Disentangling inertial waves from eddy turbulence in a forced rotating turbulence experiment
我们提出了一个时空分析的统计平稳旋转湍流实验，旨在提取惯性波的签名，并确定它们可以被检测到的尺度和频率。该分析使用两点空间相关的时间傅立叶变换的速度场的时间分辨立体粒子图像测速测量在旋转框架。我们将湍流的各向异性程度量化为频率和空间尺度的函数。我们表明，这种时空相关的各向异性是很好地描述了线性惯性波在大尺度上的色散关系，而较小的尺度主要是由在较大尺度上的流体运动的波的扫描。这种扫掠效应主要是由于湍流的低频准二维分量，这是我们实验的一个突出特征，波动湍流理论没有考虑到这一点。这些结果的相关性的旋转湍流在实验室实验中，这是相关的大多数地球物理和天体物理流量的适度Rossby数的理论提出了质疑。
2015-04-09 physics.flu-dyn
On the strength of the nonlinearity in isotropic turbulence
由纳维-斯托克斯方程控制的湍流显示出向非线性减小的状态发展的趋势。在充分发展的湍流中，这种趋势可以通过将非线性项的方差与在具有相同能量分布的高斯场中测量的相同量的方差进行比较来测量。为了研究这一现象在高雷诺数，直接相互作用近似的一个版本是用来获得一个封闭的表达式的统计平均的均方非线性。的波数谱的均方非线性项的评价和其在惯性范围内的缩放作为雷诺数的函数进行了研究。它的缩放是由充满活力的尺度扫描为主，但这种扫描是弱于随机扫描估计预测。在惯性范围尺度，损耗的非线性波数的函数被观察到是恒定的。在大的，它是观察到的均方非线性大于其高斯估计，这被证明是相关的非高斯性在这些尺度上的应力波动。
2013-08-01 nlin.CD physics.flu-dyn
Sweeping effect and Taylor's hypothesis via correlation function
我们进行了高分辨率的数值模拟的流体动力学湍流和无平均速度（$U_0=0,10$），并证明了清扫效果。对于$U_0=0$，速度关联函数，$C({\bf k},τ)$由于涡动粘性而随时间衰减，但它也显示出由于扫掠效应而产生的波动。对于$U_0=10$，$C({\bf k},τ)$表现出与$U_0 k$的频率和对应于$U_0=0$情况的衰减时间尺度的阻尼振荡。对$\Im[C({\bf k},τ)]$的更仔细检查也证明了$U_0=10$的全面效应。我们还证明了由实空间探测器测量的速度场的频谱分别为$f^{-2}$和$f^{-5/3}$为$U_0=0$和10;这些频谱与拉格朗日和欧拉时空相关。
2017-09-11 nlin.CD physics.flu-dyn
Height-dependence of spatio-temporal spectra of wall-bounded turbulence - LES results and model predictions
本文通过大涡模拟研究壁面湍流时空谱的高度依赖性，验证了基于随机扫描假设的平流模型及解析模型谱，并量化了网格分辨率的影响。
2016-06-08 physics.flu-dyn
Investigating the parametric dependence of the impact of two-way coupling on inertial particle settling in turbulence
本研究针对双向耦合对湍流惯性粒子沉降影响的参数依赖性展开，通过广参数空间模拟明确了低质量载荷下的沉降增强效应，验证了优先扫掠机制的持续作用并揭示了双向耦合的额外流体拖拽效应。
2023-09-14 physics.flu-dyn
A new Eulerian theory of turbulence constrained by random Galilean invariance
我们提出了一个新的欧拉湍流理论，以获得一个封闭的一组方程的均匀，各向同性的湍流速度场的相关性和传播函数，将随机伽利略不变性的约束。这种结合产生了几个不同的传播子方程，本理论提出了一种方法，利用它们的封闭解决方案的两次和单次速度相关方程，以便适当地考虑随机扫描现象。当应用于随机振子的简单模型问题时，本文的理论给出了精确解。
2013-07-09 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Settling and Clustering of Snow Particles in Atmospheric Turbulence
