Logarithmic boundary layers in highly turbulent Taylor-Couette flow
我们提供了直接测量的边界层特性在高度湍流泰勒-库埃特流高达$\text{Ta}=6.2 \times 10^{12}$使用高分辨率粒子图像测速仪（PIV）。我们发现，在内部和外部圆柱的平均方位角速度分布可以拟合的von卡门对数定律$u^+ = \frac 1κ\ln y^+ +B$。冯卡门常数$κ$被发现依赖于驱动强度$\text{Ta}$和大$\text{Ta}$渐近方法$κ\approx 0.40$。局部方位角速度的方差分布在$y^+ \approx 12$附近具有一个通用峰值，并且当用驱动速度（而不是摩擦速度）重新缩放时会崩溃，显示出$y^+$的对数依赖性，这也适用于通道和管道流[1，2]。
2013-02-25 physics.flu-dyn
Universality of the turbulent velocity profile
近一个世纪以来，平行流中平均速度剖面的普遍对数特性一直是湍流流体力学及其教学的支柱。然而，许多实验和数值模拟并不非常适合它，对数定律是否确实是普遍的问题不断出现在讨论和写作中。为了证实或否定对数律，并准确地估计决定对数律的系数，在世界不同地区进行了大量的实验。我们发现，不同几何形状（圆形或平面）的流动之间的差异，以及这些流动与对数律之间的差异，都可以归因于压力梯度的影响。当这种效果占在一个高阶扰动的形式，普遍的协议和令人满意的简单配方被回收。
2016-12-21 physics.flu-dyn
Saddle-node bifurcation during the relaminarization of turbulent puffs in pipe
本研究通过直接数值模拟发现管道中湍流塞最终再层化阶段受鞍结分岔序列控制，揭示了临界点湮灭的普适平方根标度律，并提出Riccati方程作为建模该分岔的直接方法。
2025-08-12 physics.flu-dyn
Bulk flow scaling for turbulent channel and pipe flows
我们报告了一个理论推导体流标度规范壁有界流动。该理论通过大尺度能量长度的变分计算来解释边界几何形状（平板通道与圆管）的对称性，该能量长度通过简单指数来表征其整体流标度，即通道为$m=4$，管道为5。预测的平均速度显示出良好的协议与几十套质量的经验数据为一个广泛的雷诺数（Re），与通用的整体流量常数$κ\approx0.45$。散逸和湍流输运的预测，在整体流，等待数据验证。
2016-06-01 physics.flu-dyn
A foundation for analytical developments in the logarithmic region of turbulent channels
本文提出了一种研究湍流通道对数区的分析框架。我们基于最近的发现（Moarref et al.，流体力学杂志，734，2013），对数区域中的速度波动可以被分解成几何自相似预解模式的加权和。预解模式和权重分别表示纳维-斯托克斯方程（NSE）中的线性放大机制和非线性相互作用的缩放影响（McKeon & Sharma，J. Fluid Mech.，658，2010）。该框架来源于NSE，为Townsend的附着涡模型提供了分析支持。我们的主要结果是，自相似性，使降阶建模的对数区域建立一个定量的自相似结构和速度谱之间的联系。具体地说，能量强度，雷诺应力，和能量预算表示的预解模式与速度对应的对数区域的顶部。三元组模式的权重-通过NSE中的二次非线性直接相互作用的模式-通过仅取决于预解模式的相互作用系数耦合（McKeon等人，Phys. Fluids，25，2013）。我们使用的自相似模式在对数区域的层次扩展的概念，三元组模式的三元组层次。结果表明，属于一个三元系的三元模的相互作用系数遵循指数函数。这些发现的结合可以用来更好地理解在对数区域的流动结构的动力学和相互作用。所提出的模型与理论和实验结果的兼容性进一步讨论。
2014-09-21 physics.flu-dyn
Turbulent dynamics of pipe flow captured in a reduced model: puff relaminarisation and localised `edge' states
通过长管道的流动的完全三维计算需要大量的自由度，使得探索参数空间非常昂贵，并且难以隔离底层动力学的结构。因此，我们引入一个管流的“2+ 1”维模型，它是轴对称情况的最小三维化：只保留了方位角加方位角位移的正弦变化，但发现了与实验相似的动力学。特别是，该模型保留了完全分辨的管流的亚临界动力学，捕获了现实的局部“喷”状结构，这些结构在长时间后会突然衰减，以及全球性的“鼻涕虫”湍流。重新层化统计的泡芙重现管流的记忆功能，并表示存在的雷诺数的寿命迅速发散，只要管足够长。指数发散的寿命是普遍存在于较短的周期域。在短管道中，在层流和湍流边界上的流动轨迹附近找到了精确的行波解。在长管中，层流-湍流边界上的吸引态是一个局部结构，类似于光滑的粉扑。即使雷诺数的湍流状态是全球性的，这种“边缘”状态仍然是局部的。
2008-10-13 physics.flu-dyn
Speed and structure of turbulent fronts in pipe flow
采用广泛的直接数值模拟，研究了雷诺数介于$Re=2000$和$5500$之间的管流层流湍流锋面的动力学。在这里，我们调查的物理区别弱和强段塞的前都通过分析湍流的动能预算，并通过比较的下游前运动的平流速度散装湍流结构。我们的研究表明，弱下游锋的速度比湍流结构的散装和对应的衰减湍流在前面。在$Re\simeq 2900$，下游锋速度变得比平流速度快，标志着强锋的开始。与弱锋面相反，湍流涡旋是在强锋面上通过对下游层流的馈送而产生的。我们的研究还表明，在下游层流湍流锋的生产和耗散的时间波动驱动的动态开关之间的两种类型的前观察到$Re\simeq 3200$。
2017-01-05 physics.flu-dyn
Large-eddy simulation study of the logarithmic law for second and higher-order moments in turbulent wall-bounded flow
