Bubbly and Buoyant Particle-Laden Turbulent Flows
与层流相比，流体湍流通常与更强的阻力、更大的热传递和更有效的混合相关联。在许多自然和工业环境中，湍流液体流包含分散的气泡和轻颗粒的悬浮液。近年来，通过实验和高分辨率的直接数值模拟，人们对这类流动的行为和基本物理过程的理解得到了很大的关注。本文综述了我们目前对气泡和浮力颗粒载湍流的各种唯象方面的理解。我们首先讨论不同的动力学制度，包括交叉轨迹和尾流引起的振荡的上升粒子，和制度中的气泡和粒子优先积累附近的墙壁或内的旋涡结构。然后，我们解决如何某些典型的湍流，如均匀各向同性湍流，通道流，泰勒-库埃特湍流，热驱动湍流，这些分散的气泡和浮力颗粒的存在下修改。最后，我们列出了总结要点和未来的研究问题。
2020-05-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Turbulent channel flow of dense suspensions of neutrally-buoyant spheres
稠密颗粒悬浮液在许多应用和环境流动中广泛遇到。虽然许多以前的研究调查他们的流变性能在层流，很少有人知道这些悬浮液的行为在湍流/惯性制度。本研究的目的是填补这一空白，通过调查的湍流的牛顿流体负载固体中性浮力球在相对较高的体积分数在一个平面通道。在体积分数Phi=0-0.2的范围内进行直接数值模拟，其中浸没边界法用于解释分散相。结果表明，固相的存在显著改变了平均速度分布，并使冯卡门常数按对数律减小。发现总阻力随着体积分数而增加，比仅仅考虑由于颗粒的存在而导致的系统粘度的增加所期望的要多。在最高体积分数Phi=0.2时，速度脉动强度和雷诺切应力减小。的平均动量平衡的分析表明，粒子引起的应力管理的动态在高披，是主要负责的整体阻力增加。因此，在密集的限制，我们发现减少的湍流活动和增长的颗粒诱导应力，后者占主导地位的雷诺数在这里考虑。
2015-10-14 physics.flu-dyn
Buoyant finite-size particles in turbulent duct flow
本文采用粒子图像测速技术（PIV）和粒子跟踪测速技术（PTV）研究了水平方管湍流中比载流稍重的有限尺寸球形粒子的动力学行为。界面解析直接数值模拟（DNS）也进行了浸没边界法（IBM）在相同的实验条件下，散装雷诺数$Re_{2H}$ = 5600，管道高度颗粒尺寸比$2H/d_p$ = 14.5，颗粒体积分数$Φ$ = 1%和颗粒流体密度比$ρ_p/ρ_f$ = 1.0035。在两相的总压降、浓度分布和湍流统计方面，实验和模拟之间已经观察到了很好的一致性。在相同的$Re_{2H}$下，报告了考虑两种粒度$2H/d_p$ = 14.5和9以及多个$Φ$ = 1、2、3、4和5%的附加实验结果。对于上述参数，压降随体积分数单调增加，几乎是线性的，几乎与颗粒尺寸无关。然而，尽管相似的压降，微观图像，流体速度统计，显着不同的颗粒大小。模拟和实验之间的这种一对一的比较扩展了复杂的湍流多相流中的界面分辨DNS的有效性，并突出了实验在相当详细的情况下调查这种流动的能力，即使在局部体积分数相对较高的区域。
2018-11-28 physics.flu-dyn
Slip-velocity of large neutrally-buoyant particles in turbulent flows
我们讨论了描述大颗粒和湍流之间的相对运动的随机滑移速度的可能定义。这个定义是必要的，因为当颗粒尺寸落在环境湍流的惯性子范围内时，标准阻力模型中使用的滑移速度失效。我们提出了两个定义，选择部分是因为它们的简单性：它们不需要过滤的流体相速度场，也不需要建设的条件平均粒子的位置。这种简单性的一个关键好处是，这里提出的随机滑移速度可以同样很好地计算实验室，现场和数值实验。随机滑移速度允许定义雷诺数，该雷诺数应指示湍流中的大颗粒是否表现为（a）被动示踪剂;（b）速度场的线性滤波器;或（c）速度场的非线性滤波器。我们计算的随机滑移椭球和球形颗粒（泰勒微尺度的大小）在实验室均匀各向同性湍流测量的值。所得的雷诺数是显着高于1的颗粒形状，和速度统计表明，颗粒运动是一个复杂的非线性函数的流体速度。我们进一步研究的非线性关系，通过比较粒子和流体相的脉动速度的概率分布。
2013-09-09 physics.flu-dyn
Suspensions of finite-size neutrally-buoyant spheres in turbulent duct flow
本文研究了中性浮力球形颗粒稠密悬浮液的湍流方管流动。直接数值模拟（DNS）的体积分数范围内进行$ϕ=0-0.2$，使用浸没边界法（IBM）占分散相。根据水力直径，考虑雷诺数为$5600$。我们报告特定于这种几何形状的流动特征和颗粒统计，并将结果与二维通道流的情况进行比较。特别是，我们观察到，对于$ϕ=0.05$和$0.1$，颗粒优先积聚在角平分线上，靠近管道角，同样也观察到相同的管道-颗粒尺寸比的层流方形管道流。在最高体积分数下，颗粒优先聚集在核心区域中。对于通道流动，在没有横向限制的情况下，发现粒子在通道中均匀分布。我们还观察到，横流二次流的强度增加（相对于空载的情况下）的体积分数高达$ϕ=0.1$，作为沿角平分线的颗粒的高浓度的结果。对于$ϕ=0.2$，湍流活动大大降低，二次流强度降低到空载情况下的强度以下。在稀释条件下，摩擦雷诺数随着$ϕ$的增加而增加，正如在槽道流动中所观察到的那样。然而，对于$ϕ=0.2$，平均摩擦雷诺数降低到低于$ϕ=0.1$的值。
2017-11-13 physics.flu-dyn
A POD-Galerkin reduced order model of a turbulent convective buoyant flow of sodium over a backward-facing step