湍流对降雪的影响在目前的天气预报模式中没有考虑。在这里，我们证明了湍流实际上是对降雪速度和空间分布的关键影响。我们考虑三个降雪事件下的大气湍流水平有很大的不同。我们表征的雪颗粒的大小和形态，我们同时成像的速度，加速度和相对浓度超过垂直平面约30平方米的面积。我们发现，顺磁驱动的沉降增强解释否则颗粒尺寸和速度之间的矛盾趋势。Stokes数的估算以及垂向流速与局部浓度的相关性表明，优先扫掠机制是强化沉降的根源。当雪的垂直速度比特征湍流速度大时，交叉轨迹效应导致强烈的加速度。当满足优先扫掠条件时，浓度场高度不均匀，在很大尺度范围内出现聚集现象。这些集群，第一次在自然发生的流中识别，显示在规范设置中看到的签名特征：幂律尺寸分布，分形形状，垂直伸长，以及随集群大小增加的大下降速度。这些研究结果表明，粒子负载湍流的基本现象可以被利用到一个更好的预测了解雪降水和地面积雪。他们还演示了如何环境流量可以用来调查分散的多相流在雷诺数在实验室实验或数值模拟中无法访问。
2020-06-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
How two-way coupling modifies the multiscale preferential sweeping mechanism
对于单向耦合（1 WC）流，Tom & Bragg（J. Fluid Mech.，871，pp. 244-270，2019）推进了Maxey的分析（J. Fluid Mech.，174，pp. 441-465，1987），其适用于弱惯性颗粒，适用于任意惯性的颗粒，并且新的理论结果揭示了不同尺度在导致湍流中增强的颗粒沉降的优先清扫机制中所起的作用。蒙绍-德琼（Phys. Rev. Fluids，2，104302，2017）使用直接数值模拟（DNS）表明，虽然对于低颗粒负载，双向耦合（2 WC）对全局流动统计的影响很弱，但2 WC使颗粒能够将其附近的流体拖下，从而显著增强其沉降，他们认为2 WC抑制了优先扫描机制。我们进一步探讨这一点，考虑2 WC的影响，由不同大小的涡流对颗粒沉降的贡献。与Monchaux和Dejoan的协议，我们表明，即使在低负荷，2 WC强烈增强颗粒沉降，我们展示了2 WC如何修改不同的流量尺度的贡献。然而，与他们的研究相反，我们发现，优惠清扫仍然是重要的2 WC流量。特别地，对于1 WC和2 WC流，由于湍流引起的沉降增强由来自流的应变区域中的颗粒的贡献主导，但是对于2 WC情况，这些区域中的颗粒还将流体与它们一起向下拖曳，导致与1 WC情况相比它们的沉降增强。
2022-02-02 physics.flu-dyn
Residual sweeping effect in turbulent particle pair diffusion in a Lagrangian diffusion model
Thomson，D. J. \& Devenish，B. J. [{ \em J.~流体机械526，277（2005）]和其他人已经提出，在运动学模拟（KS）中，扫掠效应使得拉格朗日性质，Fung等人[Fung J. C. H、亨特·J·C。R.，马利克·N A.帕金斯R. J. { \em}流体机械236，281（1992）]，不可靠。在这里，它是通过一个新的分析的基础上分析的参考帧中的粒子轨迹移动的大能量包含的运动尺度，在湍流对扩散率（$K$）由于清扫效果的归一化综合误差$e^I_K$随着增加对分离（$σ_l$），使$e^I_K\to 0$为$σ_l/η\to \infty$ ;和$e^I_K\to \infty$为$σ_l/η\to 0$。$η$是Kolmogorov湍流微尺度。存在一个中间分离范围$1<σ_l/η< \infty$，其中误差$e^I_K$保持可忽略。使用KS的模拟表明，在扫频参考系中，该中间范围很大，几乎覆盖了整个模拟的惯性子范围$1<σ_l/η< 10^5$，这意味着在KS中观察到的局部偏差因此不能归因于扫频误差，并且可能是真实的。这对于对扩散理论和建模非常重要。
2015-12-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Mechanisms governing the settling velocities and spatial distributions of inertial particles in wall-bounded turbulence
本文采用理论和直接数值模拟方法研究了壁面湍流中惯性颗粒的平均垂直速度和空间分布。该理论基于描述粒子位置和速度的概率密度函数的精确相空间方程。这使我们能够确定控制粒子传输的不同物理机制。然后，我们研究了近壁粒子运动的渐近行为，揭示了与引力沉降时产生的近壁行为的根本差异。当平均垂直颗粒质量通量为零时，由于颗粒优先采样流体速度为正的区域，其与向下的Stokes沉降速度平衡，因此远离壁的平均垂直颗粒速度为零。当平均质量通量为负时，湍流和颗粒惯性的组合效应导致平均垂直颗粒速度可以显著超过Stokes沉降速度多达十倍。在离壁面足够远的地方，垂直速度的增加是由于优先扫掠机制。然而，当颗粒接近壁时，来自优先清扫机制的贡献变得很小，并且来自湍流泳动速度的向下贡献占主导地位。靠近壁面，粒子浓度按幂律增长，但这种幂律的性质取决于粒子的斯托克斯数。最后，我们的研究结果突出了如何Rouse模型的颗粒浓度是有限的惯性颗粒进行修改。