湍流边界层中平均速度的对数律长期以来为与壁面湍流的理论、模型和大涡模拟（LES）进行比较提供了有价值的和可靠的参考。最近，对高雷诺数实验边界层数据的分析表明，流向速度波动的方差和高阶矩$u'^{+}$也显示对数律。这样的实验观察激发了一个问题，即LES是否可以准确地再现方差和高阶矩，特别是它们对到壁的距离的对数依赖性。在这项研究中，我们进行LES的非常高的雷诺数壁面模拟通道流，并专注于配置文件的方差和高阶矩的流向速度波动。与实验数据一致，我们观察到LES中的方差近似对数律，“Townsend-Perry”常数为$A_1\approx 1.25$。LES也产生近似对数律的流向速度的高阶矩。良好的协议之间发现$A_p$，广义“汤森佩里”常数的时刻顺序$2p$，从实验和模拟。两者都表明流向速度波动的亚高斯行为。近壁行为的方差，对数律的有效性的范围，特别是可能的依赖性特征长度尺度，如粗糙度尺度$z_0$，LES网格尺度$Δ$，和亚网格尺度（SGS）混合长度$C_sΔ$进行检查。我们还提出了LES结果的时刻展向和壁正常波动的速度。
2014-09-03 physics.flu-dyn
A multi-layer model for turbulent kinetic energy in pipe flows
利用作者最近的结果，发展了一个能量长度函数的多层模型。该理论预测完整的，平均流向湍流动能剖面（MKP），在很宽的雷诺数（Re）范围内的经验数据吻合得很好。特别地，预测了临界$Re_τ$，超过该临界$Re_τ$，出现标度异常，并且MKP发展第二个峰。
2012-09-23 physics.flu-dyn
Logarithmic temperature profiles in turbulent Rayleigh-Bénard convection
本文报道了纵横比为$Γ\equiv D/L = 0.50$（$D$和$L$分别为直径和高度）的圆柱形样品内部湍流瑞利-贝纳德对流（RBC）的温度分布。给出了普朗特数$\Pra \simeq 0.8$在瑞利数范围$4\times 10^{12} \alt Ra \alt 10^{15}$内的实验结果和$\Pra = 0.7$在$Ra = 2 \times 10^{12}$上的直接数值模拟结果。我们发现温度随$A*ln(z/L) + B$变化，其中$z$是到底部或顶部板的距离。这是在经典的情况下，以及在RBC的最终状态。从DNS我们发现，$A$在经典状态下的径向方向上的减少，从侧壁的距离增加，并变得很小的样品中心附近。
2012-04-29 physics.flu-dyn
Dynamics of propagating turbulent pipe flow structures. Part II: Relaminarization
本文研究了由Karhunen-Lo`eve分解确定的湍流管流向层流逆转变过程中传播结构的动力学行为。湍流数据是通过直接数值模拟生成的，该数值模拟从完全湍流雷诺数Re_τ=150开始，然后缓慢降低直至Re_τ=95。在此低雷诺数下，高频模式首先衰减，只留下衰减的流向涡。流动经历一个chugging现象，在那里它开始重新层化和平均速度增加。其余的传播模式，然后不稳定的流向涡，重建的能量谱，并最终流恢复其湍流状态。我们的结果捕获三个chugging周期之前，流完全relaminarizes。存在于外层的高频模式首先衰减，建立在壁约束湍流的自持机制的外部区域的重要性。
2007-01-23 physics.flu-dyn
Revisiting the quest for a universal log-law and the role of pressure gradient in "canonical" wall-bounded turbulent flows
随着新的和更可靠的实验数据的出现，由零压力梯度湍流边界层（缩写为ZPG TBL）、湍流管流和槽道/管道流组成的所谓“规范”壁界湍流的三位一体一直受到人们的密切关注。然而，关于平均速度剖面的对数部分，特别是卡门常数$κ$，对于这三种典型流动是相同的还是依赖于流动的争论仍在进行中。在本文中，扩展了Monkewitz和Nagib（第24届ICTAM会议，Montreal，2016），在对数律和中心线/自由流速度表达式中相等的$κ$的渐近匹配要求被重申，并被证明排除了三种正则流中的单一普适对数律，或至少使其非常不可能。目前对ZPG TBL、普林斯顿“超级管道”以及通道和管道中的高质量平均速度剖面的重新分析，导致对管道和通道中两个对数区域的（几乎）所有看似矛盾的数据解释的连贯描述：具有与ZPG TBL，特别是$κ_{\mathrm{wall}} \cong 0.384$中相同参数的通用内部近壁对数区域，但仅从$150$周围延伸到$10^3$壁单元周围，并且随着压力梯度的增加而收缩，随后是具有与相应自由流或中心线速度的对数斜率匹配的流动比$κ$的外部对数区域。在通道和管道的外部对数区域的对数律参数示出单调依赖于压力梯度。
2017-02-16 physics.flu-dyn
Large-eddy simulation of turbulent separated and reattached flow in enlarged annular pipe
本文对环形扩径管内湍流分离与再附流动进行了大涡模拟。涡环周期性地从突扩部脱落。在涡环周围产生纵向涡，使流动成为三维的。结果，涡环在下游变得不稳定并分裂成小涡。在再附着点下游靠近内管侧壁面处出现管状纵向涡结构。在每个管径比处发生低频波动。管径比越小，小尺度涡和低频脉动对流场的影响越明显。管径比越小，再附着点下游的压力恢复越慢。与外管侧相比，内管侧的压力恢复延迟。由于涡环崩溃产生的小尺度涡，在再附着点的上游湍流最大。该最大值随着管道直径比的减小而减小。管径比越小，再附着点下游的湍流度越高。
2022-06-20 physics.flu-dyn
Revealing the state space of turbulent pipe flow by symmetry reduction
本文将对称性约化方法应用于管流中，以商化湍流态的流向平移对称性和方位旋转对称性。在简化的状态空间中，所有的行波解都简化为平衡态，所有的相对周期轨道都简化为周期轨道。这些解决方案和他们的不稳定的流形从他们的$\infty$维简化状态空间到适当选择的2-或3-维子空间的投影揭示了他们的相互关系和他们在组织湍流壁有界剪切流中发挥的作用。可视化的切片内的流动和其在平衡的线性化，使我们能够跟踪出不稳定的流形，确定密切递归，确定不同的行波解之间的连接，并发现，第一次为管流，相对周期性的轨道，嵌入在混沌吸引子，捕获湍流动力学在过渡雷诺数。
2012-03-16 physics.flu-dyn
Does the flow in the viscous and logarithmic sublayers depend on the outer parameters of near-wall turbulence? How can we find the answer?
