High Magnetic Shear Gain in a Liquid Sodium Stable Couette Flow Experiment; A Prelude to an alpha-Omega Dynamo
NMIMT与LANL合作进行的液体钠$α$ - $Ω$发电机实验的$Ω$ -阶段已经成功地证明了从所施加的极向磁场的径向分量$B_r$产生高的环向场$B_ϕ \simeq 8\times B_r$。这种增强的环向场是由$Rm \simeq 120$中液态钠内稳定库埃特流中的旋转剪切产生的。稳定Taylor-Couette流中的小湍流是由Ekman流引起的，其中$ (δv/v)^2 \sim 10^{-3} $。低湍流中的这种高$Ω$增益与较高湍流、亥姆霍兹不稳定剪切流中的较小$Ω$增益形成对比。这一结果支持了大尺度天体物理磁场是在半相干大尺度运动中产生的假设，在这种运动中，湍流只起较小的扩散作用，使磁链成为可能。
2010-12-01 astro-ph.GA astro-ph.IM physics.flu-dyn
Dynamo generated by the centrifugal instability
我们提出了一个新的方案磁场放大的导电流体被限制在一个差分旋转，薄的纵横比的球壳。当角动量充分向外减小时，在赤道区域中发展出流体动力学不稳定性，其特征在于成对的反向旋转的环形涡，类似于在圆柱形库埃特流中观察到的那些。这些球形泰勒-库埃特涡旋产生由非轴对称分量主导的亚临界发电机磁场。我们发现，临界磁雷诺数似乎达到一个恒定的值，在大雷诺数和全球旋转可以强烈降低发电机启动。我们的数值结果是理解一个简单的动力系统的框架内，我们提出了一个低维模型的亚临界发电机分岔。实验室发电机和天体物理磁场的影响进行了讨论。
2016-06-13 physics.flu-dyn
Bound of dissipation on a plane Couette dynamo
变分湍流是为数不多的几种能提供严格湍流结果的方法之一。此外，它解决了一个直接的实际利益的问题，即能量耗散率。不幸的是，只有一个上限是作为一个更大的功能空间比空间的解决方案的纳维-斯托克斯方程的搜索。然而，在一般情况下，这个上限是在很好的协议与实验结果的数量级和施加雷诺数的幂律。本文将湍流的变分方法推广到发电机作用的情形，得到了整体耗散率（粘性耗散率和欧姆耗散率）的一个上界。本文研究了一个简单的平面Couette流。对于低磁性普朗特数$P_m$流体，能量耗散的上限是对于低于$P_m^{-1}$的磁性雷诺数的经典湍流（即与剪切速度的三次方成比例），并且在电绝缘壁的情况下，对于高于$P_m^{-1}$的磁性雷诺数（即与剪切速度的四次方成比例）遵循更陡峭的演化。然而，壁电导的影响是至关重要的：对于给定的壁电导值，存在一个磁雷诺数值，超过该值，能量耗散就不能被限制。该极限磁雷诺数与壁的电导的平方根成反比。在实验和自然发电机的能量耗散方面的影响进行了讨论。
2009-10-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Direct numerical simulations of Taylor--Couette turbulence: the effect of sand grain roughness
粗糙度研究的进展，映射任何给定的粗糙度几何形状，其流体动力学行为，一直受到阻碍，缺乏准确和直接的测量表面摩擦阻力，特别是在开放系统。泰勒-库埃特（TC）系统的好处是一个封闭的系统，但其潜力的特点是不规则的，现实的，3-D粗糙度尚未被深入考虑。在这里，我们提出了直接数值模拟（DNSs）的TC湍流与沙粒粗糙度安装在内缸。对Scotti提出的模型（\textit{Phys. Fluids}，vol.18，031701，2006）进行了改进，以模拟单分散砂粒的随机粗糙表面，其特征在于等效砂粒高度$k_s$。泰勒数的范围从$Ta = 1.0\times 10^7$（对应于$Re_τ= 82$）到$Ta = 1.0\times 10^9$（$Re_τ= 635$）。我们专注于过渡粗糙政权的粗糙度高度$k_s^+$的影响，通过模拟TC与粗糙表面，从$k_s^+=5$到$k_s^+ = 92$，其中上标“$+$”表示无量纲粘性单位。我们发现，对数层的下移，由于过渡粗糙的沙粒表现出显着相似的行为的Nikuradse（\textit{VDI-Forschungsheft} 361，1933年）的数据的沙粒粗糙度在管流中，无论泰勒数依赖常数的对数层。
2018-12-05 physics.flu-dyn
Controlling secondary flow in Taylor-Couette turbulence through spanwise-varying roughness
本文通过实验和数值模拟（直接数值模拟（DNS）和浸没边界法（IBM））研究了展向变粗糙度的高湍流Taylor-Couette流动，以确定展向变粗糙度的间距和轴向宽度$s$对总阻力和流动结构的影响。我们应用砂粒粗糙度，以交替的{粗糙和光滑}带的形式应用于内圆柱体。在数值上，泰勒数是$\mathcal{O}(10^9)$，粗糙度宽度在$0.47\leq \tilde{s}=s/d \leq 1.23$之间变化，其中$d$是间隙宽度。在实验上，我们探索了$\text{Ta}=\mathcal{O}(10^{12})$和$0.61\leq \tilde s \leq 3.74$。对于这两种方法，半径比固定为$η=r_i/r_o = 0.716$，其中$r_i$和$r_o$分别为内圆柱体和外圆柱体的半径。我们提出了如何全球的传输特性和局部流结构依赖于粗糙间距$\tilde{s}$设置的边界条件。无论是数值计算还是实验，我们都发现了一个最大的角动量输运函数的$\tilde s$。这可能是由于粗糙条纹的存在触发了大尺度结构的重新排列，从而导致相应的大尺度湍流涡旋。