本文将一种用于稳态雷诺平均Navier-Stokes（RANS）数值模拟的基于体积法的POD-Galerkin降阶方法推广到低普朗特数流动。降阶模型是基于全阶模型，其特征在于通过改变Richardson数的浮力对流动和传热的影响。雷诺应力的计算采用线性涡粘性模型。一个单一的梯度扩散假设，连同当地的相关性的湍流普朗特数的评估，被用来模拟湍流热通量。在降阶模型中考虑了涡粘性和湍流热扩散率场的贡献，并采用了基于插值的数据驱动方法。降阶模型进行了测试浮力辅助湍流液钠流在一个垂直的面向后的步骤与均匀的热通量施加在壁下游的步骤。在全阶模型和降阶模型中，壁面热流都采用了Neumann边界条件。在相同和新的Richardson数的参数值范围内，用降阶模型预测的速度和温度分布与RANS模拟吻合得很好。此外，局部斯坦顿数和表面摩擦分布在加热壁定性地很好地捕捉。最后，在单个核上执行的降阶仿真比在八个核上执行的RANS仿真快大约$10^5$倍。
2020-08-03 physics.flu-dyn
Unsteady turbulent buoyant plumes
我们模拟了湍流浮力羽流随时间变化的源条件的非定常演变。积分模型是从径向积分的控制方程表达的质量，轴向动量和浮力守恒。在羽流中的轴向速度和密度赤字的非均匀的径向配置文件中明确描述的形状因子的积分方程;通常假设的顶帽配置文件导致的形状因子等于1。所得模型是双曲线的动量形状因子时，确定从径向分布的平均轴向速度，不同于统一。当源条件保持在恒定值时，模型的解保持了公认的稳定羽流解的形式。我们证明，包含一个动量形状因子，不同于统一导致一个适定的积分模型。因此，我们的模型没有表现出出现在以前提出的湍流羽流的非定常积分模型的数学病理。确定的形状因子的值的稳定性阈值，导致在其值的范围内，小扰动的振幅的稳定的解决方案衰减与距离的来源。该系统的双曲线特征允许在非定常演化过程中描述羽流特性的字段中形成不连续性。我们计算数值解来说明源条件突变后的瞬态发展。通过羽流传播流体脉冲，可对新的源条件进行调整。这个脉冲的动力学描述的相似性解决方案，并通过构建这个新的相似性解决方案，我们确定三个制度，在其中的瞬态脉冲的演变以下调整的源质的不同。
2015-07-23 physics.flu-dyn
Variable-density effects in incompressible non-buoyant shear-driven turbulent mixing layers
使用不可压缩（低速）的直接数值模拟时，混合层涉及两种不同密度的可混溶流体的不对称性进行了研究。模拟中进行的时间配置非常大的域的大小，使混合层达到完全湍流自相似增长的延长状态。施加平均密度变化打破了相对于经典的单流体时间混合层问题的平均对称性。与先前的变密度混合层模拟不同，其中流由具有不同热力学性质的相同流体组成，密度变化目前是由于流体流之间的组成差异，导致不同的混合动力学。变密度（非Boussinesq）效应在流量统计中引入了强烈的不对称性，这可以解释为随着自由流密度差的增加，最强的湍流越来越多地迁移到较轻的流体侧。界面厚度增长率也会降低，某些厚度定义对密度和流向速度剖面之间的对齐的相应变化特别敏感。在混合层内的一个给定位置的密度的统计分布的意义上的额外的不对称性揭示，湍流的细尺度优先维持在较轻的流体，这也是最快的混合发生。这些效应影响涉及密度波动的统计数据，这对混合和对混合动力学敏感的更复杂的现象（如燃烧）具有重要意义。
2020-06-24 physics.flu-dyn
Deformation and orientation statistics of neutrally buoyant sub-Kolmogorov ellipsoidal droplets in turbulent Taylor-Couette flow
在许多工业和科学应用中，底层流动拓扑结构对分散在湍流中的亚柯尔莫哥洛夫液滴的形状和尺寸的影响是相当感兴趣的。在这项工作中，我们研究了亚Kolmogorov液滴分散到湍流泰勒-库埃特流的变形和取向统计。连同载体相的直接数值模拟（DNS）和分散液滴的拉格朗日跟踪，我们求解由Maffettone和Minale（\emph{J. Fluid Mech.} 78，227-241（1998））提出的现象学方程以跟踪近似$10^5$椭圆形液滴的形状演变和取向。通过改变液滴的毛细管数$Ca$和粘度比$\hat μ$，我们发现液滴的变形随着毛细管数$Ca$的增加而增加，并且这种效应在边界层区域更加明显。这表明，随着毛细管数的影响，也有一个很强的相关性之间的空间位置和程度的变形的液滴。无论毛细管数$Ca$，椭球的长轴往往与流向方向和拉伸应变率本征方向在边界层区域，而分布是高度各向同性的散装。当液滴和载液之间的粘度比增加时，我们发现不存在优先拉伸轴，这是由于旋转对拉伸和松弛的影响增加。因此，与低粘度比系统中的高度变形的扁长（雪茄状）液滴相比，高粘度比系统中的液滴较少变形和扁（盘状）。
2016-06-13 physics.flu-dyn
Modulation of the regeneration cycle by neutrally buoyant finite-size particles
采用力耦合方法对平面Couette和压力驱动通道结构中的湍流悬浮流进行了直接数值模拟。当雷诺数略高于层流-湍流转捩时，考虑中性浮力有限尺寸（L_y /d = 20）球形颗粒的稀到中等浓度悬浮液。在湍流槽道和库埃特流中，用合成条纹进行的试验清楚地表明，颗粒触发槽道流中的不稳定性，而平面库埃特流变成层流。此外，我们已经表明，颗粒有一个显着的影响，压力驱动流通过详细的时间和空间分析，而他们没有显着的影响，平面Couette流配置。这两种流动之间的实质性差异与Couette流动中大规模卷（非活动运动）中颗粒的空间优先分布有关，而它们在压力驱动流动中的喷射（活动运动）区域中积累。通过对两种不同流动构型的颗粒改性的研究，我们能够显示湍流结构的特定响应和构成近壁湍流缓冲层中再生循环的基本机制的调制。特别是对于压力驱动的流动，颗粒增强提升并使其连续作用，而颗粒不显著改变条纹击穿过程。流向涡的加强是由于涡量拉伸项的波状条纹。波纹条纹的数量多、尺寸小，增强了涡量的拉伸，从而加强了悬浮流中大尺度流向涡的环流。