Institute of Mechanics, Lomonosov Moscow State University（莫斯科国立大学力学研究所）
本文研究半空间内沿无限平面的湍流，提出基于谱方法的数值算法，旨在探究粘性与对数子层流动是否独立于近壁湍流外部参数。
2026-08-25 physics.flu-dyn
Measurement of local dissipation scales in turbulent pipe flow
局部耗散尺度是湍流间歇性小尺度性质的一种表现。本文首次对雷诺数为2.4x10^4<=Re_D<=7.0x10^4的圆管湍流中的局部耗散尺度分布进行了实验研究。我们的测量在近各向同性管中心线和各向异性对数层内显示出良好的协议与分布，以前计算的均匀各向同性盒湍流的数值模拟和理论预测。报道的结果表明，最小尺度波动的经典Kolmogorov耗散长度周围的普遍性。
2009-06-29 physics.flu-dyn
On the missing link between pressure drop, viscous dissipation and the turbulent energy spectrum
我们提出了令人信服的证据之间的直接联系的压力降，粘性耗散，和湍流能量谱。我们用这一发现来解释Nikuradse的实验结果的压力降的湍流在粗糙的管道，在一个修改后的Kolmogorov长度尺度，随表面粗糙度。此外，我们使用劳弗的测量湍流能谱在管流计算-一个很好的近似-湍流分量的压降直接从平均湍流能谱。我们还表明，不可压缩性假设，导致的结论是，在充分发展的（层流和湍流）管流的粘性耗散，不能通过粘性加热增加流体的温度。
2021-04-25 physics.flu-dyn
Dynamics of propagating turbulent pipe flow structures. Part I: Effect of drag reduction by spanwise wall oscillation
本文给出了基于紊流管流的Karhunen-Loève展开式和壁面展向振动减阻紊流管流的比较分析结果。湍流通过雷诺数$Re_τ= 150$下的直接数值模拟产生。壁面展向振动作为速度边界条件施加，振幅为$A^+ = 20$，周期为$T^+ = 50$。当流动由恒定压力梯度驱动时，壁面振荡导致平均速度增加27%。雷诺应力和均方根速度的峰值远离壁面，湍流吸引子的Karhunen-Loève维数从2453减小到102。相干涡度结构被推离壁面进入更高速度的流中，导致它们的平流速度增加34%，如由正常速度轨迹所确定的。这种平流速度的增加使得传播波与滚转模式相互作用的时间更少。这导致更少的能量传递和传播结构的更短的寿命，并且因此导致更少的雷诺应力产生，这导致阻力减小。
2007-01-23 physics.flu-dyn
How does flow in a pipe become turbulent?
管流中向湍流的过渡不遵循瑞利-贝纳德或泰勒-库埃特流中熟悉的情况，因为层流剖面在所有雷诺数下都是稳定的，不受无穷小扰动的影响。此外，即使当流速足够高并且扰动足够强使得建立湍流时，它也可以返回到层流状态而没有任何即将衰减的指示。在此参数范围内，扰动的寿命表现出对初始条件的敏感依赖性和指数分布。湍流似乎是由三维行波的支持，出现在流场中的瞬态。层流和湍流动力学之间的边界是由不变的混沌状态的稳定流形形成的。我们还将讨论在短期内，定期连续域的观测之间的关系，并在充分扩展喷流的动态。
2007-09-20 physics.flu-dyn
Persistence of large scale coherent structures in a turbulent pipe flow through an improved lattice Boltzmann approach
本研究采用展开至六阶埃尔米特多项式的多重弛豫时间格子玻尔兹曼方法模拟湍流管流，发现大尺度强迫的记忆效应不影响单点统计，且拓扑模态转变随时间滞后呈现马尔可夫到非马尔可夫的变化。
2024-05-20 physics.flu-dyn
Top-Down Model of Limescale Formation in Turbulent Pipe Flows
我们调查碳酸钙垢形成在高雷诺数在大型管道钻机设施。碳酸钙溶液由在T形接头入口处注入pH稳定的碳酸钠和氯化钙水溶液产生。沿着管道的沉积质量的扫描电子显微镜分析表明，在离子-离子晶体生长的初始瞬态制度后，碳酸钙垢主要由颗粒沉积。虽然水垢形成的区域，更接近管道的入口可以被描述为非均质表面成核的湍流扩散驱动的钙和碳酸根离子，我们依靠turbophoresis现象设计一个特别简单的动力学模型沉积在更远的下游区域。让$Φ$和$R$分别为流速和管道半径，每单位时间和单位面积的质量沉积速率被预测为$Φ^α/ R^β$（对于$α$和$β$参数的某些建模值），并得到我们实验的暗示支持。
2021-07-23 physics.flu-dyn
Drag reduction induced by superhydrophobic surfaces in turbulent pipe flow
在湍流管流中研究了超疏水表面的减阻作用。润湿的超疏水表面被示出为在其粗糙度中捕获气泡。这阻止了液体与该位置的壁直接接触，从而允许流动滑过气泡。我们考虑一个明确的纹理与流向槽的墙壁中的气体预计将被截留。这种配置是模拟交替无滑移和无剪切边界条件的墙壁。相对于经典的湍流管流，观察到显著的减阻，其强烈地取决于凹槽的尺寸和固体分数，即固体壁表面与管的圆周的总表面之间的比率。阻力减小是由于在固定压降下壁面处的平均滑移速度增加了流速。强化的边界条件也会产生特殊的湍流结构，这反而会降低流速。这两个并发的影响提供了一个整体的流量增加，通过平均轴向动量平衡证明。该方程提供了平均压力梯度、雷诺应力、平均流速和平均滑移速度贡献之间的平衡。