2019-05-16 physics.flu-dyn
Characterizing the turbulent drag properties of rough surfaces with a Taylor--Couette setup
壁面粗糙度在有壁面限制的湍流中引起额外阻力。由于缺乏对蒙皮-摩擦阻力的精确和直接测量，将任何给定的粗糙几何形状映射到其流体动力学行为受到阻碍。Taylor-Couette（TC）系统提供了一个机会，因为它是一个封闭的系统，并允许直接和可靠地测量皮肤摩擦。然而，壁曲率潜在地使壁摩擦和壁粗糙度特性之间的连接复杂化。在这里，我们调查的影响，流体动力学充分粗糙表面上的高度湍流，内圆筒旋转，TC流。我们发现，流体动力学完全粗糙表面对TC湍流的影响，其中粗糙高度k比Obukhov曲率长度Lc小三个数量级（其表征曲率对湍流的影响，参见Berghout等人arXiv：2003.03294，2020）类似于完全粗糙表面对平板湍流边界层（BL）的影响。因此，表征粗糙表面的阻力特性的等效砂粒高度ks的值类似于在平板BL中的可比较砂纸表面所发现的值。接下来，我们得到的扭矩（皮肤摩擦阻力）的雷诺数的依赖性，为给定的壁面粗糙度，其特征在于ks，并发现与实验结果在5%以内的协议。我们的研究结果表明，在TC设施的全球扭矩测量是非常适合可靠地推断壁阻力性能的任何粗糙表面。
2020-09-14 physics.flu-dyn
Disentangling the origins of torque enhancement through wall roughness in Taylor-Couette turbulence
采用直接数值模拟方法研究了泰勒数为$Ta=10^{10}$的粗糙壁湍流Taylor-Couette流动的整体输运特性。无量纲扭矩$Nu_ω$显示了$Nu_ω\propto Ta^{0.42\pm0.01}$的有效缩放，其比对于光滑内壁和外壁所见的极限状态有效缩放$Nu_ω\propto Ta^{0.38}$更陡。结果发现，在内部粗糙壁，主要贡献的扭矩来自粗糙元件的径向面上的压力，而粗糙表面上的粘性剪切应力贡献很小的$Nu_ω$。因此，接近粗糙壁的原木层取决于粗糙度长度尺度，而不是粘性长度尺度。然后我们将光滑内壁和粗糙外壁贡献的扭矩分开。据发现，光滑壁扭矩缩放遵循$Nu_s \propto Ta_s^{0.38\pm0.01}$，在良好的协议的情况下，两个壁是光滑的。相反，粗糙壁扭矩缩放遵循$Nu_r \propto Ta_r^{0.47\pm0.03}$，非常接近纯极限状态缩放$Nu_ω\propto Ta^{1/2}$。由于粗糙元处的流动分离导致壁面剪应力减小，使得内粗糙柱壁面处的能量耗散率显著降低。另一方面，后者脱落的旋涡在散装运输到外缸和消散。与纯光滑情况相比，内壁粗糙度使系统更占主导地位，从而增加了有效标度指数。
2016-12-13 physics.flu-dyn
High-speed shear driven dynamos. Part 2. Numerical analysis
本文旨在数值验证同伴论文Deguchi（2019）中提出的磁流体动力学（MHD）流动的大雷诺数渐近理论。为了避免与湍流和流动几何形状的混沌性质相关的任何复杂性，已利用平面Couette流中的粘性电阻磁流体动力学方程的非线性稳态解。确定了两类能有效地将动能转换为磁能的非线性MHD态。在已知的平面Couette流的流体动力学解分支上施加展向均匀小磁场，可以得到第一类非线性状态。的非线性状态的特点是由流体动力学/磁辊条纹和共振层，在那里观察到强涡和电流片。这些流动特征以及诱导的强流向磁场与Deguchi（2019）提出的涡旋/Alfvén波相互作用理论完全一致。当展向均匀磁场关闭时，溶液变成纯粹的流体动力学。然而，在零外部磁场极限下的第二类“自持剪切驱动发电机”可以通过受展向均匀电流场的强迫态的同伦来找到。发电机状态的发现激发了Deguchi（2019）相应的大雷诺数匹配渐近分析。在这里，由渐近理论导出的简化方程已被数值求解。渐近解提供了非常好的预测有限雷诺数发电机解决方案。
2019-03-22 physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of Taylor-Couette flow with vertical asymmetric rough walls
本文通过直接数值模拟研究了垂直不对称粗糙壁面旋转方向对Taylor-Couette流动输运特性的影响，发现高Taylor数下顺时针旋转因更强的壁面-体相耦合、湍流强度和压力贡献而产生显著更大的扭矩增强。
2023-10-19 physics.flu-dyn
Small-Scale Kinematic Dynamo and Non-Dynamo in Inertial-Range Turbulence
本文研究了小磁普朗特数下湍流等离子体流中运动学“涨落”磁发电机的拉格朗日机制。湍流平流和等离子体电阻率的组合效应是将无限多的场线携带到每个空间点，在该点处的合成磁场由所有单独的线矢量的平均值给出。由于平流速度的粗糙度，即使在零电阻率的极限下，这仍然是正确的。我们表明，发电机效应的存在需要足够的角度相关的被动线向量，同时到达的duplex空间点。我们证明了这一点，详细的Kazantsev-Kraichnan模型的运动发电机与高斯平流速度是空间粗糙和白噪声的时间。在发电机作用失效的情况下，我们还得到了磁能衰减的精确速率。模型的这些精确结果是通过将Bernard、Gawedzki和Kupiainen的"慢模展开“推广到非厄米演化而得到的。我们的许多分析也适用于磁流体动力学湍流。
