Evolution of turbulent spots in a parallel shear flow
采用全三维数值模拟方法研究了平行剪切流中湍流斑的演化过程。流动由自由表面限定，并由体积力驱动。在展向斑点横截面中可以确定三个区域：湍流内部，具有突出的流向条纹和旋涡的界面层和由斑点的存在引起的具有大尺度流动的层流外部区域。在靠近光斑界面的区域，可以清楚地观察到由非正态放大引起的流向条纹的抬升现象。该点的特征可以是指数衰减的前缘，其移动速度不同于横流流出速度或流向滚转模式的展向相速度。斑点的增长似乎与大尺度外部流动密切相关，因为沿下游方向延伸穿过盒的湍流带不显示大尺度流动，并且不增长。定量地说，大尺度流动在斑点附近引起线性不稳定，但相关的锋速度太小，无法解释斑点的扩展。
2001-03-26 nlin.CD physics.flu-dyn
HPC realization of a controlled turbulent round jet using OpenFOAM
本文研究了OpenFOAM对低雷诺数（$Re_D=2000$）轴对称射流的高性能计算能力。首先，OpenFOAM的并行性能进行了测试，通过执行缩放研究的$2048$处理器上的佛兰芒超级计算机中心（VSC）的超级计算机。在此基础上，提出了一种提高并行效率的方法.该方法是基于开发一个混合的概念来计算统计矩。这个新的概念结合了合奏和时间平均，以允许并行数据采样。其动机是获得减少壁时间收集湍流统计，这是观察到的ZNMF控制射流的主要部分。采用这种并行统计平均方法结合常规网格分区并行性，使我们能够在$P=624$处理器上进行DNS的情况下，整体速度提高了$S_e=540.56$和并行效率为$E_e=0.87$。仅使用网格划分的并行化在使用$S_e=423.94$和$E_e=0.68$时表现出较差的性能。除了开发一种方法来提高并行性能，我们减少了现有的非定常求解器的时间步长成本以及。为此，在OpenFOAM中实现了增量投影方法，并实现了$30\%$以上的性能增益。
2014-06-27 physics.flu-dyn
Parallel optimization for large eddy simulations
提出了一种适用于大涡模拟的并行贝叶斯优化算法。这些模拟对优化方法提出了挑战，因为它们需要数小时或数天的计算时间，并且它们的目标函数包含在有限时间内平均的湍流统计噪声。基于代理的优化方法，包括贝叶斯优化，已经显示出对噪声和昂贵的目标函数的承诺。在这里，我们适应贝叶斯优化，以最大限度地减少在湍流通道流的阻力和设计的涡轮叶片的后缘，以减少湍流传热和压力损失。我们的优化同时运行多个模拟，每个模拟并行到数千个核心，以便利用当今超级计算机提供的额外并发性。
2014-11-03 physics.flu-dyn
A pencil distributed finite difference code for strongly turbulent wall-bounded flows
提出了一种适用于壁面湍流高性能计算的数值格式。所有到所有的通信的数量减少到只有六个实例，通过使用二维（铅笔）域分解，并利用有利的缩放的CFL时间步长约束相比，扩散的时间步长约束。由于CFL条件在高驱动下更具限制性，因此不再需要在平行于壁的方向上对粘性项进行隐式时间积分。这避免了将非局部信息传送到用于在这些方向上计算隐式导数的过程。我们详细解释了用于积分方程的数值方案，以及底层的并行化。该代码被证明有很好的强和弱的缩放到至少64K的核心。
2015-01-06 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Multiscale circulation in wall-parallel planes of turbulent channel flows
本文利用多雷诺数高分辨率DNS数据库，研究湍流槽道壁面平行平面内闭合欧拉回路的多尺度环量，揭示外部双分形间歇与近壁单分形非间歇特征。
2025-03-02 physics.flu-dyn
Particle resolved simulation of sediment transport by a hybrid parallel approach