2018-09-24 physics.flu-dyn
Hopf fibrations for turbulent pipe flows
我们提出了一个推广的霍普夫纤维化商的流向平移对称性的湍流管流视为动力系统。特别是，我们利用相关联的高维状态空间，这是一个主要的纤维丛的几何结构。本文研究了与束中轨道动力学相位有关的同动帧速度$U_{d}$与泰勒假设之间的关系。作为一个应用，激光诱导荧光技术被用来捕捉平面荧光染料浓度场跟踪湍流管流在散装雷诺数$\mathfrak{\mathsf{Re}}=3200$。对实验数据的对称约化分析表明，染料浓度猝发的速度$u$与纤维束中相应轨道的动力学和几何相位有关。特别是，在简化的框架中，我们揭示了被动标量结构的模式变化动力学，这解释了观测到的速度$u\approx U_{d}+U_{g}$的强烈爆发事件的几何相速度$U_{g}\approx0.43U_{d}$与轨道的捆绑。
2014-07-30 physics.flu-dyn
Karman constant and accurate mean flow prediction in a turbulent pipe
卡门常数κ--广泛用于大气科学和工程湍流模型中，由Prandtl在1925年和von Karman在1930年提出，用于描述湍流壁面边界流的平均速度--导致在壁面附近的重叠区域中的对数分布。80多年来，它的价值被认为是~0.41。但最近，许多人认为它不是一个常数，因为不同流量和不同雷诺数（Re）下的测量变化。在这里，一个多层的分析理论，导致重新解释的κ作为一个整体常数的重叠区和外流，并产生一个新的方法来测量。对于通道和管道，新确定的值均为0.45。结果表明，这个新的κ，连同其他壁常数，产生99%的准确度在预测平均速度数据在所有点在高Re（高达40万）管流。该理论还描述了有限Re效应，并在摩擦Re（即Re_τ）=5000处发现了相变。本文提出了一个精确的管道和槽道湍流输运的预测模型，该模型适用于广泛的一类湍流。
2011-12-30 physics.flu-dyn
Multi-fidelity uncertainty quantification of particle deposition in turbulent pipe flow
本文提出一种基于多保真度蒙特卡洛的框架，结合直接数值模拟与一维欧拉低阶模型，量化湍流管道流中粒子沉积的不确定性，发现沉积对静电相互作用最敏感且中等尺寸粒子不确定性最大。
2022-05-10 physics.flu-dyn
Steady streamwise transpiration control in turbulent pipe flow
本文研究了应用于管流的低幅和高幅定常流向壁面发汗的主要特性。在中等湍流雷诺数下，通过直接数值模拟研究了振幅和波数两个发汗参数对流动的影响。的行为的三个确定的机制，在流中的行为：修改雷诺剪切应力，稳定的流和生成的非零平均流向梯度，已被链接到蒸腾参数。所观察到的趋势允许识别能够分别使总流速降低或增加-36.1%和19.3%的壁面蒸发配置。已进行了预解式分析，以获得由蒸腾引起的流动结构的重组的描述。
2016-06-15 physics.flu-dyn
Stochastic Model of Organizational State Transitions in a Turbulent Pipe Flow
湍流管流表现出组织状态（OS），标记的离散方位波数模式，并让人想起低雷诺数制度的行波解决方案。的离散时间演化的OS，通过立体粒子图像测速，所示的非马尔可夫数据采集进行结构分辨采样率。特别是，适当定义的时间-关联函数的OS过渡观察到有趣的幂律衰减，到一个大涡的时间范围内，超过这一点，他们以更快的速度去相关。我们能够建立，依赖于概率描述的创建和湮灭的流向条纹，一个较低级别的{ \it{Markovian} }模型的OS过渡，再现其时间相关的行为与有意义的准确性。这些研究结果表明，在统计相关的数据包的准流向涡结构沿管道分布的OS。
2023-01-13 physics.flu-dyn
Relative periodic orbits form the backbone of turbulent pipe flow
低维系统的混沌动力学，如洛伦兹流或罗斯勒流，是由它们的奇异吸引子中嵌入的无穷多个周期轨道引导的。对于纳维-斯托克斯方程的无限维动力学是否也是这种情况，人们一直在猜测，这是一个正在进行的研究课题。周期解和相对周期解已被证明参与了向湍流的转变。它们与湍流动力学的相关性-特别是，周期轨道在高维非线性系统中是否起着与在低维系统中同样的作用，如纳维-斯托克斯方程-是本研究的重点。我们在这里进行了详细的研究管流的相对周期轨道的能量和平均耗散接近湍流值。我们概述了几种方法来减少系统的平移对称性。我们研究管流在一个最小的计算单元，并报告一个图书馆的不变的解决方案，发现与援助的方法切片。这些解决方案的样本的不稳定流形的详细研究是一致的图片，即相对周期轨道嵌入在混沌鞍，他们引导湍流动力学。
2017-08-03 physics.flu-dyn
Relaminarization of turbulent puffs in pipe flow
本研究通过直接数值模拟分析了管流中湍流团块的再层流化过程，发现流向速度波动总能量呈指数衰减，且后缘界面存在鞍点-结点对碰撞消失现象，其距离随时间呈平方根标度。
2025-09-16 physics.flu-dyn
The late start of the mean velocity overlap layer at $y^+=\mathcal{O}(10^3)$ -- A generic feature of ducted turbulent flows