2009-08-12 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
The influence of wall roughness on bubble drag reduction in Taylor-Couette turbulence
实验研究了湍流Taylor-Couette流中壁面粗糙度对气泡减阻的影响。两个同心的、独立旋转的圆柱体之间的流动。我们测量了有空气和无空气情况下系统的阻力，并通过在一个或两个圆柱上安装横向肋来增加粗糙度。对于光滑壁的情况下（无肋）和肋的情况下，内圆筒上只有，我们观察到强大的阻力减少$DR=33\%$和$DR=23\%$，分别为$α=6\%$的空隙率。然而，当肋安装在两个圆柱上或只安装在外圆柱上时，减阻效果很弱，小于$DR=11\%$，因此非常接近于减小有效密度的微不足道的效果。流动显示表明，在这两种情况下，即外圆柱上有肋的情况下，诱导了稳定的湍流泰勒涡-大尺度涡结构。这些强的二次流使气泡远离边界层，使气泡的作用比以前在光滑壁情况下观察到的要小。测量与反向旋转的光滑的圆柱体，一个政权，其中明显的泰勒辊也诱导，确认它确实是泰勒涡削弱气泡减阻机制。我们的研究结果表明，尽管气泡减阻确实对光滑壁有效，但其效果可能会被例如\生物污垢和无处不在的壁面粗糙度，因为粗糙度会引起强烈的二次流。
2018-04-08 physics.flu-dyn
Enhanced dynamo growth in nonhomogeneous conducting fluids
我们解决磁场产生的发电机行动的系统具有不均匀的电导率和磁导率。更具体地说，我们首先表明，泰勒-库埃特运动发电机经历了急剧减少的稳定性阈值时，流体的电导率或磁导率的（零均值）调制被引入。这些结果是在平均场区域之外获得的，这种效应最初是针对平均场区域提出的。除了这个说明性的例子之外，我们扩展了Favier \& Proctor {（2013）}提出的对偶论点，以表明交换电导率和磁导率的分布并改变${ u}\to -{ u}$会使发电机阈值保持不变。这允许在{ \it先验}不相关的发电机研究之间建立联系。最后，我们讨论了在实验室和天体物理环境中观察这种效应的可能性。
2021-12-21 physics.flu-dyn
Effect of axially varying sandpaper roughness on bubbly drag reduction in Taylor-Couette turbulence
实验研究了粗糙壁面和光滑壁面交替变化对气泡减阻的影响。我们在Twente湍流泰勒-库埃特设施的光滑内筒（IC）周围应用宽度为$s$的粗糙砂纸带（$48.4\,mm$和$148.5\,mm$之间）和粗糙度高度为$k = 695\,μm$。在砂纸带之间，IC在相似的宽度$s$上未被覆盖，导致粗糙和光滑带交替，在轴向方向上具有恒定的图案。我们测量的DR在水中，起源于引入气泡的流体（剪切）雷诺数$\textit{Re}_s$范围从$0.5 \times 10^6$到$1.8 \times 10^6$。将结果与具有完全光滑IC和完全覆盖有相同粗糙度$k$的砂纸的IC的气泡DR测量进行比较。外圆柱体保持光滑，适用于所有变化。结果还比较了气泡DR测量，其中光滑的外圆柱体以与光滑的IC相反的方向旋转。这种反向旋转诱导的二次流结构与IC由交替的粗糙和光滑带组成时观察到的结构非常相似。对于粗糙度的测量，发现气泡DR最初随着$\textit{Re}_s$而更强烈地增加，然后趋于平稳以达到不再取决于$\textit{Re}_s$的值。这归因于气泡的更均匀的轴向分布，这是由于与在相同$\textit{Re}_s$处的完全光滑壁上的流动相比，流动的湍流强度增加。可以看到气泡在流中的粗糙壁段处积聚。这里，局部地，阻力最大，因此气泡的减阻效果感觉最强。因此，一个更大的气泡DR的最大值被发现为交替粗糙和光滑的壁相比…
2020-08-03 physics.flu-dyn
Rough wall turbulent Taylor-Couette flow: the effect of the rib height
在这项研究中，我们结合实验和直接的数值模拟研究的横向肋的高度在湍流泰勒-库埃特流的整体和局部流动特性的影响。我们通过在大范围的肋高度上将多达6个轴向障碍物连接到圆柱体表面来创建肋粗糙度，最多阻塞间隙宽度的25%。在渐近极限状态下，输运与粘性无关，我们发现$Nu_ω \propto Ta^{1/2}$标度的前因子（对应于阻力系数$C_f(Re)$为常数）与肋数$N_r$和肋高$h^{1.71}$成比例。这背后的物理机制是，对扭矩的主要贡献来自作用在肋上的压力，该压力与肋高度成比例。测量的$N_r h^{1.71}$比例关系略小于预期的$N_r h^2$比例关系，可能是因为肋骨不能被视为完全孤立，而是相互作用。在具有光滑壁的反向旋转区域中，湍流泰勒涡增加了动量输送。我们发现，也在横肋的存在下，这些涡持续存在。在反向旋转的制度，即使是大的粗糙度高度，动量传输增强这些涡。
2018-05-02 physics.flu-dyn
A self-sustaining nonlinear dynamo process in Keplerian shear flows