2018-06-07 physics.flu-dyn
Turbulence attenuation by large neutrally buoyant particles
本文在VonKármán流中对惯性范围大小的中性浮力颗粒对湍流的调制作用进行了实验研究。增加颗粒体积分数$Φ_\mathrm{v}$，保持叶轮雷诺数不变，可以减弱流体湍流。惯性范围内的能量传递率随着$\proptoΦ_\mathrm{v}^{2/3}$而减小，表明只有位于表面上的颗粒影响流动。小尺度湍流特性，如结构函数或加速度分布，是不变的。最后，测量结果表明，当大颗粒之间的平均距离为它们的边界层厚度的量级时，存在两种不同制度之间的过渡。
2015-01-04 physics.flu-dyn
Buoyant turbulent mixing in shear layers
不稳定分层混合层中的浮力效应通过重流体的重力流来表达，该重力流在周围较轻的流体中传播。在许多地球物理流动、工业安全和环境保护问题中都会遇到这些电流。在过渡到湍流的过程中，含有“重”或“轻”流体的区域之间的分离界面出现强烈的扭曲。该接口的复杂性将用于监控混合的进度。我们专注于增强的表面积和“表面的分离界面”作为重力效应的结果。我们还表明，这个过程可以相当准确地模拟使用动态亚网格建模的大涡模拟。然而，定义为滤波器宽度Delta和网格间距h之间的比率的亚网格分辨率应当足够高以避免由于空间离散化误差效应而导致的污染。
2002-02-28 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Slipping motion of large neutrally-buoyant particles in turbulence
直接数值模拟被用来研究大的球形颗粒悬浮在一个发达的均匀湍流的个人动力学。引入了颗粒相对于周围流的运动方向的定义，并用于构建颗粒周围的平均流体速度分布。这导致颗粒滑移速度及其相关的雷诺数的估计。然后研究了由于颗粒的流动修改。粒子是负责的阴影效应，发生在唤醒的距离的顺序，其直径：粒子平息湍流波动，并减少了能量耗散率相比，其平均值在散装。尺寸参数绘制的颗粒之间的类比湍流和壁流的影响。在粘性边界层的厚度和颗粒直径$\Dp$之间的距离处对数子层的存在上获得证据。最后，渐近参数被用来与粘性子层数量的颗粒尺寸和外部湍流的属性。特别指出，表面摩擦雷诺数表现为$Re_τ\propto (\Dp/η)^{4/3}$。
2013-06-06 physics.flu-dyn
The motion of a neutrally buoyant particle of an elliptic shape in two dimensional shear flow: a numerical study
本文用直接数值模拟的方法研究了在二维剪切流中自由运动的中性浮力椭圆柱体的运动。剪切流中的椭圆形柱体，当最初被放置在两个壁之间的中间时，取决于颗粒雷诺数$Re=G_r r_a^2/ν$，要么保持旋转，要么具有固定的倾角，其中$G_r$是剪切速率，$r_a$是椭圆形柱体的半长轴，$ν$是流体的动力粘度。从旋转运动过渡到静止取向的临界颗粒雷诺数$Re_{cr}$取决于纵横比$AR=r_b/r_a$和受限比$K=2r_a/H$，其中$r_b$是椭圆柱的半短轴，$H$是两壁之间的距离。虽然这两个参数的增加都会使$Re_{cr}$增加，但其动力学机制是不同的。$AR$的变化引起几何形状的变化，而$K$的变化影响壁效应。具有较小约束比的非旋转细长椭圆柱的定常倾角似乎仅取决于$Re-Re_{cr}$的值。剪切流中圆柱体质心的预期平衡位置是两壁之间的中心线，但是当初始将颗粒远离中心线放置时，它要么向远离两壁之间的中间的平衡高度迁移，要么回到中间，这取决于约束比和颗粒雷诺数。
2014-05-28 physics.flu-dyn
Wake-driven dynamics of finite-sized buoyant spheres in turbulence
悬浮在湍流中的颗粒受到湍流的影响，同时又对流动产生反作用。由此产生的耦合可以引起其动态的丰富可变性。在这里，我们报告的实验结果，从调查有限大小的浮力球在湍流。我们发现，即使是一个边际减少粒子的密度从流体可以导致其动力学的强烈修改。与经典的空间滤波参数和粒子模型的预测相反，我们发现粒子加速度方差随着尺寸的增加而增加。我们将这种相反的趋势追溯到尾流诱导力的贡献越来越大，这在当前的湍流粒子模型中是无法解释的。我们的研究结果强调了需要改进的多物理模型，考虑粒子尾流效应的忠实代表湍流中的湍流球动力学。
2015-09-19 physics.flu-dyn
Rotational intermittency and turbulence induced lift experienced by large particles in a turbulent flow
本文用实验方法研究了一个大的中性浮力粒子在湍流中的自由平流运动。我们证明，平移和角加速度表现出很宽的概率分布，表现出的不稳定性。相对于轨迹的角速度的取向以及以自旋速度为条件的平移加速度提供了作用于颗粒上的升力的证据。
2010-12-20 physics.flu-dyn
Clustering and surface distributions of buoyant particles in open-channel flows
The University of New South Wales（新南威尔士大学）；Auckland University of Technology（奥克兰理工大学）
本研究通过实验和理论分析，揭示了开放渠道流中浮体颗粒的聚类行为和表面分布受毛细力、水动力阻力及二次环流的共同影响。
2026-01-28 physics.flu-dyn
Multi-Component High Aspect Ratio Turbulent Jets Issuing from Non-Planar Nozzles