普林斯顿超级管道的一个关键观测结果是在$10^3$内部单位数量级的壁距处对数平均速度重叠层开始较晚。在零压力梯度湍流边界层中重叠层的起始点$y^+\approx 150$和$y^+\approx 10^3$之间，超级管道剖面同样可以用幂律或对数律模拟，其斜率比重叠层中的大。本文指出，平面槽道紊流中的平均速度剖面具有类似的特性，即在$y^+_{\mathrm{break}}\approx 600$处对数斜率突然减小（$κ$增加），这标志着实际重叠层的开始。这种演示的结果从第一次建设的完整的内部和外部渐近展开为了$\mathcal{O}(\mathrm{Re}_τ)^{-1}$从平均速度配置文件的直接数值模拟（DNS）在中等雷诺数。另一方面，库埃特流DNS的初步分析产生在$y^+_{\mathrm{break}}\approx 400$处对数斜率的增加（$κ$的减小）。斜率变化的符号和流动对称性之间的相关性激发了这样的假设，即可能通用的短内对数区域和实际重叠对数律之间的断点对应于源自相对壁的大尺度湍流结构的穿透深度。
2020-05-05 physics.flu-dyn
A critical layer model for turbulent pipe flow
基于模型的描述湍流管流中的湍流波动的缩放和径向位置，并用于照亮非常大的尺度运动的缩放行为。该模型是通过处理的扰动方程（涉及雷诺应力）作为一个未知的强迫，产生的速度场响应和这种非线性之间的线性关系的非线性。我们不假设小的扰动。我们检查传播模式，允许我们的结果与实验数据进行比较，并确定了稳定的组成部分的速度场，只在壁法线方向的湍流平均轮廓的变化。“最佳”强迫形状，给出了最大的速度响应，被假定为导致模式，将占主导地位，因此在湍流管流中观察。在一个给定的波数-频率组合的最放大的速度响应的调查揭示了临界层状的行为，让人想起中性稳定的解决方案的Orr-索末菲方程在线性不稳定流。在流动中，粘度的影响变得重要的两个不同的区域可以被识别，即与$R^{+1/2}$成比例的壁层和与管流中的$R^{+2/3}$成比例的临界层，其中传播速度等于局部平均速度。这个框架似乎是一致的几个缩放结果在壁湍流，并揭示了一种机制，通过这种机制，粘度的影响可以远远超出壁附近。
2010-01-18 physics.flu-dyn
Detecting Turbulent Patterns in Particulate Pipe Flow by Streak Angle Visualization
本文提出一种基于低成本激光与相机装置的条纹角可视化方法，用于在低颗粒浓度下检测颗粒管流中的层流、过渡流和湍流模式，并利用条纹角统计分布和Kullback-Leibler散度识别临界雷诺数，为实验室及工业多相流表征提供了新途径。
2025-01-03 physics.flu-dyn
The vanishing of strong turbulent fronts in bent pipes
过渡直管中的孤立湍流补丁由其上游前缘的强烈不稳定性维持，其中湍流动能（TKE）的产生比核心高五倍。本文提出的直接数值模拟表明，没有证据表明，如果管道弯曲，这种强锋。我们研究了在几个亚临界雷诺数下，管环直径比为$δ= D/d = 0.01$的环形管道中的泡芙和段塞的时间和空间演化。结果表明，TKE生产的上游超调量最多是核心值的1.5倍，并且如果与直管相比，则前部的平均横流波动最多低三倍，同时在核心中获得类似的值。局部湍流可以通过平均流的面内Dean运动对湍流波动和旋涡结构进行重新分布，在较小的能量下维持。这种不对称性决定了TKE生产在外部弯曲附近的强烈局部化，其中线性和非线性机制最佳地放大扰动。我们进一步观察到的雷诺数的范围内的长寿命的间歇性湍流，与文献中的实验数据一致的大幅减少。此外，在所考虑的参数范围内，没有通过分裂检测到斑点成核的发生。基于目前的研究结果，我们认为，这种机制逐渐成为边缘的管道的曲率增加和过渡方案接近从亚临界到超临界的动态切换。
2019-02-06 physics.flu-dyn
Laminar-to-Turbulent Transition of Yield-Stress Fluids in Pipe and Channel Flows
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）
本研究通过DNS揭示了Herschel-Bulkley流体在管道和通道中从层流到湍流转变的完整机制，明确了屈服应力在转变过程中的作用。
2026-03-11 physics.flu-dyn
Experimental and Numerical Investigation of Turbulent Jets Issuing Through a Realistic Pipeline Geometry: Asymmetry Effects for Air, Helium, and Hydrogen
本文通过实验和数值模拟研究了实际管道中湍流射流的弥散特性。研究了射流密度和雷诺数对垂直浮力射流的影响，当它们从圆管侧壁通过圆孔时。同时采用粒子图像测速技术（PIV）和平面激光诱导荧光（PLIF）技术，以提供时间平均的流速和浓度场。大涡模拟（LES）被应用于提供关于空气、氦气和氢气射流的三维性的进一步细节。这些真实的射流总是不对称的，并发现围绕垂直轴偏转。这种偏转受到浮力的影响，较重的气体比较轻的气体偏转得更多。在近场也观察到显著的湍流混合。因此，与圆形射流相比，真实射流经历了更快的速度衰减和不对称射流扩散。这些研究结果表明，传统的圆形射流假设，在某种程度上，不足以预测气体浓度，夹带率，因此，实际气体泄漏的可燃性包络线的程度。
2017-12-08 physics.flu-dyn