2020-10-06 physics.flu-dyn
Breaking of scale invariance in the time dependence of correlation functions in isotropic and homogeneous turbulence
本文给出了三维不可压缩流中定常、均匀和各向同性湍流统计特性的理论结果。在非微扰重整化群的框架内，我们推导出一个封闭的重整化流方程的通用$n$ -点相关（和响应）功能的大波数相对于逆积分尺度。封闭是从一个受控的扩展，并依赖于扩展的对称性的Navier-Stokes场理论。它产生的流动方程在大波数$|\vec p_i|$，并为任意的时间差$t_i$在稳定状态的确切领先的行为。进一步，我们得到了相应不动点方程的通解形式，从而得到了大波数、小$t_i$和极限$t_i\to \infty$下$n$点关联函数的超前波数和时间依赖性的解析形式.在小$t_i$下，大波数下的主导贡献在数学上等价于$-α(εL)^{2/3}|\sum t_i \vec p_i|^2$，其中$α$是非普适常数，$L$是积分尺度，$\varepsilon$是平均能量注入率。对于2点函数，已知$(t p)^2$依赖性源于扫描效应。导出的公式体现了扫频效应对$n-$点关联函数的推广。在大的波数和大的$t_i$，我们表明，$t_i^2$的依赖性在领先的订单的贡献跨越到一个$|t_i|$的依赖。在此范围内的关联函数的表达式以前没有得到，即使是2点函数。这两种预测都可以在直接数值模拟和实验中进行测试。
2018-05-07 cond-mat.stat-mech hep-th physics.flu-dyn
Suppression and Control of Bipolar Powder Charging by Turbulence
该研究发现壁面约束湍流可抑制粉末双极性静电带电，通过空气动力改变碰撞频率收窄电荷带宽，明确了低斯托克斯数多分散体系的效果及颗粒带电尺寸规律，还揭示了湍流的电荷分离效应。
2024-02-02 physics.flu-dyn
Orientation Dynamics of Sedimenting Anisotropic Particles in Turbulence
我们研究了小的各向异性颗粒（球体）通过均匀的各向同性湍流沉降的动力学，使用直接的数值模拟和理论。重力引起的惯性力矩作用于亚柯尔莫哥洛夫球体导致发音非高斯取向分布局部化的宽边（重力）方向。取向分布和平均沉降速度在很宽的范围内的球体的长宽比，斯托克斯和佛劳德数。模拟的定向力矩与分析预测的惯性快速稳定极限比较好，两者都表现出非单调依赖于球体的纵横比。偏差出现在斯托克斯数的顺序统一由于空间不均匀的颗粒浓度场产生的优先清扫效果，因此，时间平均的颗粒沉降速度超过取向平均的估计。
2020-07-18 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Intermittency suppression in turbulence via forced light particles
University of Rome “Tor Vergata”（罗马托尔维尔加塔大学）；Télécom Paris, IP Paris（巴黎电信学院，巴黎理工学院）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Istituto per le Applicazioni del Calcolo “M. Picone”, Consiglio Nazionale delle Ricerche（意大利国家研究委员会计算应用研究所）
本研究通过强迫轻粒子调制湍流，发现其能有效抑制湍流间歇性，揭示了涡旋纤维与湍流间歇性的关系。
2026-01-29 physics.flu-dyn
Spatio-temporal intermittency of the turbulent energy cascade
在不可压缩和周期性统计稳定湍流中，湍流能量跨尺度和空间的交换的特征在于时间导数项、波动能量的空间湍流传输和压力-速度项在零附近的非常强烈和间歇性的时空波动。这些波动是相互关联的，并与强烈的间歇性波动的尺度间的能量转移率。这些相关性所造成的清扫效果，非线性和非局部性之间的联系，也涉及到两点波动压力力差和两点波动速度差的尺度间传输速率和压力-速度项之间的相关性的情况下的几何对齐。在统计平稳的均匀湍流中，所有这些过程都不存在于湍流级联的时空平均图像中。