在Keplerian区域的旋转平面Couette流中识别了一个三维非线性发电机过程。它类似于非旋转剪切流中的流体动力学自持过程，并且依赖于环形磁场的磁旋转不稳定性。稳定的非线性解决方案的数值计算范围很广的磁雷诺数，但仅限于低雷诺数。这个过程对于解释开普勒吸积盘中相干场和湍流运动的维持可能是重要的，因为所有的基本成分都存在于其中。
2007-05-19 astro-ph physics.flu-dyn
Laboratory experiments on dynamo action and magnetically triggered flow instabilities
行星、恒星和星系的磁场是由运动的导电流体的自激产生的。一旦产生，磁场就可以通过破坏旋转流的稳定来在宇宙结构的形成中发挥积极作用，否则旋转流在流体动力学上是稳定的。长期以来，磁流体发电机作用和磁触发流动不稳定性都是纯理论研究的主题。然而，与此同时，在里加、卡尔斯鲁厄和卡达拉什的大规模液体钠实验中观察到了发电机效应。本文总结了液态金属实验中的发电机效应和各种磁不稳定性，如螺旋磁旋转不稳定性、方位磁旋转不稳定性和泰勒不稳定性的研究结果。我们详细讨论了我们的计划，进动驱动的发电机实验和大规模的泰勒-库埃特实验，使用液体钠，并观察磁触发的不稳定性的前景与正剪切流。
2018-03-09 physics.flu-dyn
Exact coherent states for grooved Couette flows
最近的进展表明，纳维-斯托克斯方程的高度对称循环解，如平衡和周期轨道，提供了一个骨架的状态空间中的湍流动力学。这些解中有许多已在平板壁平面库埃特流、槽道流和管流中找到。粗糙壁流动具有重要的实际意义，但这些流动没有已知的递归解。我们提出了一个数值同伦方法，继续解决方案，从平面壁Couette流（PCF）的槽PCF，在这里演示的雷诺数为400，作为一个起点，类似的延续粗糙壁流。槽PCF展向均匀性的损失减少了连续的解决方案的家庭（相同的平移位移）在平壁库埃特流多个，离散的家庭在槽库埃特流;这可以表现在湍流作为空间锚定的精确相干结构附近的壁，使湍流统计反映精确重现的解决方案的严格限制结构。此外，这些平衡的涡纹结构的特征被挤出的凹槽时，凹槽的波长是小于特征展向尺寸的结构。即使在考虑的低雷诺数下，这也会在壁面处产生减小的剪切应力，并且该机制与在某些安装有条纹的湍流中观察到的阻力减小一致。
2018-02-09 physics.flu-dyn
Bubbly drag reduction using a hydrophobic inner cylinder in Taylor-Couette turbulence
在这项研究中，我们实验研究了气泡减阻的高度湍流的水与分散的空气在$5.0 \times 10^{5} \leq \text{Re} \leq 1.7 \times 10^{6}$在非润湿表面含有微尺度粗糙度。为此，使用泰勒-库埃特几何，允许精确的全局阻力和局部流测量。涂有粗糙疏水材料的内圆柱体旋转，而光滑的外圆柱体保持静止。关键的控制参数是存在于工作流体中的空气体积分数$α$。对于小体积分数（$α< {4}\,\%$），我们观察到来自涂层的表面粗糙度增加阻力。对于大体积分数的空气（$α\geq 4\,\%$），与使用相同体积分数的空气的内圆柱体和外圆柱体均未涂覆（即，光滑且亲水）的情况相比，阻力减小。这表明存在两种相互竞争的机制：一方面，粗糙度引起原木层的延伸-导致阻力增加-另一方面，疏水表面与气泡液体相互作用存在减阻机制。这两种效果之间的平衡决定了是整体阻力减小还是阻力增强。对于进一步增加的气泡浓度$α= {6}\,\%$，我们发现一个饱和的减阻效果。我们的研究为疏水壁面湍流中气泡减阻的工业应用提供了指导。
2020-06-15 physics.flu-dyn
On the toroidal-velocity anti-dynamo theorem under the presence of nonuniform electric conductivity
本文研究了具有流体动力学稳定的准开普勒旋转剖面和非均匀电导率的层流导电Couette流的发电机不稳定性。在球面几何中，极向场和环向场分量的方程完全解耦，导致自由衰减，而不管电导率的空间分布如何。在圆柱形几何的极向和环形组件不去耦，但在这里我们也没有发现发电机激励的情况下，电导率只取决于半径或-更复杂-它只取决于方位角或轴向坐标。因此，Busse & Wicht（1992）的平面流发电机模型到圆柱或球形几何的转换失败了。它还表明，即使包含轴向流动的两个方向不{ \em不}支持发电机机制。埃尔萨瑟环形速度反发电机定理，根据该定理，没有任何径向速度分量的发电机不能工作，因此不被非均匀电导率分布软化。
2022-03-16 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Symbolic dynamics and chaos in plane Couette flow
根据最近的理论\cite{Li14}，当雷诺数较大时，充分发展的湍流由短期不可预测性（粗略依赖于初始数据）引起;当雷诺数适中时，通常由混沌（长期不可预测性）引起瞬态湍流。本文研究了中等雷诺数下平面Couette流的混沌现象。在L. van Veen和G. Kawahara \cite{VK11}在横截同宿轨道上的一个极限环渐近平面Couette流中，我们探讨了同宿轨道附近的符号动力学和混沌。数学分析表明，在同宿轨道的邻域内存在一个轨道集合，它与二元序列的集合一一对应。二进制序列上的伯努利移位对应于适当定义的返回映射的混沌动力学。
2015-03-06 physics.flu-dyn