Turbulent pipe flow with spherical particles: drag as a function of particle size and volume fraction
针对含中性浮力球形颗粒的湍流管道流动，研究结合MRV和DNS技术探究了颗粒尺寸与流量对压力降、整体阻力及颗粒分布的影响，并构建了一条比传统修正粘度方法更准确的阻力变化主曲线。
2024-11-15 physics.flu-dyn
Coherent structures in localised and global pipe turbulence
最近在管流中发现的不稳定行波（TW）被誉为一个重大突破，希望他们填充湍流吸引子。我们证实了存在的相干态与内部的快速和缓慢条纹相称的结构和能量与已知的TW在一个长管道中使用数值模拟。然而，这些只发生在低雷诺数（Re=2000-2400）时（局部）“喷流”湍流的低能量区域内，而在Re=2800时（均匀）“段塞”湍流中根本不发生。这强烈表明，所有目前已知的TW坐在层流和湍流状态之间的相空间的中间区域，而不是被嵌入在湍流吸引子本身。具有强烈减速核心的新相干快条纹态似乎取代了湍流吸引子。
2008-02-20 physics.flu-dyn
One-point statistics for turbulent pipe flow up to $Re_τ \approx 6000$
本文用直接数值模拟方法（DNS）求解纳维-斯托克斯方程，研究了光滑直管中的湍流流动，圆管截面为$Re_τ \approx 6000$。DNS结果突出了与普朗特摩擦定律的系统偏差，约为$2\%$，在极端雷诺数下可外推至约$4\%$。DNS摩擦系数的数据拟合产生了一个估计的冯卡门常数$k \approx 0.387$，它很好地符合平均速度的配置文件，并支持规范的壁有界流动的普遍性。相同的常数也适用于管道中心线速度，从而为极端雷诺数下管流的渐近状态应该是塞流的主张提供了支持。在仔细检查的雷诺数下，没有发现轴向速度方差内峰对数增长饱和的证据。尽管在我们的DNS中没有直接出现速度方差的外峰，但我们提供了强有力的证据，表明它应该出现在$Re_τ \gtrsim 10^4$，这是由于外壁层的大部分湍流产生超过耗散的结果，从而使经典的均衡假设失效。
2021-06-21 physics.flu-dyn
Experimental investigation of laminar turbulent intermittency in pipe flow
在剪切流中，湍流首先以被层流包围的局部结构（喷/点）的形式出现。我们在这里调查这种空间上的间歇性流动的管道实验表明，湍流泡芙有一个明确的相互作用的距离，它设置的最小间距泡芙以及最大可观察到的湍流分数。这里采用了两种方法。从层流开始，可以通过局部喷射流体射流穿过管壁来产生抽吸。当扰动周期性地施加在低频率，如预期的那样，观察到一个规则的序列的喷烟，其中喷烟间距是由平均流速的比值扰动频率。另一方面，在大频率下，发现喷流相互作用并相互湮灭。改变扰动频率，可以确定相互作用距离。在第二组实验中，雷诺数突然从充分发展的湍流降低到间歇状态，由此产生的流动重新组织成一系列恒定尺寸的喷流，这些喷流与Couette和Taylor Couette流动不同，是随机间隔的。湍流斑之间的最小距离与喷烟相互作用长度相同。在平面Couette和Taylor-Couette流动中，烟团相互作用长度与规则条纹和螺旋图案的波长非常一致。我们建议，相同的相互作用机制是存在于这些流量。
2011-03-31 physics.flu-dyn
Bayesian minimisation of energy consumption in turbulent pipe flow via unsteady driving
针对湍流管道流动的能量损耗问题，提出基于贝叶斯优化与直接数值模拟的无梯度黑盒框架，求解最优脉动驱动波形以降低能耗与阻力，揭示了非定常驱动优于传统定常运行模式的机理。
2025-08-20 physics.flu-dyn
Multiscale analysis of the topological invariants in the logarithmic region of turbulent channels at $Re_τ=932$
本文研究了不可压槽道湍流对数层中速度梯度张量$R$和$Q$的不变量及其拟能和应变分量。在三个空间方向上对速度进行滤波，并在不同尺度上对结果进行分析。我们发现，$R$ - $Q$平面不捕获的变化所经历的流量作为过滤器宽度的增加，拟能/拟能生产和应变/应变生产平面代表更好的选择。我们还表明，有条件的平均轨迹可能会显着不同的瞬时行为的流量，因为它们是一个平均过程的结果，其中的平均值是3-5倍小于相应的标准差。在$R$ - $Q$平面的轨道周期被证明是独立的事件的强度，和相同的数量级的拟能/拟能生产和应变/应变生产平面。我们的最终目标是测试是否流动的动态是自相似的惯性范围内，答案是否定的。平均剪切被认为是负责的情况下的自相似性和逐步控制的动态观察到的漩涡作为过滤器宽度的增加。然而，自相似的行为出现时，重复计算的波动速度梯度张量。最后，通过计算给定尺度下的涡量与不同尺度下的应变的对齐来考虑涡拉伸方面的湍流叶栅。这些结果一般支持不可忽略的作用的现象学能量级联模型制定的涡拉伸。
2017-09-04 physics.flu-dyn
Symmetry reduction in high dimensions, illustrated in a turbulent pipe