从实际的流动几何形状的浮力气体分散的物理学的基本见解是必要的，以准确地预测与氢气流出事故泄漏和相关的可燃性信封流结构。以氦气为实验介质，采用粒子图像测速（PIV）和平面激光诱导荧光（PLIF）技术对圆管侧壁大长径比狭缝中的湍流浮力射流进行了实验研究。在这项研究中，考虑了两个槽的纵横比为10。浮力，不对称性，射流密度和雷诺数对所产生的流动结构的影响进行了研究，在垂直和水平方向。显着的差异被发现之间的演变，目前现实的射流从曲面和那些传统的大展弦比射流起源于平面。这些现实的管道泄漏代表射流被发现沿射流流向轴偏转。结果发现，纵横比的增加导致的偏转角，射流中心线衰减率和宽度增长的速度和标量场相比，他们的非平面圆形射流同行的减少，最显着的是在远场。
2018-11-27 physics.flu-dyn
Clustering in laboratory and numerical turbulent swirling flows
我们研究的三维集群的速度停滞点，零的涡量和拉格朗日加速度，和惯性粒子在湍流在固定的雷诺数，但在不同的大规模流动的几何形状。为此，我们结合直接数值模拟均匀和各向同性湍流和泰勒-格林流，粒子跟踪测速在冯卡门实验。虽然流动有不同的拓扑结构（因为零粒子的聚集方式不同），但粒子的行为在所有情况下都是相似的，这表明泰勒尺度的中性浮力粒子聚集为惯性粒子。
2022-08-16 physics.flu-dyn
How interfacial tension enhances drag in turbulent Taylor-Couette flow with neutrally buoyant and equally viscous droplets
本文通过直接数值模拟研究Taylor-Couette湍流中中性浮力等黏液滴的阻力增强机制，揭示界面张力对液滴前端的作用阻碍连续相并促进低速条带形成，从而增加系统阻力。
2024-11-20 physics.flu-dyn
Do finite size neutrally buoyant particles cluster?
我们调查的优先浓度的颗粒是中性浮力，但直径显着大于载流的耗散规模。已知这样的颗粒不表现为流动示踪剂（Qureshi等人，Phys. Re. Lett. 2007年），但它们是否集群仍然是一个悬而未决的问题。为此，我们利用一种新的湍流发生装置，拉格朗日探索模块，产生均匀和各向同性的湍流在封闭的水流。用直径为700 \mum的中性浮力颗粒接种该流，当驱动流的叶轮的旋转频率从2 Hz到12 Hz时，对应于湍流耗散尺度的4.4到17倍，并且跨越从1.6到24.2的斯托克斯数范围。这些夹杂物的空间结构，然后研究Voronoi镶嵌分析，最近提出的Monchaux等人（物理流体2010），从图像中的颗粒浓度场在激光片在流的中心。无论旋转频率和随后的雷诺数和斯托克斯数，粒子被发现没有集群。因此，斯托克斯数本身被证明是一个不充分的指标，在颗粒负载流的聚类趋势。
2012-01-27 physics.flu-dyn
Resolved and subgrid-scale crossing trajectory effects in Eulerian large eddy simulations of polydisperse droplet transport
采用大涡模拟（LES）方法研究了微浮力液滴在湍流射流中的弥散特性。液滴数密度场使用欧拉方法表示，其中分散相使用包括液滴上升速度的快速欧拉方法（Ferry & Balachandar 2001）建模。通过对不同粒径液滴的径向浓度分布和湍流浓度通量的分析，定量研究了颗粒与湍流涡之间的相对运动对湍流扩散的影响。对于更精细的LES网格分辨率，该模型捕获的差分，基于尺寸的分散特性的液滴的横向分散的较大的液滴尺寸被抑制，因为轨迹交叉效应明确解决LES。本文根据Csanady（1963）提出的大气颗粒湍流扩散理论，在修正Schmidt数的基础上，研究了一个适用于颗粒尺度径向浓度分布的相似解模型。结果与高分辨率LES数据进行了验证，并显示出良好的一致性。然后，大小相关的施密特数模型被重新制定为一个未解决的亚网格尺度的轨迹交叉效应的模型，并用于计算亚网格浓度通量在一个粗糙的LES的湍流射流，略有浮力的液滴在射流的自相似区域的中心线处注入。将结果与具有较高网格分辨率的模拟和具有恒定施密特数SGS模型的粗略模拟进行比较。我们发现，亚网格模型提高了粗糙LES的浓度廓线和湍流浓度通量的预测精度。
2022-01-21 physics.flu-dyn
Law of the wall in an unstably stratified turbulent channel flow
我们进行直接数值模拟的不稳定分层湍流槽道流解决浮力的影响，边界层动力学和平均场的数量。我们系统地跨越摩擦雷诺数（$Re_τ$）和瑞利数（$Ra$）的空间中的参数范围。我们的重点是偏离对数定律的墙壁，由于浮力运动。对流在相关范围内的影响进行了讨论，提供速度，温度和雷诺应力以及摩擦系数的平均剖面的测量。提出了一种唯象模型，并示出捕捉所观察到的偏差的速度分布在对数律区域从非对流的情况下。
2022-06-10 physics.flu-dyn
Frictional boundary layer effect on vortex condensation in rotating turbulent convection
我们进行直接数值模拟旋转Rayleigh-Bénard对流的流体与低（$Pr=0.1$）和高（$Pr=5$）普朗特数在水平周期层无滑移的顶部和底部边界。在这两个普朗特数，我们证明了一个高档转移的动能，导致域填充涡结构的发展的存在。足够强的浮力强迫和旋转促进准二维湍流状态的流动，尽管形成的羽状垂直扰动促进所谓的埃克曼泵从粘性边界层。
2020-01-31 physics.flu-dyn
Elliptical Instability and Multi-Roll Flow Modes of the Large-scale Circulation in Confined Turbulent Rayleigh-Bénard Convection