2018-07-21 physics.flu-dyn
Suppression of Rayleigh-Taylor turbulence by time-periodic acceleration
通过对Boussinesq方程的直接数值模拟，研究了存在交替时间周期性加速度时Rayleigh-Taylor湍流对流的动力学。在这个框架内，我们发现了一个新的机制的再层化的湍流：交替加速，最初产生一个不断增长的湍流混合层，在较长的时间抑制湍流波动和驱动系统向渐近稳定的配置。量纲参数和线性稳定性理论被用来预测的混合层的宽度在渐近状态作为一个函数的周期的加速度。我们的研究结果提供了一个简单的控制和抑制湍流对流的例子，在不同的领域具有潜在的应用。
2018-07-10 nlin.CD physics.flu-dyn
Turbulence and acoustic waves in compressible flows
在这项工作中，直接数值模拟的可压缩流体方程的湍流制度。研究表明，在低马赫数极限下，多方流动中可能出现三种不同的湍流：近不可压缩（NI）、模态均质可压缩（MEC）和可压缩波（CW）。本文研究了不同强迫条件下这些湍流类型的区别。密度脉动与马赫数的标度、横向速度脉动与纵向速度脉动之比的比较以及脉动的谱分解被用来区分这些解的性质。从时空谱和相关时间的研究，我们量化的波的系统的总能量的贡献。此外，在可压缩流的动力学中，考虑了三个相关时间：尺度间局部相互作用的非线性时间，小尺度上大尺度的扫描时间或非局部时间，以及与声波（声音）相关的时间。我们观察到不同的相关时间取决于波数（k），马赫数和强迫的类型。
2018-10-25 physics.flu-dyn
Correlation function and linear response function of homogeneous isotropic turbulence in the Eulerian and Lagrangian coordinates
通过直接数值模拟（DNS），研究了欧拉坐标系和拉格朗日坐标系下统计稳态、均匀、各向同性湍流速度Fourier模式的关联函数和平均线性响应函数。作为拉格朗日速度，我们在这里采用Kraichnan的拉格朗日历史框架，其中拉格朗日粒子被标记为当前位置，并且它们的速度在之前的某个时间被测量。该拉格朗日速度用称为被动矢量法的方法数值计算。我们的第一个目标是研究欧拉坐标系和拉格朗日坐标系下的关联函数和平均线性响应函数之间的关系。这种关系是已知的是重要的，在分析封闭的方程组的两个功能，这是通过直接相互作用近似型封闭。我们证明了数值波动耗散定理（两个功能之间的比例）不成立。在此基础上，进一步研究了随机背景下平均线性响应函数的一般解析表达式，即非平衡统计力学中的涨落-响应关系。我们的第二个目标是确定与这两个函数相关的特征时间，并比较欧拉坐标和拉格朗日坐标之间的时间。我们的DNS结果支持以下共同观点：欧拉特征时间对于两个函数都具有扫描时间缩放（$\propto k^{-1}$，其中$k$是波数），并且惯性范围内的拉格朗日特征时间对于两个函数都具有柯尔莫哥洛夫时间缩放（$\propto k^{-2/3}$）。
2022-04-28 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Quantification of the strength of inertial waves in a rotating turbulent flow
通过研究周期性盒子中三维数值模拟中各个傅立叶模式的波数、频率能量谱和时间关联函数，定量分析了旋转湍流中波的强度及其对能量级联的影响。从频谱中，我们发现，一个显着的部分的能量集中在波频率$ω\approx 0$的模式，即使当外部强迫注入没有能量直接进入这些模式。然而，对于惯性波的周期$τ_ω$快于翻转时间$τ_\textrm{NL}$的模式，剩余能量的显著部分集中在满足波的色散关系的模式中。没有证据表明，在模式与$τ_ω= τ_\textrm{NL}$的能量积累被观察到，不像什么临界平衡参数预测。从时间关联函数，我们发现，模式与$τ_ω< τ_\textrm{sw}$（与$τ_\textrm{sw}$的扫描时间）的主要去相关时间是波周期，这些模式也表现出较慢的调制的时间尺度$τ_\textrm{NL}$波湍流理论中假设的。其余的模式与扫描时间去相关，包括具有$ω\approx 0$的非常活跃的模式。
2014-02-28 physics.flu-dyn
Multi-Time Multi-Scale Correlation Functions in Hydrodynamic Turbulence