采用混合并行粒子模拟方法研究了可蚀性河床上的泥沙输移问题。为了克服传统区域分解法在泥沙输运中遇到颗粒分布高度不均匀时负荷不平衡的挑战，提出了Darmana等的并行方法。（2006）最初是为点粒子模拟开发的，被修改并实现为粒子分辨模拟。提出了一种新的内存优化技术，以减少相同大小的球形粒子的混合方法的内存需求。在具有超过一百万个球形颗粒的具有挑战性的沉积物输运测试案例中，本混合并行方法显示出良好的可扩展性和高并行效率。我们的代码进行了验证，通过几个基准的情况下，结果显示出良好的协议与文献中的实验和计算数据。此外，还模拟了可蚀性泥沙床面上的湍流。提出了一种区分跃移和滚动颗粒的提取方法，并提取了颗粒-移动床相互作用的冲击和反弹信息。给出了冲击和反弹过程中速度、角度和展向角速度等跃移参数的概率分布函数。建立了湍流中颗粒-移动床相互作用的飞溅函数，这一实验研究较少，有助于模拟湍流中复杂的颗粒-床相互作用。
2022-07-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A Massively Parallel Hybridizable Discontinuous Galerkin Solver for Direct Numerical Simulation of Compressible Flows on GPUs
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文提出面向GPU的大规模并行HDG求解器，结合高阶离散化、DIRK时间积分等技术，在三类可压缩流基准问题上验证其可解析多种流态的能力，实现高效DNS计算。
2026-08-31 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
An elementary example of contrasting laminar and turbulent flow physics
像库埃特和普瓦维尔这样简单的牛顿流体在无限平行壁之间的一维流动，为层流和湍流的对比物理提供了一个很有启发性的例子：它们的平均速度分布之间的差异在一种状态下与另一种状态下的符号相反。这种易于验证但尚未被注意到的行为意味着层流和湍流传输的物理机制甚至比通常假设的更根本不同。
2018-11-28 physics.flu-dyn
nsCouette -- A high-performance code for direct numerical simulations of turbulent Taylor-Couette flow
我们提出了nsCouette，一个高度可扩展的软件工具来解决纳维-斯托克斯方程之间的差异加热和独立旋转，同心圆筒的不可压缩流体流动。它是基于伪谱空间离散化和动态时间步进。它是在现代Fortran与混合MPI-OpenMP并行化计划，从而设计计算湍流在高雷诺数和瑞利数。还提供了用于中等问题大小的附加GPU实现（C-CUDA）和用于湍流管流的基本版本（nsPipe）。
2020-01-17 astro-ph.SR nlin.CD physics.ao-ph
Direct Numerical Simulation of turbulent Taylor-Couette flow
本文描述了完全湍流状态下Taylor-Couette流动的直接数值模拟（DNS）。数值方法扩展了Quadrio和Luchini（Eur. J. Mech. B / Fluids，v.21，pp.413--427，2002），并且基于使用混合空间离散化（均匀方向上的谱方案，以及径向方向上的四阶、紧凑显式有限差分方案）的并行计算机代码。本文首次用DNS方法模拟了湍流状态下的Taylor-Couette流动。统计量的计算，以补充现有的实验信息，以期比较它的平面，压力驱动的湍流在相同的雷诺数值。平面流和曲壁流之间的流量统计差异的主要来源是由于曲率效应产生的大规模旋转结构的存在。
2007-11-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Ion Heat and Parallel Momentum Transport by Stochastic Magnetic Fields and Turbulence
本文提出了随机磁场与湍流相互作用的平行动量和离子热的湍流输运理论。注意力集中在确定动应力和压缩能通量。一个关键参数被确定为湍流散射率的比率的平行声色散。当参数较大时，动应力表现为粘性应力.当参数较小时，准线性残余应力得到恢复。实际上，粘性应力是相应的形式，并且准线性极限是不可观测的。这是本文的主要预测。一个简单的物理图片开发和显示恢复的详细分析的结果。
2021-11-05 nucl-th physics.flu-dyn physics.plasm-ph
A non-hybrid method for the PDF equations of turbulent flows on unstructured grids