Statistical State Dynamics of Couette MHD Turbulence
本研究基于统计态动力学框架，证实库埃特MHD湍流中存在与壁面剪切流对应的滚转-条纹结构，其解析解源于不稳定性，可平衡为固定点或自维持湍流态，二者均可能对应大尺度相干发电机。
2025-10-22 physics.flu-dyn
On the excitation of inertial modes in an experimental spherical Couette flow
球形库埃特流（同心旋转球之间的流动）是实验室磁力发电机所考虑的流动之一。最近的实验表明，这种流动可以激发科里奥利恢复惯性模式。本工作的目的是更好地了解所观察到的模式的属性和它们的激发的性质。使用数值解描述强迫惯性模式的均匀旋转的流体内的球壳，我们首先确定所观察到的振荡的库埃特流与非轴对称，逆行，赤道反对称惯性模式，确认第一次尝试使用一个完整的球模型。虽然该模型没有差分旋转，识别是可能的，因为在一个球形库埃特流的流体的大部分刚性旋转。从所观察到的序列的激发模式时出现的内球减慢了一步，我们确定了一个临界Rossby数与一个给定的模式，低于它是激发。这个临界数和一个来自数值计算模式的相速度之间的匹配表明，这些模式被激发的不稳定性可能驱动的临界层，开发中的剪切层停留沿切线圆柱体的内球。
2012-08-24 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Numerical simulations of the Tayler-Spruit dynamo in proto-magnetars
本研究通过三维直接数值模拟原中子星内部的稳定分层球形Couette流，发现Tayler不稳定性驱动的两条亚临界发电机分支，其偶极分支磁场强度符合磁星观测约束，为磁星形成提供了数值依据。
2023-08-26 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
On the stability threshold for the 3D Couette flow in Sobolev regularity
本文研究了高雷诺数$\textbf{Re}$下三维不可压斯托克斯方程中周期性平面Couette流的Sobolev正则性扰动。我们的目标是估计如何在$\textbf{Re}$的稳定性阈值的规模：最大的初始扰动，同时仍然导致一个解决方案，不过渡离开库埃特流。在这项工作中，我们证明了初始数据满足$\| u_{in} \|_{H^σ} \leq δ\textbf{Re}^{-3/2}$的任何$σ> 9/2$和一些$δ= δ(σ) > 0$只取决于$σ$，是全球性的时间，保持在$L^2$的库埃特流的$O(\textbf{Re}^{-1/2})$的所有时间，并收敛到类的“2.5维”流向独立的解决方案称为条纹的时间$t \gtrsim \textbf{Re}^{1/3}$。Reddy et.用“粗略的”初始数据估计的阈值为$\sim \textbf{Re}^{-31/20}$，这与我们的估计非常接近。
2015-11-04 math.AP physics.flu-dyn
The Twente turbulent Taylor-Couette (T3C) facility: Strongly turbulent (multiphase) flow between two independently rotating cylinders
本文构造了一个新的湍流Taylor-Couette系统，它由两个独立旋转的圆柱体组成。圆柱体之间的间隙高度为0.927 m，内半径为0.200 m，外半径可变（从0.279 m到0.220 m）。内圆柱体和外圆柱体的最大角旋转速率分别为20 Hz和10 Hz，以水为工作流体时，雷诺数高达3.4 x 10^6。利用该泰勒-库埃特系统，参数空间（Re_i，Re_o，η）扩展到（2.0 x 10^6，{ \pm }1.4 x 10^6，0.716-0.909）。该系统配备了气泡喷射器，温度控制，皮肤摩擦阻力传感器，和几个本地传感器研究湍流单相和两相流。内圆筒测力传感器通过扭矩测量检测皮肤摩擦阻力。透明的丙烯酸外筒允许液体流动和分散相（气泡、颗粒、纤维等）的动力学。在间隙内部，使用专门的局部传感器和非侵入式光学成像技术进行研究。该系统允许在高雷诺数制度的泰勒-库埃特流的研究，和背后的皮肤摩擦阻力改变由于气泡注射，聚合物注射，和表面疏水性和粗糙度的机制。
2011-02-23 physics.flu-dyn
Large-eddy simulation and modeling of Taylor-Couette flow with an outer stationary cylinder
本文采用壁面分辨的大涡模拟方法（LES）对不可压Navier-Stokes方程进行了数值模拟，并对Taylor-Couette（TC）流动进行了经验模拟，其中内圆柱以角速度$Ω_i$旋转，外圆柱静止。一个简单的经验模型的湍流，TC流的开发组成的近壁，日志状的湍流壁层分离的恒定角动量的环。该模型是封闭的建议的缩放关系的壁层的厚度内圆筒。模型结果包括努塞尔数$Nu$（保持流动所需的扭矩）和作为泰勒数$Ta$和$η$函数的壁层厚度的各种测量值。这些同意合理的实验测量，直接数值模拟（DNS）和本LES在范围内的$Ta$和$η$。特别是，该模型表明，在固定的$η<1$，$Nu$的增长像$Ta^{1/2}$除以平方的朗伯，（或产品日志）函数的变量成比例的$Ta^{1/4}$。这不能用对$Ta$的幂律依赖性来表示。同时，壁层厚度相对于气缸间隙缓慢减小。这表明一个渐近的，非常大的$Ta$状态，由恒定的角动量在圆柱间隙与$u_θ= 0.5\,Ω_i\,R_i^2/r$，其中$r$是半径，与消失薄湍流壁层在圆柱表面。该模型的扩展，粗糙壁湍流壁内圆柱表面的流动进行了说明。这显示了一个渐近的完全粗糙壁状态，其中扭矩与$Re_i/Ta$无关，并且其中$Nu\sim Ta^{1/2}$。