高雷诺数纳维-斯托克斯方程被认为打破了空间和时间特性的自相似性：不同阶数的关联函数表现出不同的去相关时间和异常的空间标度特性。在这里，我们提出了一个系统的尝试来测量多时间和多尺度的相关函数，通过使用高雷诺数的完全均匀和各向同性的湍流的数值模拟。其主要思想是建立一个探测站骑流，即测量相关性的参考系集中在不同的流体粒子的轨迹（准拉格朗日参考系引入Belinicher & L 'vov，Sov. JETP 66，303（1987））。通过这种方式，我们减少了大尺度的扫描和测量的非平凡的时间动态控制的湍流能量转移从大到小的尺度。我们提出了动态多尺度存在的证据：多时间关联函数的特点是由一组无限的特征时间。
2011-03-29 nlin.CD physics.flu-dyn
Experimental study of inertial particles clustering and settling in homogeneous turbulence
我们实验研究的空间分布，沉降，亚Kolmogorov惯性粒子与均匀湍流的相互作用。利用零平均流空气湍流室，我们下降的大小选择的固体颗粒，并在多个分辨率的粒子成像和跟踪测速研究他们的动力学。载流同时测量悬浮示踪剂的粒子图像测速，允许分散相和连续相之间的相互作用的表征。基于泰勒微尺度的湍流雷诺数在$Re_λ\approx 200$ - $500$之间变化，而基于柯尔莫哥洛夫尺度的颗粒斯托克斯数在$St_η = O(1)$和$O(10)$之间变化。聚集被证实是最激烈的$St_η \approx 1$，但它扩展到更大的规模较重的粒子。单个的集群形成了一个自相似的、分形状的物体的层次结构，优先与重力和可以达到湍流整体尺度的大小对齐。值得注意的是，$St_η \approx 1$颗粒的沉降速度可以比静止空气的终极速度大几倍，并且团簇甚至可以更快地下落。这是由于向下的流体波动优先扫过颗粒，我们建议，这种机制是由大尺度和小尺度的湍流的影响。颗粒-流体滑移速度具有较大的方差，颗粒的瞬时雷诺数和阻力系数与其标称值相差很大。最后，对于足够的负载，颗粒通常增大小尺度流体速度波动，然而，这可能占湍流动能的有限部分。
2018-12-10 physics.flu-dyn
The Diffusion Approximation in Turbulent Two-Particle Dispersion
我们解决了流体粒子对统计的逆问题：我们表明，时间序列的概率密度函数（PDF）的分离可以精确地再现通过求解扩散方程与适当的时间依赖性扩散。扩散率张量由条件拉格朗日速度结构函数的时间积分给出，由PDF的比率加权。流体动力学湍流的物理假设（扫描，短记忆，平均场）产生更简单的积分公式，包括一个Kraichnan和Lundgren。我们评估后者使用时空数据库从数值Navier-Stokes解驱动湍流。这种扩散理论再现PDF的以及在均方根分离，但增长率的均方色散是高估由于忽略了记忆效应。更一般的应用，我们的方法勾勒。
2013-06-27 physics.flu-dyn
Spatio-temporal correlations in 3D homogeneous isotropic turbulence
本研究通过直接数值模拟（DNS）分析了三维均匀各向同性湍流中速度场的时空关联函数，发现小时间延迟下的高斯衰减与重整化群（FRG）预测一致，并揭示了速度模量关联在大时间延迟下从高斯到指数衰减的交叉现象。
2021-02-04 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Suppression of small-scale dynamo in time irreversible turbulence
本研究针对传统小尺度磁发电机理论基于时间可逆流动的局限，推广标准模型纳入湍流时间不可逆性，发现微小时间不对称会显著抑制低磁普朗特数下的发电机效应、提高阈值甚至完全抑制磁场生成，并给出磁能增长率与流动参数的关系。
2023-10-25 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Dynamo efficiency with shear in helical turbulence
为了阐明剪切流对产生磁场（发电机效应）的影响，我们研究了磁场不反作用于速度场的运动学极限。通过非微扰纳入剪切螺旋强迫湍流的影响，我们表明，湍流强度和湍流输运系数（湍流粘度，$α$和$β$效果）增强弱剪切，而强烈抑制强剪切。特别地，$β$显示出比$α$效应更强的抑制。我们讨论了其重要的影响发电机效率，即缩放的发电机数量与差分旋转。
2009-07-07 physics.flu-dyn
Optimal Turbulent Transport in Microswimmer Suspensions