在湍流的概率密度函数（PDF）方法中，多个流动变量的联合PDF是通过数值积分拉格朗日粒子的随机微分方程组来计算的。提出了一套并行算法，以提供一个有效的解决方案的PDF传输方程，建模的联合PDF的湍流速度，频率和浓度的被动标量在几何复杂的配置。采用非结构化欧拉网格来提取欧拉统计，以求解在域的固定位置处表示的量（例如，平均压力）并跟踪粒子。关于网格的所有三个方面都使用了有限元法（FEM），该有限元法采用最简单的线性FEM形状函数。为了模拟标量的小尺度混合，采用了条件平均交换模型。提出了一种计算速度条件标量均值的自适应算法，该算法在样本空间上均匀化统计误差，而不假设底层速度PDF的形状。与求解PDF方程的其他混合粒子-单元方法相比，该方法具有一致性，不需要一致性条件。通过计算两种不同的湍流（充分发展的湍流槽道流和街道峡谷（或空腔）流）中集中源释放的被动标量的色散，对该算法进行了测试。详细介绍了估计条件和无条件统计，粒子跟踪和粒子数控制的数学细节。基于缓存的共享内存机器的性能和并行性的相关方面进行了讨论。
2010-06-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulations of turbulent flows using high-order Asynchrony-Tolerant schemes: accuracy and performance
直接数值模拟（DNS）是理解湍流基本物理的不可或缺的工具。由于它们的计算成本随着雷诺数（$R_λ$）的急剧增加，即使在中等的$R_λ$下，良好解析的DNS也只能在大规模并行超级计算机上实现。然而，在极端规模下，当前方法中涉及的处理元件（PE）之间的通信和同步变得极其昂贵，并且预计将成为可扩展性的主要瓶颈。为了克服这一挑战，我们开发了算法，使用所谓的异步容忍（AT）计划，放宽通信和同步的限制，在数学水平上，执行DNS的衰减和螺线管强迫可压缩湍流。使用两种方法引入异步，一种避免同步，另一种避免通信。这些分别在PE边界处导致周期性和随机延迟。我们表明，这两种异步算法准确地解决了大尺度和小尺度的湍流运动，包括瞬时和间歇性的字段。我们还表明，在异步模拟的通信时间是一个相对较小的分数的总计算时间，特别是在大处理器数，相比标准的同步模拟。因此，我们观察到改进的并行可扩展性$262144$处理器的异步算法。
2020-03-23 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A two-phase mixing layer between parallel gas and liquid streams: multiphase turbulence statistics and influence of interfacial instability
平行气液两相流之间形成的两相混合层是多相湍流的一个重要基础问题。这个问题与许多工业应用和自然现象有关，例如燃料喷射系统中的空气喷射雾化器和海洋中的破碎波。气体和液体流之间的速度差触发界面不稳定性，其可以是对流的或绝对的，这取决于流的性质和注入参数。本文对处于绝对不稳定区的气液两相混合层进行了直接数值模拟。在数值模拟中观察到了一个主频率，数值结果与粘性稳定性理论的预测吻合得很好。由于界面波在湍流转捩和发展中起着关键作用，湍流脉动（如涡度拟能）的时间演化也表现出类似的频率。为了研究多相湍流的统计响应，模拟已经运行了很长的物理时间，以便可以进行时间平均，以产生雷诺应力和湍流动能（TKE）预算的统计收敛结果。已经进行了使用800万至约40亿个单元的广泛的网格细化研究。与TKE预算中的其他条款相比，湍流耗散对网格分辨率的要求很高。与最好的网格得到的结果被证明是不远的收敛结果的湍流耗散，使我们能够获得估计的Kolmogorov和Hinze尺度。计算的Hinze尺度明显大于观察到的液滴的尺寸，并且似乎不是描述雾化中形成的液滴的最小尺寸的相关长度尺度。
2018-08-06 physics.flu-dyn
A low-order decomposition of turbulent channel flow via resolvent analysis and convex optimization
我们结合解析模式分解技术，从凸优化，以最佳近似速度谱在湍流通道。速度被表示为动态显著的、非经验的且可随雷诺数缩放的预解模式的加权和。为了最佳地表示DNS数据在摩擦雷诺数$2003$，我们确定的权重的解析模式的凸优化问题的解决方案。仅使用$12$模式每壁平行波数对和时间频率，我们获得了密切的协议与DNS光谱，减少壁正常和时间分辨率在模拟中使用的三个数量级。