平衡解被认为是构造动力系统中遍历轨迹的路径。然而，平衡对于具有连续对称性的系统是非典型的，即对于具有均匀空间维度的系统，而相对平衡（行波）是通用的。为了可视化这种解决方案的不稳定的流形，一个实用的对称性减少的方法是必要的，转换相对平衡到平衡，和相对周期轨道到周期轨道。在这篇文章中，我们扩展了固定傅立叶模式切片的方法，以前应用的1维偏微分方程，在空间上的3维流体流动，并表明，是更有效的比我们以前的方法切片。应用这种方法的最小流量单位管导致许多相对周期轨道的发现，似乎填补了状态空间的湍流区域。我们进一步证明了这种方法的价值，对称性减少通过投影（投影只可能在dily-reduced空间），揭示了这些相对周期轨道之间的相互关系和它们的形状的湍流吸引子的几何形状的方式。
2017-05-03 physics.flu-dyn
Particle transport in turbulent curved pipe flow
直接数值模拟（DNS）的颗粒负载的湍流在直，轻度弯曲和强烈弯曲的管道中进行，其中的固相被建模为小而重的球形颗粒。共七个人口的稀释粒子与不同的斯托克斯数，单向耦合其载波相位，进行了模拟。目的是研究曲率对微粒输运和累积的影响。结果表明，即使是轻微的非零曲率的流动配置强烈影响的颗粒浓度图，使惯性颗粒的浓度与体积斯托克斯数0.45（基于体积速度和管道半径）在轻度弯曲的管道的内弯曲壁变得比在直管的粘性子层的12.8倍。近壁螺旋粒子条纹观察到在弯曲的配置与它们的倾斜度变化的强度的二次运动的载体相。反射层，如先前在载有颗粒的湍流S形通道中观察到的，在具有重颗粒的强烈弯曲的管道中也是明显的。此外，根据曲率，平均迪恩涡流的中心区域似乎完全耗尽了颗粒，正如在内部弯曲处的部分再层化区域中所观察到的那样。的颗粒的湍流漂移示出的载体相和几何形状引起的离心力的弱和强的二次运动的影响。在同一作者的一篇配套论文中，讨论了相同配置中颗粒相的速度和加速度的一阶和二阶矩。当前的数据集对于建模壁界湍流中平流的颗粒非常有用，其中曲率的影响不可忽略。
2016-02-11 physics.flu-dyn
Logarithmic Spatial Variations and Universal $f^{-1}$ Power Spectra of Temperature Fluctuations in Turbulent Rayleigh-Bénard Convection
我们报告测量的温度方差$σ^2(z,r)$和频率功率谱$P(f,z,r)$（$z$是从样品底部的距离和$r$的径向坐标）在湍流瑞利-贝纳德对流（RBC）的瑞利数$\textrm{Ra} = 1.6\times10^{13}$和$1.1\times10^{15}$和普朗特数$\textrm{Pr} \simeq 0.8$的样品高度$L = 224$厘米和纵横比$D/L = 0.50$（$D$是直径）。对于$z/L$小于或类似于$0.1$，$σ^2(z,r)$与$z$的对数依赖性一致，并且存在通用（独立于$\textrm{Ra}$、$r$和$z$）归一化谱，对于$0.02$小于或类似于$fτ_0$小于或类似于$0.2$，其具有$P(fτ_0) = P_0 (fτ_0)^{-1}$的形式，其中$P_0 =0.208 \pm 0.008$是通用常数。这里是$τ_0 = \sqrt{2R}$，其中$R$是温度自相关函数$C(τ)$在$τ= 0$处的曲率半径。对于$z/L \simeq 0.5$，测量产生$P(fτ_0) \sim (fτ_0)^{-α}$，其中$α$在3/2至5/3的范围内。所有的结果是相似的剪切流中的速度波动在足够大的雷诺数，这表明之间的流动，尚未被详细确定的类比的可能性。
2014-05-02 physics.flu-dyn
Symmetry reduction of turbulent pipe flows
我们提出并应用基于傅立叶的对称性约简方案，以消除或商，流向的平移对称性的激光诱导荧光测量湍流管流被视为动力系统在高维状态空间。本文还解释了泰勒假设与湍流轨道在状态空间中的同动标架速度$U_{d}$之间的关系。特别是，在物理空间中，我们观察到变形的流动结构，因为它们平流下游的速度，显着不同的$U_{d}$。实际上，在雷诺数$\mathfrak{\mathsf{Re}}=3200$下平面染料浓度场的对称性约化分析揭示了高浓度峰平流的速度$u$大约是$U_{d}$的1.43倍。在物理上有意义的简化的坐标系中，超速度$u-U_{d}\approx0.43U_{d}$可以根据与状态空间中的轨道相关联的所谓几何相速度$U_{g}$来解释。“自推进速度”$U_{g}$是由被动标量结构的形状变化动力学引起的，在低雷诺数下观察到的被动标量结构类似于游泳者。
2015-07-05 physics.flu-dyn
Homage to Bob Brodkey at 85: Ejections, Sweeps and Reynolds Shear Stress Generation in Turbulent Pipe Flow
大约50年前，Bob Brodkey和他的学生Corino设想并进行了湍流管流的非常近壁区域的可视化实验，该实验与Kline等人的湍流边界层可视化一起，令湍流研究界兴奋不已。使用安装在车床床上的高速电影摄像机，记录随流动移动的参考系中的放大图像，他们观察了亚微米颗粒在子层、缓冲层和日志层中的运动。令人惊讶的是，这些运动并不像当时对湍流的普遍看法那样是局部随机的。相反，近壁流动的连接区域减速，然后在他们所谓的“喷射”中从壁面爆发。这些减速的运动之后是从上方朝向墙壁的更大规模的连接运动，他们称之为“扫描”。他们估计，在$Re_d = 20,000$处，喷射导致雷诺剪切应力的$70\%$，而在大约$18\%$的时间内仅发生喷射。这个流体动力学视频显示了来自原始Corino和Brodkey视觉研究的三个雷诺数的短序列。在接下来的几十年里，它激发了许多实验室和模拟研究，旨在解开有界湍流的结构，并了解其中的湍流输运过程。
