和时间动态的水-乙醇流的雷诺数从100到2000。详细讨论了湍流转捩过程中遇到的流动状态及其混合特性，并与水-水混合物进行了比较。
2016-12-09 physics.flu-dyn
Convective Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Graphene-Water Nanofluids in Transitional Flow
以过渡流为研究对象，对石墨烯-水纳米流体的对流换热和流动特性进行了实验研究。以PVP为表面活性剂，采用两步法制备了不同质量分数（0.025%、0.1%和0.2%）的石墨烯-水纳米流体。通过测量纳米流体的粘度和热导率来进行热物理表征。对流特性的实验研究从层流到湍流制度。可以看出，在过渡区中的压降急剧增加，并且随着纳米颗粒浓度的增加，层流到湍流的过渡向较低的雷诺数转变。水的相变起始于2475雷诺数，而颗粒质量分数为0.2%的纳米流体的相变起始于2315雷诺数。纳米流体和水在层流中不同雷诺数和不同轴向位置下的平均传热系数和努塞尔数的增加几乎相同，这是由于传导增强机制在层流中对传热增加的主导作用。在层流状态下，Nusselt数的增强被观察到，表明热泳和布朗运动是更有效的传热增强机制。雷诺数为3950时，观察到最大传热增强为36%。
2020-09-22 physics.app-ph physics.flu-dyn
Superhydrophobic surfaces to reduce form drag in turbulent separated flows
作用于在流体中运动的物体上的阻力有两个分量，即由于流体粘性引起的摩擦阻力和由于物体后面的流动分离引起的形状阻力。当存在时，形状阻力通常是两者之间最重要的，并且在许多应用中，流线型有效地减少或防止流动分离。正如这里所研究的，当工作流体是水时，一种很有前途的减阻技术是用超疏水表面修饰物体的壁。这些表面在其粗糙度中捕获气泡，避免液体与壁的直接接触。超疏水表面已经被广泛研究用于减少摩擦阻力。我们表明，它们在减少湍流中的流动分离方面也是有效的，因此在减少形状阻力方面也是有效的。通过研究钝体上的湍流的数值模拟，证明了它们的概念有效性，钝体由通道内的凸起表示，其被修改为不同的超疏水表面。这里所示的方法有助于新的和强大的技术，为减少阻力的钝体。
2022-05-08 physics.flu-dyn
The turbulent cascade in five dimensions
用肉眼看，湍流表现出许多不同大小的旋涡。每一个尺寸或尺度，都对应着由五维级联产生的总能量的一小部分：尺度、时间和三维空间。理解这一过程对于地球物理和工业流程的建模策略至关重要。通过跟踪包含不同尺度能量的流动区域，我们已经证明了跨尺度联系的统计优势，即尺度$Δ$的流体能量块出现在尺度$2Δ$的块中，并在尺度$Δ/2$的块中死亡。我们的方法揭示了简单的水状流体中的能量级联，为湍流模型提供了新的见解，同时为导电流体，量子流体和等离子体中的类似分析铺平了道路。
2017-08-16 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
Direct Numerical Simulation of the Moist Stably Stratified Surface Layer: Turbulence and Fog Formation
我们调查的稳定分层的表面层上的冷凝和液态水负荷的影响，着眼于了解雾形成的湍流混合的影响。直接数值模拟（DNS）的干和湿明渠流进行，在这两个恒定的冷却率是在地面上应用，以模仿长波辐射冷却。取决于冷却速率，它可以导致湍流（弱稳定）或层流（非常稳定）。与完全干燥的情况相比，液态水在潮湿情况下的冷凝使得在导致湍流崩溃之前能够实现稍高的冷却速率。在非常稳定的情况下，失控冷却导致接近地面的液态水大量凝结，并在大部分区域产生雾（能见度小于1公里）。在弱稳定的情况下，湍流混合在类似的时间段内仅产生接近地面1公里的湍流。然而，尽管该系统的理想化的性质，目前的结果表明，湍流阻碍，虽然不一定会抑制，雾的形成。一个可能的机制内形成雾的湍流，其中增加的液态水含量的区域内形成的低速条纹的近壁循环。这些条纹在潮湿的情况下，由于减少了耗散的湍流动能相比，干燥的情况下，虽然在这两种情况下的条纹是不那么有活力和持久性比中性分层流。
2020-12-08 physics.ao-ph 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
Modeling rain-driven overland flow: empirical versus analytical friction terms in the shallow water approximation
降雨径流的模拟是流域地表水文学研究中的一个热点问题。建模者在定义其仿真框架时必须在各种摩擦模型中进行选择。这项工作的目的是比较模拟质量的曼宁，达西-韦斯巴赫，和Poietville摩擦模型在一个简单的情况下，一个恒定的降雨薄的实验水槽。结果表明，通常的曼宁摩擦定律不适用于这类流动。Poiffille摩擦模型给出了最好的结果，无论是在出口处的流量和沿水槽的速度和深度剖面。Darcy-Weisbach模型对层流有较好的计算结果。对于紊流情况，应进行附加试验。
2016-09-15 physics.flu-dyn