2014-05-21 physics.flu-dyn
PDF modeling of turbulent flows on unstructured grids
在湍流的概率密度函数（PDF）方法中，多个流动变量的联合PDF是通过数值积分拉格朗日粒子的随机微分方程组来计算的。对流，粘性效应和任意复杂的化学反应的数学精确处理是可能的，这些过程没有封闭的假设处理。提出了一套算法，以提供一个有效的解决方案的PDF传输方程建模的联合PDF的湍流速度，频率和浓度的被动标量在几何复杂的配置。一个非结构化的欧拉网格提取欧拉统计，解决在固定位置的域和跟踪粒子的数量。关于网格的所有三个方面都使用了有限元方法。与混合方法相比，目前的方法是独立的，因此，它是一致的数值和湍流封闭的水平，而不使用的一致性条件。几个新开发的算法，方便在复杂的流动几何形状的数值解，包括一个稳定的平均压力投影计划，估计有条件和无条件的欧拉统计和它们的衍生物从随机粒子场，粒子跟踪通过非结构化网格，一个有效的粒子重新分配程序和技术相关的有效的随机数生成。该求解器已经过并行化，并针对共享内存和使用OpenMP标准的多核架构进行了优化。基于缓存的共享内存机器的性能和并行性的相关方面进行了详细讨论和介绍。该方法在模拟高雷诺数不可压缩惰性或反应性湍流在现实的配置显示出很大的希望。
2010-06-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Effects of mean flow skew on turbulent shear layers. Part II. Experimental investigation
Cornell University（康奈尔大学）；University of Maryland（马里兰大学）
通过实验方法生成并表征偏斜湍流混合层，发现平均流偏斜使平均和湍流量系统性降低约40%，但基本动力学特性不变，结构参数保持恒定。
2026-06-12 physics.flu-dyn physics.soc-ph
Three-dimensional generative adversarial networks for turbulent flow estimation from wall measurements
本文提出用单个三维GAN直接从壁面测量重建近壁湍流三维场，在误差相当的同时降低训练成本，并揭示结构壁面足迹对重建精度的影响。
2024-09-10 physics.flu-dyn
Simultaneous Extrema in the Entropy Production for Steady-State Fluid Flow in Parallel Pipes
不可压缩流体在平行管中的稳态流动，根据流动条件的不同，其熵产生可以同时满足两个相互矛盾的极值原理。对于恒定的总流率，流可以满足（i）关于流率的管网最小熵产生（MinEP）原理，以及（ii）关于流态的选择的齐格勒和帕勒的最大熵产生（MaxEP）原理。第一个原理--与Prigogine的原理不同，但又与之相关联--源于稳态流动相对于非稳态流动的稳定性;它已被证明适用于具有恒定幂律指数的平行管道中的等温层流和湍流，但在其他情况下是无效的。第二个原理似乎更基本，在较高的雷诺数下驱动单管和平行管中湍流的形成。对于恒定水头条件，流动可以满足（i）关于流速的Mupanović及其同事的修改的最大熵产生（MaxEPmod）原理，以及（ii）关于流动状态的Ziegler-PalmogloveMaxEP原理的反演。这些原则之间的相互作用是由例子证明。
2010-02-11 physics.flu-dyn
Wall-induced anisotropy effects on turbulent mixing in channel flow: A network-based analysis
在拉格朗日框架下，采用基于复杂网络的方法研究了湍流混合。我们考虑在$Re_τ = 950$上模拟的湍流通道内被动非惯性粒子的运动。建立了时间相关网络来评估示踪剂在薄壁平行层之间的转移，所述薄壁平行层在壁法线方向上划分通道。通过这样做，我们能够评估湍流动力学及其对混合过程的影响所产生的空间和时间的复杂性。这种方法突出了湍流结构的小尺度特征的影响，以及由壁诱导的各向异性决定的较大尺度的影响。复杂网络与湍流的拉格朗日描述相结合，有效地为非均匀湍流和混合提供了新的见解。
2020-10-27 physics.flu-dyn
Slip Effects in Compressible Turbulent Channel Flow