细长圆柱单元中的湍流Rayleigh-Bénard对流表现出丰富的大尺度环流动力学（LSC），具有多个相互堆叠的卷。我们建议，椭圆形不稳定性的机制，导致扭曲和破碎的LSC成多个辊和体积平均的热量和动量的传输，所代表的努塞尔数和雷诺数，一般是较弱的较大数量的LSC辊$n$。这得到了$Ra=5\times10^5$、$Pr=0.1$、$H=5D$和$1\leq~n\leq4$的直接数值模拟的支持。
2020-02-17 physics.flu-dyn
Deformation statistics of sub-Kolmogorov-scale ellipsoidal neutrally buoyant drops in isotropic turbulence
湍流中的小液滴可以经历高度可变的变形和取向动力学。对于小于柯尔莫哥洛夫尺度的中性浮力液滴，来自周围湍流的主导效应通过速度梯度张量的拉格朗日时间历史产生。在这里，我们研究了代表性的液滴使用的模型，包括旋转和拉伸效果从周围的流体，和恢复效果从表面张力，包括一个恒定的液滴体积约束，同时假设液滴保持椭圆形的演变。该模型与从湍流DNS中提取的速度梯度张量的拉格朗日时间历程相结合，以获得模拟的液滴演变。这些用于表征湍流中小液滴的尺寸、形状和取向统计。一个临界毛细管数，$Ca_c$被确定与一个或两个液滴的半轴的无界增长。利用与湍流中聚合物动力学的类比，可以基于最大有限时间李雅普诺夫指数的大偏差理论来预测$Ca_c$数。此外，对于亚临界$Ca$的理论能够预测的斜率的幂律尾部的液滴尺寸分布在湍流。当液滴和外部流体的粘度不同的方式，使涡解相关的形状从应变方向的情况下，大偏差形式主义的基础上的拉伸性能的速度梯度张量失去有效性和其预测失败。即使考虑到假设的椭圆形液滴形状的限制，结果突出了液滴变形，取向和局部流体速度梯度张量之间的复杂耦合，当小粘性液滴与湍流相互作用时。
2015-02-12 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
On the clustering of finite-size particles in turbulence
本文对完全湍流中有限大小的重粒子和中性浮力粒子的空间分布进行了实验研究。由于它们的斯托克斯数（即颗粒粘性弛豫时间与典型流动时间尺度的比率）接近1，因此可以预期两类颗粒在特定流动区域中聚集。这是没有观察到的。使用Voronoi分析，我们表明，中性浮力粒子样本湍流均匀，而重粒子集群。一个含义的理解和建模的颗粒负载流，是斯托克斯数不能是唯一的关键参数，只要考虑有限尺寸的物体的动态。
2012-09-14 physics.flu-dyn
Asymptotic Behavior of a Buoyant Jet Regime inside a Carbon-dioxide Ejector
本研究针对二氧化碳喷射器内浮力主导状态，利用自相似框架和渐近分析开发降阶模型，捕捉中心射流膨胀及逆流环形壁面射流现象，为优化喷射器性能提供低成本计算方法。
2025-08-08 physics.flu-dyn
Universal Scaling Laws for Dense Particle Suspensions in Turbulent Wall-Bounded Flows
本文研究了平板槽道湍流中中性浮力球稠密悬浮液的宏观行为。我们发现，颗粒大于最小的湍流尺度导致悬浮液偏离连续极限，其动态是很好地描述了一个有效的悬浮液粘度。这种偏差是由于在壁面附近形成具有显著滑移速度的颗粒层而引起的。通过假设两个不同的运输机制，在近壁层和湍流的散装，我们定义了一个有效的壁位置，使在散装的流动仍然可以准确地描述由一个有效的悬浮液粘度。因此，我们提出了缩放律的悬浮液流的平均速度的轮廓，连同一个主方程能够预测的阻力增加的颗粒尺寸和体积分数的函数。
2016-08-31 physics.flu-dyn
Large spheres motion in a non homogeneous turbulent flow
我们研究了在湍流冯卡门流中自由平流的大颗粒的动力学。与一般在流动的几何中心附近研究颗粒动力学的其他实验相反，我们在整个实验体积中跟踪颗粒。我们观察到流的平均结构的强烈影响，其对所研究的较大颗粒产生意想不到的大尺度采样效应;与较小但有限尺寸的中性浮力颗粒相反，这些颗粒在均匀和各向同性湍流中没有表现出优先浓度（Fiabane等人，E86（3），2012）。我们发现，直径接近流动积分长度尺度的颗粒非均匀地探索冯卡门流，并且更有可能在位于极向中性线附近的两个圆环附近移动。这种优先采样对于任何变化的参数（雷诺数、颗粒密度和颗粒表面粗糙度）的变化都是相当稳健的。
2013-09-09 physics.flu-dyn
Geotropic tracers in turbulent flows: a proxy for fluid acceleration
我们调查的统计取向的小，中性浮力，球形示踪剂的质心是从几何中心位移。如果考虑适当大小的颗粒，则可以推导出方向矢量的水平分量与加速度的相同分量之间的线性关系。直接数值模拟表明，这种关系可以用来重建统计的加速度波动的数量级的引力加速度。基于这些结果，我们提出了一种新的方法，用于局部实验测量的加速度在湍流。
2013-05-13 nlin.CD physics.flu-dyn
Optimal control of diffuser shapes for confined turbulent shear flows
湍流剪切流的发展模型，在一个封闭的通道中的非均匀的平行流创建的，是用来识别的扩散器的形状，最大限度地提高压力恢复时，流入是不均匀的。宽扩压器角度会加剧不均匀流动，导致压力恢复差。另一方面，浅扩压器角度产生具有大壁阻力的较长区域，这也不利于压力恢复。因此，最佳的扩散器形状在两种效果之间取得平衡。我们使用一个简单的模型，它描述了一个近似的流量分布和压力的扩散器的演变。模型方程形成了最优控制问题的动力学，其中控制是扩压器通道形状。数值优化方法是用来解决的最优控制问题，我们用分析结果来解释在某些限制情况下的数值。将优化结果与计算流体动力学的计算结果进行比较。