2019-08-19 physics.flu-dyn
Complex dynamical regimes of the Tayler-Spruit dynamo
Observatoire de Genève, Université de Genève（日内瓦天文台，日内瓦大学）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；Université Paris Cité（巴黎西岱大学）；CEA（法国原子能和替代能源委员会）；CNRS（法国国家科学研究中心）；AIM（天体物理、物质与辐射研究所）
研究通过三维模拟揭示了Tayler-Spruit磁流体动力学的复杂动力学模式及其对中子星磁场的影响。
2026-09-30 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetic induction and diffusion mechanisms in a liquid sodium spherical Couette experiment
本文给出了钠离子液体实验中平均轴对称角向流和角向流的重建。该实验装置设置了一个封闭在两个同心球壳之间的球形库埃特流，其中内球容纳了一个强偶极磁体，当旋转时，该磁体充当磁性螺旋桨。测量的平均速度，平均感应磁场和平均电势已获得内部和外部的流体为9赫兹（Rm 28）的内球旋转速率。使用感应方程的所有测量量的平均流量，我们开发了一个非线性最小二乘反演过程中重建的平均速度场的完全相干的解决方案。我们还包括在我们的反演的流体层的响应，非轴对称的时间依赖的磁场，从施加的磁场从轴向偶极子的偏差的结果。我们得到的平均方位角速度场表明，在靠近内球的内部区域中，洛伦兹力占主导地位，这与由科里奥利力控制的外部地转区域形成对比，但其中磁矩仍然是驱动器。洛伦兹力和科里奥利力的存在强烈地阻碍了日冕环流。然而，它贡献了感应磁能的很大一部分。我们的方法设置场景的平均磁场，发电机机制的一个关键问题的速度和磁波动的贡献进行评估。
2014-11-30 physics.class-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Statistics of turbulent fluctuations in counter-rotating Taylor-Couette flows
本文研究了Taylor-Couette湍流速度脉动的统计特性。在保持泰勒数固定为$1.49 \times 10^{12}$（$\mathcal{O}(\text{Re})=10^6$）的同时改变内筒和外筒的旋转速率。使用激光多普勒测速仪（LDA）测量的流量的方位角速度分量。对于每个实验，获得并仔细分析$5\times10^6$数据点。使用扩展自相似（ESS）\cite{ben93b}的纵向结构函数指数提取，并发现弱依赖于旋转速率的比率。对于只有内筒旋转的情况，结果与Lewis和Swinney \cite{lew99}使用热膜风速仪测量的结果非常一致。功率谱显示出对于中间角速度比$-ω_o/ω_i \in \{0.6, 0.8, 1.0\}$的明显的-5/3标度，对于$-ω_o/ω_i \in \{0.2, 0.3, 0.4, 2.0\}$的大约-5/3标度，并且对于$-ω_0/ω_i = 0$没有发现明显的标度律（仅内部圆柱旋转）;谱的局部标度指数具有强的频率依赖性。我们将这些意见的概率密度函数的方位角速度和存在的中性线的形状。
2013-08-16 physics.flu-dyn
Wall-bounded flow over a realistically rough superhydrophobic surface
直接数值模拟（DNS）进行了两个有壁的流动配置：层流库埃特流在$Re=740$和湍流通道流在$Re_τ=180$，其中$τ$是在壁的剪切应力。顶壁是光滑的，底壁是由三维表面轮廓测量生成的真实粗糙的超疏水表面（SHS）。空气-水界面，这是假设是平坦的，使用体积的流体（VOF）的方法进行了模拟。研究了层流Couette流动与不同的界面高度$h$，以了解滑移和减阻（$DR$）的效果。在垂直于壁的方向上，表面粗糙度的存在被感觉到高达通道高度的$40\%$。在三个不同的区域观察到$DR$对$h$的非线性依赖性。DNS结果用于获得作为$h$的函数的气体分数$ϕ_g$的非线性曲线拟合，其中$ϕ_g$确定暴露于流的滑移面积的量。幂律线性回归拟合用于获得作为$ϕ_g$的函数的$b_{eff}$。对于湍流槽道流，流场的统计数据进行比较，以了解粗糙度和$h$的影响。两个界面高度，$h=h_{rms}$和$h=h_{max}$模拟研究其对流动的行为，其中$h_{rms}$和$h_{max}$分别是均方根和最大峰值的粗糙度高度的影响。结果表明，在空腔中存在的被困空气显着改变近壁流动物理。完全润湿粗糙度增加湍流强度的峰值，而界面的存在抑制它们。总的来说，界面和微凸体之间存在竞争效应，界面抑制湍流，而微凸体增强湍流。
2019-07-01 physics.flu-dyn
Nonlinear dynamos at infinite magnetic Prandtl number