本文对两块温度相等、方向相反的平行平板间的可压缩充分发展湍流Couette流动进行了直接数值模拟。该算法进行了测试，众所周知的不可压缩Poietille通道流的数值解，并发现提供其良好的描述。在所研究的流动中的滑移效应被发现是可以忽略不计的小值的速度和温度的顺序的单位的调节系数。发现随着温度调节系数的减小，平均温度显著增加。对于流动气体、表面气体和吸附气体的某些组合的可压缩紊流边界层的热交换问题，这种效应可能是重要的。
2012-10-08 physics.flu-dyn
Simulations of Particle-Laden Flows with Large Dispersed-Phase Size Disparities Using Scalable Parallel Adaptive Methods
RWTH Aachen University（亚琛工业大学）；Université de Lille（里尔大学）；University of Twente（特温特大学）
本文提出了一种高度可扩展的并行自适应方法，用于模拟具有大分散相尺寸差异的多相流，通过耦合格子玻尔兹曼方法与浸没边界方法，在动态自适应八叉树网格上实现高效并行计算，验证了该方法在气泡-颗粒碰撞等多尺度问题中的准确性和鲁棒性。
2026-10-14 physics.flu-dyn
From coarse wall measurements to turbulent velocity fields through deep learning
这项工作评估了超分辨率生成对抗网络（SRGANs）的适用性，作为一种方法，用于从粗壁测量中重建湍流量。该方法适用于壁场的分辨率增强和估计壁平行的速度场从粗壁测量的剪切应力和压力。通过直接数值模拟产生的摩擦雷诺数$Re_τ=180$的湍流明渠流数据库进行了分析。粗壁测量已经产生了三个不同的下采样因子$f_d=[4,8,16]$从高分辨率的字段，和壁平行的速度场已被重建在四个内部缩放壁正常的距离$y^+=[15,30,50,100]$。我们首先表明，SRGAN可以用来提高粗壁测量的分辨率。如果与直接重建从唯一的粗壁测量相比，SRGAN提供更好的瞬时重建，无论是在均方误差和频谱分数误差。尽管输入壁数据的分辨率较低，使得实现高度准确的预测更具挑战性，但所提出的基于SRGAN的网络产生了非常好的重建结果。此外，它表明，即使是最具挑战性的情况下，SRGAN是能够捕捉的大尺度结构，填充流。所提出的新方法具有很大的潜力，闭环控制应用依赖于非侵入式传感。
2021-07-12 physics.flu-dyn
Homogeneity and isotropy in a laboratory turbulent flow
我们提出了一种新的设计，搅拌槽，迫使由两个平行的平面阵列的随机致动的合成射流。这种布置在高雷诺数和低平均流量下产生湍流。最重要的是，它表现出一个区域的3D均匀各向同性湍流，是显着大于积分的长度尺度。这些功能是必要的，使实验室测量湍流悬浮液。我们使用定量成像，以确认各向同性在大，小，和中等规模的检查一-和两-点统计在坦克中心。然后，我们重复这些相同的测量，以确认在罐中心测量的值在大的均匀区域内是恒定的。在垂直于对称平面的方向上，我们的测量表明，均匀区域延伸至少两倍的积分长度尺度$L=9.5$ cm。在平行于对称平面的方向上，该区域至少是整体长度尺度的四倍，并且在该方向上的范围仅受罐的尺寸限制。在均匀的各向同性区域内，我们测量的湍流动能为$6.07 \times 10^{-4} $ m $^2$ s $^{-2}$，耗散率为$4.65 \times 10^{-5} $ m $^2$ s $^{-3}$，泰勒尺度雷诺数为$R_λ=334$。该水箱的大均匀区域，结合其高雷诺数和非常低的平均流量，提供了最好的近似均匀各向同性湍流实现在实验室流动的日期。这些特性使搅拌槽成为研究湍流和湍流悬浮液基本动力学的最佳设备。
2013-09-09 physics.flu-dyn
Laminar-turbulent patterning in wall-bounded shear flows: a Galerkin model
在走向湍流的过程中，平面库埃特流--反向平移的平行板之间的流动--显示出令人困惑的稳定斜层流湍流模式。我们通过纳维-斯托克斯方程的Galerkin模型来处理这个问题。水动力场的壁面法线依赖性通过精确拟合边界条件的函数基展开来处理。这产生了一组偏微分方程的时空动力学的平面上的流动。截断这一组超出最低非平凡的顺序数值显示，产生预期的模式，因此提高了在粗糙的有效壁法线分辨率。开放的方法的观点进行了讨论。
2015-03-20 nlin.PS physics.flu-dyn