2013-12-13 physics.flu-dyn
SPH simulations of turbulent flow in curved pipes with different geometries. A comparison with experiments
采用弱可压缩光滑粒子流体动力学（WCSPH）方法，结合新的无反射出流边界条件，研究了三维空间弯管内的二次旋流。用已有的实验数据对湍流的大涡模拟（LES）模型进行了基准测试。经过验证本模型对实验结果的90级弯管，详细的数值研究，旨在再现实验流量测量范围广泛的雷诺数已进行了不同的管道几何形状，包括U形管弯头，S形管和螺旋盘管。在所有情况下，SPH计算的行为表现出相当好的协议与跨和下游的弯曲在流向速度分布和横截面轮廓方面的测量。实验得到的配置文件的最大均方误差始终小于1.8%。这与SPH和实验横截面轮廓之间非常好的匹配相结合，显示了本方案处理具有流线曲率的工程应用的能力，例如弯曲和歧管中的流动。
2021-07-29 physics.flu-dyn
Experimental assessment of drag reduction by traveling waves in a turbulent pipe flow
我们通过实验评估了Quadrio等人最近引入的用于湍流壁流中的减阻的主动开环技术的能力[J. Fluid Mech.，v.627，161，（2009）]。该技术包括在壁面产生展向速度的流向调制波，沿流向传播。设计了一个原理验证实验来测量管流中湍流摩擦的减少，其中壁被细分为在方位角方向上独立旋转的薄板。虽然在离散设置中，但附近板的不同速度提供了横向速度的所需流向变化。我们的实验证实了可用的DNS结果，特别是证明了在湍流状态下实现摩擦大幅度减少的可能性。对于缓慢向前的行波，可获得高达33%的减阻率;向后的行波总是产生减阻，而对于向前行进的波，其相速度与近壁湍流结构的对流速度相当，则会出现减阻的大幅下降。傅立叶分析表明，由近似于正弦波的离散空间波形引入的第一谐波是导致实验测量中确实观察到的显著效应的原因。与此控制方案的物理实现及其能量效率有关的实际问题进行了简要讨论。
2010-08-16 physics.flu-dyn
Structure and interpolation of the turbulent velocity profile in parallel flow
湍流平行流的经典标度理论提供了一个框架，通过两个函数的一个变量，传统上称为壁定律和尾流定律，和一个普遍的对数定律的特点是冯卡门常数的描述平均速度的轮廓。尽管它在研究和教学中被广泛采用，但在文献中一再观察到该理论与实验和数值模拟之间的差异。最近，我们已经表明，在对数层中，这种差异可以通过由压力梯度引起的同样普遍的校正进行物理解释和分析解释。这一发现为壁面定律和尾流定律的描述的同样改进开辟了道路，这两种定律的分析插值对于实际应用常常是有用的。
2017-06-08 physics.flu-dyn
Kolmogorovian turbulence in transitional pipe flows
打开过厨房水龙头的人都知道，管流在低流速时是层流，在高流速时是湍流。在中等速度下，存在一个过渡，其中层流的堵塞沿着管道与一种波动的、非层流的“闪光”交替，这种“闪光”仍然知之甚少。我们的实验表明，闪流的流体摩擦是湍流的诊断。我们还表明，闪流的统计与Kolmogorov的湍流唯象理论是一致的（因此，例如，闪流和湍流的能谱都满足小尺度普适性）。我们的结论是，过渡管流是两相流，其中一个相是层流，另一个，由闪光携带，在柯尔莫哥洛夫意义上的湍流。
2017-01-15 physics.flu-dyn
Transition from laminar to turbulent pipe flow as a process of growing material instabilities
本研究采用在本构方程中引入有限黏性强度的修正 NS 模型，通过与经典 NS 模型对比模拟，证明材料不稳定性的增长可触发圆管层流向湍流的转捩。
2024-05-10 physics.flu-dyn
Coherent Organizational States in Turbulent Pipe Flow at moderate Reynolds numbers
本文利用立体PIV在中等雷诺数圆管湍流中识别出十种相干流动模式，发现其出现概率和主导模态数基本不随Re变化，并符合Poisson分布。
2023-01-26 physics.flu-dyn
Conjugate heat transfer in turbulent pipe flow with azimuthally non-uniform heating
Institute of Fluid Mechanics, Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院流体力学研究所）
本文针对周向非均匀加热湍流管流的共轭传热问题，结合谱分析与高分辨率数值模拟，明确了低普朗特数流体的全局努塞尔数特性及共轭传热对温度场的影响，揭示了湍流普朗特数的各向异性与周向波数相关性。
2026-10-12 physics.flu-dyn
Friction factor for turbulent flow in rough pipes from Heisenberg's closure hypothesis
本文指出，G。Gioia和P.Chakraborty（GC），Phys.Rev.Lett. 96，044502（1996）可以恢复假设海森堡封闭假设的湍流谱。这凸显了GC分析所依据的湍流光谱的结构特征。
2009-04-17 cond-mat.other nlin.CD physics.flu-dyn