2018-04-06 physics.flu-dyn
Finite-sized rigid spheres in turbulent Taylor-Couette flow
我们报告的修改阻力中性浮力球形颗粒在高度湍流泰勒-库埃特流。这些颗粒可以用来解开的影响，尺寸，变形能力，和体积分数的阻力，对比时，气泡流的阻力。我们发现，刚性球几乎没有改变系统的阻力超出平凡的粘度效应所造成的取代工作流体与颗粒。颗粒的大小对阻力有边际影响，较小直径的颗粒仅显示出略微较低的阻力。增加颗粒体积分数显示净阻力增加，因为流体的有效粘度也增加。增加颗粒体积分数的阻力的增加是通过执行激光多普勒风速仪，我们发现，湍流速度波动也随着体积分数的增加而增加。与刚性球相比，气泡的有效减阻也随雷诺数的增加而增加。气泡在减少整体阻力方面也更有效。
2018-04-19 physics.flu-dyn
Turbulence statistics in a negatively buoyant multiphase plume
本文研究了{重粒子组成的多相羽流（粒子在终极速度的雷诺数为450）}中的湍流统计特性。使用折射率匹配的立体粒子图像测速仪，我们测量粒子的位置{其浮力驱动多相羽流的形成，} {连同周围盐水中的诱导流的局部速度}。{羽流中心面的测量值显示出平均流特性的自相似性，与经典的积分羽流理论一致。}湍流特性类似于气泡羽流中测量的特性，包括法向雷诺应力中的强各向异性。然而，我们观察到两个多相羽流之间的结构差异。首先，轴向速度波动的概率密度函数（PDF）的偏斜度不是通过简单地反转气泡羽流的方向来预测的。其次，在对比气泡羽流，颗粒羽流有一个不可忽略的流体剪切生产项中的湍流动能（TKE）预算。第三，TKE预算中所有测量项的径向衰减都比气泡羽流中的径向衰减慢。尽管有这些不同之处，但一个更大的图景出现了，适用于这两种流动。颗粒（或气泡）产生的TKE大致平衡粘性耗散，除了羽流中心线附近。速度波动的一维功率谱显示出-3的幂律，这使得颗粒和气泡羽流都属于不同于单相剪切流湍流的类别。
2019-07-18 physics.flu-dyn
Particle capture by drops in turbulent flow
本文研究了槽道湍流中大变形液滴捕获颗粒的过程。我们模拟固-液-液三相流的欧拉-拉格朗日方法的基础上耦合相场模型的湍流直接数值模拟，捕捉界面动力学，和拉格朗日跟踪的小（亚Kolmogorov）颗粒。液滴具有与载液相同的密度和粘度，并且中性浮力的固体颗粒与其他相单向耦合。我们的研究结果表明，颗粒被运送到接口的射流般的湍流运动，一旦足够接近，被捕获的正表面速度发散的区域中的界面力。这些地区似乎是很好地与高拟能流拓扑结构，有助于涡压缩或拉伸涡拟能生产。研究湍流机制，使粒子的界面，我们已经能够推导出一个简单的机械模型的粒子捕获。该模型可以预测的整体捕获效率，是基于一个单一的湍流传输方程，其中唯一的参数规模与湍流动能的流体在附近的液滴界面测量。该模型在非相互作用粒子的限制下是有效的，其预测与数值结果吻合得非常好。
2020-11-04 physics.flu-dyn
Two regimes of dilute turbulent settling suspensions under shear
本文数值研究了剪切流中稀释非惯性沉积物的湍流沉降，发现根据沉降速度可分为均匀弱分层湍流和顶部湍流底部间歇边界层两种状态，中等沉降速度下流动层流化。
2025-05-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Dynamics of finite-size spheroids in turbulent flow: the roles of flow structures and particle boundary layers
本文利用完全解析的数值模拟方法研究了流体动力学湍流中中性浮力有限大小球体的平移和旋转动力学。我们研究轴对称的形状，从扁长，和粒子的体积依赖性。我们表明，非球形惯性尺度粒子的加速度和旋转所经历的体积过滤的流体力和扭矩的结果，类似于球形粒子。然而，颗粒取向携带与周围的流动结构，这是反映在不同的轴向和横向波动的加速度和旋转速率的优先对齐的签名。即使对于体积当量直径尺寸在惯性范围内的颗粒，也不会发生取向的随机化，此处在$Re_λ=120$下高达60 $η$。此外，我们表明，流体周围的颗粒边界层的作用不能被忽略，以达到定量的理解粒子的统计动力学，因为它们影响的强度的角速度，和相对于旋转旋转翻滚的相对重要性。这项研究带来了在均匀和各向同性湍流的重要性，以及它们对中性浮力体的大小在惯性范围内的运输的影响，惯性尺度的流结构。
2022-02-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A single-domain approach for modeling flow in and around porous media applied to buoyant reacting plume formation and ignition
本文提出覆盖多孔固体与周围流体的单域平均建模方法，无需界面边界条件，揭示浮力反应羽流不稳定性及界面形貌对点火的影响。
2024-12-21 physics.flu-dyn
Dynamics of inertial particles in a turbulent von Karman flow