在无限磁普朗特数的极限下研究了发电机的不稳定性。在这个极限中，假定流体是非常粘滞的，这样惯性项可以忽略，流动受力的影响。强迫由驱动发电机流的外部强迫函数和由磁场的反作用引起的洛伦兹力组成。所研究的流动是Archontis流动和在两个不同尺度下强迫的ABC流动。调查涵盖了大约三个数量级的磁雷诺数以上的发病。所有的流动表现出微弱的平均磁能增加的磁雷诺数的增加。大部分的磁能集中在扁平的细长结构中，该细长结构产生具有小螺线管投影的洛伦兹力，使得所产生的磁场配置几乎是无力的。虽然所研究的系统具有零动力学雷诺数在足够大的磁雷诺数的结构是不稳定的小尺度波动，导致在一个混乱的时间行为。
2010-10-29 physics.flu-dyn
Wall roughness induces asymptotic ultimate turbulence
湍流在自然界和技术中无处不在，在多个尺度上控制着热量、质量和动量的传输。对于壁边界湍流的实际应用，底层表面几乎总是粗糙的;然而表征和理解湍流壁粗糙度的影响仍然是一个挑战，特别是对于旋转和热驱动的湍流。通过结合大量的实验和数值模拟，在这里，以典型的泰勒-库埃特系统（两个独立旋转的同轴圆柱体之间的封闭流）为例，我们展示了壁粗糙度如何大大提高整体输运性质和相应的标度指数。如果只有一个壁面是粗糙的，我们揭示了整体速度是奴隶的粗糙的一面，由于更强的耦合到该壁的分离流结构。如果两个壁面都是粗糙的，则在边界层中粘性的依赖性就完全消除了，这样我们就得到了渐近的极限紊流，即输送的上限，它的存在已由Robert Kraichnan在1962年预言过（Phys. Fluids { \bf 5}，1374（1962）），在这种情况下，标度律可以外推到任意大的雷诺数。
2018-02-12 physics.flu-dyn
Rapidly rotating spherical Couette flow in a dipolar magnetic field: an experimental study of the mean axisymmetric flow
为了探索行星核心的磁旋机制，在一个充满液体钠的旋转球体中进行了实验，并施加了偶极磁场（实验装置）。磁场是由一个封闭在内部球体中的永磁体产生的，该球体可以以单独的速率旋转，从而产生球形库埃特流。通过测量外球体上的电势、实验室框架中的感应磁场以及使用超声多普勒测速仪的液体钠内部的速度分布来研究流动特性。本文着重于时间平均轴对称部分的流动。多普勒剖面显示，流体的角速度在大部分流体壳中相对均匀，但在内球附近上升，揭示了磁风的存在，并向外球缓慢下降。从内球附近的磁转流到外球附近的地转流的转变受当地Elsasser数的控制。对于直到1阶的罗斯贝数，观测到的速度剖面都显示出类似的形状。在线性政权的数值模拟计算，合成的速度分布与测量的比较。在地转区，扭矩平衡模式提供了很好的预测。我们发现，感应磁场的变化在一个一致的方式，并显示出一个特殊的峰值在反旋转制度。当流体的旋转速率几乎等于并且与外球体的旋转速率相反时，就会发生这种情况。然后，流体在实验室框架中几乎是静止的，并且Proudman-Taylor约束消失，从而实现强的双曲流动。我们认为，在这种情况下，发电机行动可能是有利的。
2008-08-08 astro-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
An optimal scale separation for a dynamo experiment
流动和磁场之间的尺度分离是自然发电机的一个共同特征。它也被用于卡尔斯鲁厄钠实验，其中磁场的尺度大约是流动尺度的7倍[R。Stieglitz和U. Müller，Phys. Fluids 13，561（2001）]。最近，Fauve & Pétrélis [“Peyresq lectures on nonlinear phenomenon”，ed. J. Sepulchre，World Scientific，1（2003）]已经表明，在发电机实验中达到发电机阈值所需的功率在大尺度分离的极限中随着尺度分离而增加。用一种基于次谐波解的更精细的方法[F.普伦尼安和K.- H.雷德勒，地球物理学。占星术。流体动力学96，115（2002）]，我们表明，对于罗伯茨流，存在一个最佳的规模分离，这个权力是最小的。Tilgner [Phys. Lett. A 226，75（1997）]与一个完全不同的数值方法也重新考虑在这里。再次，我们找到了一个最佳的规模分离发电机行动的最小功率。此外，我们发现，这种尺度分离比较非常好，从分谐波解决方案的方法。
2009-05-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Prediction of drag components on rough surfaces using effective models
由于多尺度的性质和随之而来的高计算成本与粗糙表面上的流动模拟，有效的模型正在开发作为一种实用的手段来处理这种流动。现有的有效模型主要集中在准确预测界面速度使用滑动长度。此外，它们主要涉及平面界面，并不直接涉及阻力计算。在这项工作中，我们制定了极坐标系中的蒸腾阻力模型，并解决了计算粗糙表面上的阻力分量的挑战。像滑移长度，我们引入两个本构参数称为剪切和压力校正因子，包括有关如何将总阻力划分为粘性和压力分量的信息。这些非经验参数的计算不需要解决额外的微尺度问题，它们可以从用于滑移长度计算的相同微尺度问题获得。我们证明了所提出的参数的有效性，粗糙表面上的Couette流。此外，以粗糙圆柱绕流为例，通过将有效模型结果与几何分辨模拟结果进行比较，我们给出了预测界面速度和阻力分量的准确性。本文提出的数值模拟证明，我们可以准确地捕捉平面和圆形界面问题的粗糙表面上的粘性和压力阻力，通过使用建议的本构参数。