微型游泳器悬浮液自组织成复杂的时空流动模式，包括涡格和中尺度湍流。在这里，我们探讨被动示踪剂的运动的后果，基于连续模型的microswimmer速度场。我们观察到两个定性不同的制度区分通过无量纲久保数$K$。在平流强度正好高于湍流过渡时，流场发展非常缓慢（$K \gg 1$），空间涡旋结构导致主要的捕获效应。相反，在湍流状态的深处，更快的动力学（$K \ll 1$）与所谓的扫描假设一致，导致输运性质完全由时间相关性决定。在（$K \approx 1$）之间，我们观察到一个最佳的运输制度，由扩散系数的最大值发出信号。
2022-08-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Turbulence suppression by streamwise-varying wall rotation in pipe flow
对顺向变壁面旋转下的管流湍流进行了直接数值模拟。在低雷诺数条件下，在一定的控制参数下，该控制方法能够实现流动的减阻甚至再层化。两个控制参数，这是速度振幅和波长被认为是。壁面旋转形成一个环形边界层，称为空间斯托克斯层（SSL）。基于SSL的厚度，确定了两种类型的减阻方案。当厚度较低时，SSL充当间隔层，阻挡流体对壁的冲击，从而降低剪切应力。由于速度梯度的增加，外层的流动结构受到的影响较小，并且在流向方向上被拉伸。在SSL内，湍流强度显著减小。当壁厚较大时，形成近壁低速条纹的流向波形。条纹的取向滞后于当地的平均速度的方向在相位和符合当地合成剪应力的方向。近壁流动结构的流向尺度显著减小，导致流动结构的下游发展中断，从而导致阻力降低。此外，还发现要使湍流再层化，需要足够大的SSL厚度和速度幅值。再层化的机理是环形SSL由于旋转效应不断吸收壁面法向应力的能量，从而使湍流自持过程不能维持。对于再层化情形，即使是极大的扰动，层流态也是稳定的，这可能使层流态成为整个系统的唯一不动点。
2022-01-30 physics.flu-dyn
Scalar mixing in non-Markovian homogeneous isotropic synthetic turbulence
Indian Institute of Technology Delhi（印度德里理工学院）
该研究通过合成非马尔可夫湍流场揭示了非马尔可夫性对被动标量混合动态的重要性，发现其在混合统计和标量谱特性上优于马尔可夫场。
2026-01-04 physics.flu-dyn
A generalized k-epsilon model for turbulence modulation in fluid-particle flows
大量的文献资料表明，直径大于湍流积分长度尺度10%的颗粒（$D/l >0.1$）倾向于将载流流体的湍流动能增加到高于单相值，本文提出了一个修正的$k-ε$型唯象模型，该模型具有小颗粒无湍流调制的正确渐近极限，颗粒，并增加较大直径的固体。颗粒动力学理论用于推导由于阻力和附加质量力两者而在颗粒和流体之间交换的功，以适应任何颗粒/流体密度比，包括气泡、液滴和重固体。对于较大的颗粒，我们设计了一个新的模型，涡脱落引起的颗粒之间的滑移和湍流，由于颗粒的惯性。通过渐近分析，得到了湍流调制的简单近似公式。固体颗粒的总体效果是，大直径固体的增强是由于旋涡脱落，而小直径的湍流抑制主要是由于湍流阻力和额外的流体耗散。在$D/l = 0.1$周围从抑制到增强的转变对于大范围的粒子雷诺数和斯托克斯数是一个鲁棒的特征，但是我们不能证明这是一个理论基础上的一般关系。实际上，对于较大直径，气泡和液滴可能根本不显示湍流增强，这是由于防止破碎所需的中等湍流水平，并且颗粒和流体之间的速度差可能因此太低而不能发生涡旋脱落。在该模型的基础上，我们发现，在垂直气流中的固体的一些数据显示非常大的湍流增强，只能是由于重力沉降。
2022-11-08 physics.flu-dyn
Propelled micro-probes in turbulence
本文采用直接数值模拟的方法，沿自推进式点状探针在流动中的漂移轨迹，研究了不可压缩流体速度和被动标量场在发展湍流条件下的时间统计特性。这种探头的特征在于推进速度，其在强度和方向上是固定的;然而，像流动中的血管一样，由于流体流的局部扫掠，它们连续地偏离其预期的路线。这些移动探头记录的时间序列代表了流体流动环境中横断面测量的最简单实现。我们调查的非平凡的组合拉格朗日和欧拉统计特性显示的横断面时间序列。我们表明，由于流动的均匀性和各向同性，探针的单点加速度统计数据在不同的推进速度下遵循可预测的趋势，这一特征也存在于标量时间导数波动中。此外，通过专注于两个时间的统计，我们描述如何拉格朗日欧拉过渡发生在增加推进速度。对时间增量的不稳定性的分析突出了流体速度和被动标量所显示的相反趋势。
2018-04-27 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A suspension of heavy Kolmogorov-size spheres suppresses the inertial cascade in homogeneous and isotropic turbulence
Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University（冲绳科学技术大学院大学）
通过粒子解析直接数值模拟，研究Kolmogorov尺度球形颗粒对均匀各向同性湍流的影响，发现随颗粒惯性增加，能谱从Kolmogorov -5/3标度转变为-1标度，非线性能量传递被强烈抑制。
2026-07-03 physics.flu-dyn
Transition from turbulence-dominated to instability-dominated combustion regime in lean hydrogen-air flames
通过关闭湍流强迫，对贫氢-空气火焰在受迫湍流中的传播进行了复杂化学直接数值模拟。结果表明，湍流衰减引起的燃烧速度U_T（t）的降低在湍流减弱时发生逆转，出现一个U_T（t）峰值，两种情况下的峰值大小和相应的Karlovitz数相似。这些结果（i）归因于层流火焰不稳定性的激活，而层流火焰不稳定性已被强湍流抑制，并且（ii）被认为表明不稳定性仅在足够弱的湍流中才能显著影响U_T。
2023-03-13 physics.flu-dyn
The production of uncertainty in three-dimensional Navier-Stokes turbulence
本研究推导了纳维-斯托克斯湍流中不确定性能量演化方程，通过直接数值模拟发现应变率压缩增加不确定性，并识别出指数增长及后续超指数增长等相似性规律。
2023-10-02 nlin.CD physics.flu-dyn
Small-scale dynamics of settling, bidisperse particles in turbulence
我们使用直接数值模拟（DNS）来研究各向同性湍流中沉降的双分散颗粒的动力学。与以前的研究一致，我们发现，没有重力（即$Fr=\infty$，其中$Fr$是弗劳德数），双分散性导致相对速度的增强，并抑制其空间聚类。对于$Fr<1$，重力方向上的相对速度被双分散颗粒的差异沉降速度所增强，正如所预期的那样。然而，我们也发现，重力可以强烈地增强在“水平”方向上的相对速度（即在垂直于重力的平面中）。这种非平凡行为的发生是因为快速沉降的颗粒沿着其轨迹经历流体速度场的快速波动，导致增强的颗粒加速度和相对速度。事实上，结果表明，即使当$Fr\ll1$，湍流仍然可以发挥重要的作用，不仅在水平运动，而且在垂直运动的颗粒，具有重要意义的理解的混合率的沉降双分散颗粒在湍流。我们还发现，重力大大减少了bidisperse颗粒的聚类。这些结果是惊人的不同的单分散的情况下，最近的结果表明，当$Fr<1$，重力强烈抑制在所有方向上的相对速度，可以增强集群。然后，我们考虑这些结果的影响，在湍流中的沉降，bidisperse颗粒的碰撞率。我们发现，对于$Fr=0.052$，碰撞核几乎完全预测的双分散颗粒在静态流中沉降的碰撞核，这样的湍流的影响可以忽略不计。
2017-09-02 physics.flu-dyn
A framework for studying the effect of compliant surfaces on wall turbulence
本文扩展了McKeon & Sharma（2010）提出的预解式，使其考虑了壁面相互作用的相容性。在此公式下，湍流速度场被表示为传播模式的线性叠加，通过基于增益的纳维-斯托克斯方程分解来识别。顺应性表面，建模为一个复杂的壁导纳连接压力和速度，影响这些模式的增益和结构。用最少的计算，这个框架准确地预测了最近直接数值模拟中观察到的准二维传播波的出现。此外，分析还使合理设计的顺应性的表面，与性能优化，以抑制流动结构充满活力的壁湍流。结果表明，非物理负阻尼的墙壁需要与类似的充满活力的近壁周期，这可以解释为什么以前的研究遇到了有限的成功模式进行有利的相互作用。正阻尼壁对于类似于所谓的超大尺度运动（VLSM）的模式是有效的，这表明顺应性表面可能更适合于在较高雷诺数下的应用。不幸的是，在自然湍流中抑制结构能量的墙壁也被预测在光谱空间的其他地方产生不利影响。与以前的实验和模拟一致，缓慢移动的展向常数结构特别容易受到进一步放大。减轻这些不利影响将是开发对流动具有净积极影响的顺应性涂层的核心。
2015-02-05 physics.flu-dyn
Chaotic Lagrangian models for turbulent relative dispersion