我们研究了中性浮力颗粒的动力学，其直径在柯尔莫哥洛夫尺度单位（eta）和雷诺数的范围[1，45]内变化，基于泰勒尺度在580和1050之间。在Von-Karman（VK）流的中心，用扩展的激光多普勒测速仪测量颗粒速度的一个分量，通过微分得到加速度。我们发现，尽管粒子加速度方差随着粒子直径的增加而减小，且标度接近（D/eta）^-2/3，但与以前的观察结果一致，加速度自相关的特征时间比以前报道的要大得多，并且与D/eta呈线性关系。对加速度概率密度函数的新分析表明，较大颗粒的机翼较小;平坦度确实减小，这也是从VK流中欧拉压力增量的行为中所预期的。我们将我们的测量结果与以前在风洞湍流和数值模拟中的观察结果进行了对比，并讨论了所观察到的差异是否来自VK流的固有特性。
2010-01-27 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
Jets with Reversing Buoyancy
在时间$t=0$处，将重质流体的射流向上注入到较轻的流体中，并且在时间$t=t_i$处达到最大高度，然后围绕向上的流回。将轻质流体向下注入到重质流体中，也会出现类似的流动情况。本文导出了$t_i$的精确解析表达式。该表达式仍然适用于层流和湍流浮力射流有或无旋流。
2015-04-04 physics.flu-dyn
Measurements of Flow Velocity and Scalar Concentration in Turbulent Multi-component Jets: Asymmetry and Buoyancy Effects
浮力效应和喷嘴几何形状对湍流射流分散有显著影响。这项工作的动机是涉及氢的应用。以氦气为实验代用品，采用粒子图像测速技术（PIV）和平面激光诱导荧光（PLIF）技术对圆管侧壁圆孔产生的水平浮力射流进行了实验研究，获得了瞬时和时均速度场和浓度场。浮力和不对称性对所产生的流动结构的影响进行了研究，在一定范围内的雷诺数和气体密度。显着差异被发现之间的中心线轨迹，传播速率，和速度衰减的常规水平圆形轴对称射流通过平板和管道泄漏的代表性射流在本研究中考虑的问题。现实管道射流总是不对称的，并发现在近场射流轴偏转。在远场，人们发现，现实的管道泄漏的几何形状导致浮力效应占主导地位比预期更快地通过平板发出的水平圆形射流相比。
2018-11-14 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
Suppressing wall modes in confined rotating turbulent convection
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
研究受限旋转湍流对流中壁面模式的抑制问题，通过结合实验与数值模拟，利用环形侧壁屏障控制壁面模式，降低其对热传输等的影响，提高抑制效率，还能诱导二次斜压流，减少侧壁影响进入极端旋转对流状态。
2026-07-08 physics.flu-dyn
Dynamical dispersion in turbulent plumes
湍流浮力羽流的实验观测，由一个恒定的浮力源，已经描述了巨大的成功，使用水平平均模型的质量，动量和浮力通量守恒。然而，实验观测的羽流与时间相关的浮力通量已被证明更具挑战性的定量模型。在羽流的每一个层次，速度的水平变化导致沿轴剪切，因此分散运输相对于平均值。对于随时间变化的源，羽流的动力学特性的轴向分散在流动的演变中具有关键作用。利用混合长度理论的思想，我们引入了一个模型，这种轴向分散，并测试模型与实验观测的羽流中的浮力通量突然减少或突然增加。在这两种情况下，我们发现从一个浮力通量到另一个浮力通量的转变是自相似的，并且利用这些数据，我们发现轴向弥散可以表示为βUb，其中β在0.70-0.88的范围内，U和b分别是高度z和时间t处羽流的水平平均垂直速度和半径。当浮力通量稳定时，我们的模型也退化为经典的羽流模型。
2018-12-14 physics.flu-dyn
The entrainment and energetics of turbulent plumes in a confined space
我们分析了卷吸和能量的相等和相反的轴对称湍流空气羽流在一个垂直受限的空间中的瑞利数为$1.24\times 10^{7}$使用理论和直接数值模拟。在足够大的长宽比的域上，稳定状态由穿过两层近似均匀浮力之间的界面的湍流羽流组成。如Baines和Turner（J. Fluid Mech.vol.37，1969，pp. 51-80），在穿透界面时，由于其相对于局部环境的平均浮力减小，每个羽流中的流动变得受迫并且表现得像恒定动量射流。为了观察羽流的行为，我们将域划分为对应于每个羽流的子域。相对小的长宽比的区域在子域之间产生一个单一的主平均流环流，并通过卷吸进入羽流来维持。在较大的纵横比的子域之间的平均流量分叉，表明存在的二次环流与夹带到射流中的每一层内。为了研究流动的能量学，我们使用可用势能（APE）的局部定义。对于羽流与高斯速度和浮力分布，我们开发的理论表明，动能耗散之间的射流和羽流平均分配，并共同占几乎一半的输入APE的边界。相反，APE耗散和背景势能（BPE）产生的$1/4$发生在喷流中，其余的$3/4$发生在羽流中。这些散装的理论预测同意从模拟观察到的BPE生产内$1\%$，并形成一个相似的解决方案，模拟APE耗散和BPE生产的垂直依赖的基础。
2020-02-09 physics.flu-dyn
Turbulent rotating convection confined in a slender cylinder: the sidewall circulation
最近的研究旋转瑞利-贝纳德对流在高转速和强热强迫的总热输运之间的显着差异的实验在一个封闭的圆柱形域的一方面和模拟的横向无约束的周期性域的另一方面。本文解决了这种差异，使用直接数值模拟的圆柱形域。对流场的分析揭示了壁附近的对流增强区域，即侧壁环流。侧壁环流在圆柱内沿反气旋方向缓慢旋转。它有一个回旋的结构，说明了平均流场的水平横截面的流动，其中瞬时快照的侧壁环流的方向进行补偿，然后平均。通过对侧壁区域和内部整体流动的单独分析，我们发现，对于较高的热强迫值，在侧壁环流区域之外的圆柱形区域的内部的热传输与无约束周期性区域上的热传输一致。因此，侧壁环流占两个考虑域之间的热传递的差异，而在散装的湍流热通量是相同的横向无界的周期性域。因此，实验，其固有的限制，仍然可以提供类似于模拟的无界域的湍流，并在更极端的值的热强迫和旋转的控制参数。我们还提供了实验证据的侧壁环流的存在，是在密切的协议与模拟结果。