2022-06-18 physics.flu-dyn
Ridged geometries induce axial flow vortices in Couette systems
通过壁面图案化产生两个垂直方向的流动，发现屈服应力流体中两种流动方向显著相关。
2025-12-02 physics.flu-dyn
Effects of small-scale dynamo and compressibility on the $Λ$ effect
$Λ$效应描述了旋转引起的雷诺应力的非扩散作用。它通常负责维持太阳和其他晚型恒星观测到的差异旋转。在这里的灵敏度的$Λ$效应的小尺度磁场和压缩性研究通过强迫湍流模拟与各向异性强迫在完全周期性立方体或在密度分层域与各向同性强迫。研究了小尺度发电机自洽产生磁场的情况下，小尺度磁场的影响。结果表明，小规模的磁场导致淬火的$Λ$效果是温和的比在情况下，也存在一个大规模的领域。在马赫数从0.015到0.8的范围内，压缩性对$Λ$效应的影响可以忽略不计。如果强迫尺度大约是密度尺度高度的两倍，密度分层会引起湍流的显著各向异性和垂直$Λ$效应。
2020-02-17 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Coexisting Tayler instability-driven dynamos in radiative zones: New dynamo solution and its impacts on stellar physics
Université de Genève（日内瓦大学）；Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute)（马克斯·普朗克引力物理研究所（爱因斯坦研究所））；IRAP, Université de Toulouse, CNRS, CNES, UPS（图卢兹大学 IRAP 研究所）；Institut Universitaire de France (IUF)（法国高等研究院）
研究旋转恒星演化模型面临的角动量传输问题，通过三维数值模拟研究泰勒 - 斯普鲁伊特发电机，发现两种共存发电机解决方案，提取相关标度律并约束了产生磁场在星震模式上的特征。
2026-07-21 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Impact of time-dependent non-axisymmetric velocity perturbations on dynamo action of von-Kármán-like flows
我们已经进行了数值模拟的运动诱导方程，以检查发电机效率的轴对称冯卡门流随时间变化的非轴对称速度扰动。数值模型是基于法国冯卡门钠发电机（VKS）的设置和在西班牙潘普洛纳的纳瓦拉大学进行的模型水实验的流量测量。我们的模拟表明，方位漂移流扰动的相互作用与磁本征模的基本漂移（由不可避免的赤道对称性破坏的基本流）基本上确定发电机状态的时间行为。我们发现两个不同的制度的发电机行动，取决于（规定）漂移频率的（$m=2$）涡状流扰动。对于相对缓慢漂移的涡旋，我们观察到一个狭窄的窗口，增强的增长率和漂移的磁本征模是同步的扰动漂移。当涡旋漂移频率大致等于未扰动系统中磁本征模的漂移频率时，增长率发生共振式增强。在这个小窗口之外，与未扰动的情况相比，场的产生受到阻碍，并且磁本征模的场振幅被调制为涡旋漂移频率的大约两倍。共振制度和调制制度之间的突然过渡被确定为一个频谱异常点，其中两个先前独立的模式的本征值（增长率和频率）和本征函数崩溃。
2012-12-10 astro-ph.GA physics.flu-dyn
The importance of bubble deformability for strong drag reduction in bubbly turbulent Taylor-Couette flow
在雷诺数Re = 5 × 10^5 ~ 2 × 10^6范围内，采用静止外圆柱和平均气泡直径约为1 mm的气泡湍流Taylor-Couette（TC）流动，对整体和局部进行了研究。在0%~ 4%的范围内，我们测量了基于整体尺度扭矩作为整体气体体积分数a_global的函数的减阻（DR）。当Re = 5.1 x 10^5时，我们观察到高达7%的中等DR。当Re = 1.0 x 10^6和2.0 x 10^6时，DR明显更强，当Re = 2.0 x 10^6和a_global = 4%时，DR明显超过40%。为了揭示两个明显不同的制度，中度DR和强DR，我们调查的局部液体流动速度和局部气泡的统计，特别是径向气体浓度分布和气泡尺寸分布，为两种不同的情况;在中度DR区域中Re = 5.1 x 10^5，在强DR区域中Re = 1.0 x 10^6，两者均在a_global = 3 +/-0.5%。通过定义和测量局部气泡韦伯数（We）在TC间隙接近IC壁，我们观察到，从中度到强DR政权的交叉大致发生在We ~ 1的交叉。在Re = 1.0 x 10^6的强DR区域中，我们发现We > 1，当接近内壁时达到9（+7，-2）的值，这表明气泡在靠近内壁时会逐渐变形。在Re = 5.1 x 10^5的中等DR区域，我们发现We ~ 1，表明气泡更硬，即使平均气泡直径更大，即1.2（+0.7，-0.1…
2013-05-06 physics.flu-dyn