引入并讨论了确定性多尺度动力系统作为稳态、均匀和各向同性湍流中相对弥散的原型模型。与随机扩散模型不同，这里的轨迹传输和混合特性完全由拉格朗日混沌控制。异常的“清扫效果”，一个已知的缺点常见的运动学模拟，被删除由于使用准拉格朗日坐标。通过计算离散度标度特性的最佳度量--拉格朗日尺度李雅普诺夫指数（FSLE），精确地分析了模型的拉格朗日离散统计量。FSLE标度指数提供了一个严格的测试，以确定模型模拟是否与理论预期和/或观察一致。我们的数值实验的结果涵盖了广泛的“雷诺数”，并表明混沌确定性流可以是非常有效的，数值低成本，模型的湍流轨迹在静止，均匀和各向同性条件。该模型的数学计算相对简单，在地球物理方面，潜在的应用可能涉及大气环流模型、混合层和/或边界层湍流模型以及拉格朗日可预测性研究中的小尺度参数化问题。
2017-04-18 nlin.CD physics.flu-dyn
Effects of anisotropy in geostrophic turbulence
本文考虑了具有底部加热的平板层中对流的Boussinesq模型。我们分析了在物理和波空间的快速旋转所造成的各向异性的影响，并证明了抑制能量转移的旋转。我们还研究了非线性相互作用中波三角形的结构。参数的范围是适应在geodynamo的对流模型。
2009-09-01 physics.ao-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Elasto-inertial turbulence
湍流在自然界中是普遍存在的，但即使是像水这样的普通牛顿流体，我们对这种现象的理解也是有限的。然而，许多具有实际重要性的液体更复杂（例如血液、聚合物熔体或油漆），它们表现出弹性和粘性特性，并且应力和应变之间的关系是非线性的。在这里，我们证明了这样的复杂流体的模型系统，在高剪切速率湍流不是简单地修改以前认为，但它被抑制和取代的一种新类型的无序运动，弹性惯性湍流（EIT）。研究发现，EIT发生在比牛顿湍流低得多的雷诺数下，并且动力学性质显着不同。特别是阻力大大减少，所观察到的摩擦缩放解决了非牛顿流体力学中关于所谓的最大减阻渐近线的性质的一个长期存在的难题。理论上的考虑意味着EIT将出现在复杂的流体，如果拉伸粘度足够大。
2012-12-27 physics.flu-dyn
Energy and flux budget closure theory for passive scalar in stably stratified turbulence
针对稳定分层湍流，发展了被动标量（非浮力和非惯性粒子或气体混合物）的能量和通量收支（EFB）封闭理论。EFB湍流闭合的物理背景是基于湍流动能和势能以及动量和浮力的湍流通量以及颗粒的湍流通量的收支方程。EFB湍流闭合是为从中性到非常稳定的分层地球物理流而设计的，它意味着在任何分层处，湍流都是由速度切变维持的。在定常状态下，导出了被动标量的湍流通量和各向异性非对称湍流扩散张量的表达式，并得到了该张量各分量的普适通量理查森数依赖关系。湍流扩散张量在垂直方向上的对角分量被强分层抑制，而在水平方向上的对角分量没有被抑制，并且它们与湍流扩散张量的其他分量相比是占主导地位的。这意味着，任何最初创建的强烈不均匀的粒子云演变成一个薄煎饼在水平面上的垂直方向上的厚度非常缓慢的增加。湍流Schmidt数随梯度理查森数线性增加。考虑到这些结果的应用程序的大气边界层湍流，理论关系推导出允许确定的湍流扩散张量作为一个函数的垂直坐标测量的单位的地方Obukhov长度尺度。所得到的关系式在模拟大气边界层湍流和自由大气湍流中的颗粒弥散方面具有潜在的应用价值。
2021-06-02 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Effect of particle inertia on the turbulence in a suspension
基于修正的纳维-斯托克斯方程，提出了一种适用于粘性流动稀悬浮液的单流体分析模型，该模型包含了与$k$相关的悬浮液有效密度$ρ_ {eff}(k)$和附加的阻尼项$\propto γ_ p(k)$，该阻尼项代表流体-颗粒摩擦力（由Stokes定律描述）。湍流模型内的统计描述简化的修改通常的封闭程序的基础上的Richardson-Kolmogorov图片的湍流与能量传递项的微分近似。由此产生的常微分方程的能量预算解决解析各种重要的限制情况下，在一般情况下，数值。在惯性尺度范围内，我们解析地描述了两种相互竞争的效应：由于流体粒子摩擦引起的能量抑制和由于小尺度运动的有效密度降低引起的级联过程中的能量增强。由于流体-颗粒摩擦和悬浮液的运动粘度降低的组合效应，惯性间隔的范围的变化引起的，在粘性子范围内可能发生能量密度的附加抑制或增强。这些影响的复杂的相互作用的数值计算支持的分析描述。我们的研究结果可以合理化的各向同性均匀湍流的稀释悬浮液中观察到的直接数值模拟的定性图片。
2003-02-04 nlin.CD 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