2020-01-23 physics.flu-dyn
Statistical theory of reversals in two-dimensional confined turbulent flows
结果表明，截断欧拉方程，即一组有限的常微分方程的振幅的大规模模式，可以正确地描述复杂的过渡动力学，发生在一个封闭的二维Navier-Stokes流与底部摩擦和空间周期强迫的湍流制度。特别是，湍流背景上的大尺度环流的随机反转涉及的大尺度环流速度的概率分布函数的分叉，所描述的相关的微正则分布，显示从高斯到双峰和打破遍历性的过渡。一个最小的13模式模型再现这些结果。
2016-07-04 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Comparative experimental study of local mixing of active and passive scalars in turbulent thermal convection
我们在$Ra\sim10^{10}$实验研究了水中湍流瑞利-贝纳德对流中主动和被动标量场的统计特性。在矩形池的侧壁附近测量了荧光染料的局部浓度和局部温度。结果表明，虽然它们是由同一湍流平流输送的，但两个标量的分布不同。这种差异是双重的，即数量本身和它们的小尺度增量都有不同的分布。结果表明，存在一个基于时间域的浮力尺度，即Bolgiano时间尺度$t_B$，在此尺度以上，浮力效应是显著的。高于$t_B$，温度是主动的，并且发现比被动的浓度更间歇。这表明，在湍流热对流中，活动标量具有较高的不稳定性。它进一步发现，这两个标量场的混合是各向同性的尺度大于$t_B$，即使浮力作用于流体在垂直方向上。低于$t_B$，温度是被动的，并且被发现比浓度更具有各向异性。但这种较高的各向异性程度归因于温度的扩散率高于浓度的扩散率。从温度和浓度的同时测量，它表明，两个标量具有相似的自相关函数，它们之间有很强的正相关。
2008-03-29 physics.flu-dyn
Luminous Flame Height Correlation Based on Fuel Mass Flow for a Laminar to Transition-to-Turbulent Regime Diffusion Flame
本文提出了一个层流过渡到湍流状态扩散火焰的火焰高度关联式。火焰高度的测量是通过数值和实验研究获得的，其中三个高清晰度的摄像机同时采取正面，侧面和45 °角的图像。使用图像处理算法分析图像，以通过间接测量确定火焰高度。为了确定化学火焰的总长度，采用非定常数值模拟方法对化学火焰进行了数值模拟。采用涡耗散模型计算了化学反应的反应速率。实验表明，该关联式对层流区的发光火焰高度的调节变化为16.9%，表明在不使用间歇浮力火焰高度关联式的情况下，该关联式能最好地代表层流区的火焰高度。对于层流和过渡到湍流制度的调整变化是5.54%相比，最公认的火焰高度的相关性，从而提供了一个可接受的良好的拟合。数值计算结果表明，与实验火焰图像相比，化学火焰长度的建议范围位于发光和闪烁火焰区之间。这些结果与文献报道的化学长度区一致。因此，相关性可用于层流和过渡到湍流燃烧制度。
2020-08-27 physics.flu-dyn
Solute dispersion in pre-turbulent confined active nematics
Universidade de Lisboa（里斯本大学）；Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa（里斯本大学理学院）；Centro de Física Teórica e Computacional, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa（里斯本大学理学院理论与计算物理中心）；Departamento de Física, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa（里斯本大学理学院物理系）
研究了活性凝胶在狭窄通道中溶质的分散机制，发现两种预湍流流态中溶质纵向分散由速度场的二阶矩决定，与活动性成正比，为不同流态提供了共同的分散机制。
2024-10-06 cond-mat.soft 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
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
Numerical Study of Laminar and Turbulent Natural Convection from a Stack of Solid Horizontal Cylinders
本文在三维计算区域内数值研究了等温固体水平圆柱叠层的自然对流。模拟分别在瑞利数（Ra）范围为（10^4至10^8）和（10^10至10^13）的层流和湍流状态下进行。在本研究中，圆柱体的长径比在0.5至20的范围内变化。通过以三角形方式布置三个、六个和十个数量的圆柱体，考虑了三种不同的堆叠布置用于数值模拟。目前的计算研究是能够评估非常有趣的热浮力羽流结构周围的堆栈的气缸。平均努塞尔数（Nu）显示出对所有L/D的Ra的正相关性。三个气缸的堆叠的平均Nu略高于六个气缸随后是十个气缸的堆叠的平均Nu。此外，在特定Ra下，Nu对于短圆柱体（低L/D）显著更高，并且随着L/D的增加而减小，直到10或15，并且对于长圆柱体保持恒定。此外，本文的数值计算结果也与空心圆柱堆进行了比较。一个新的努塞尔数的相关性已被开发为不同的堆栈作为Ra和L/D的函数，这将是有用的工业从业者和学术研究人员。
2019-05-14 physics.flu-dyn
