Spatially evolving vortex-gas turbulent free shear layers: Part 1. Effect of velocity ratio, and upstream and downstream conditions on spread-rate
最近，通过大量的数值模拟，建立了涡旋-气体模型与无粘不可压缩流体中随时间演变的湍流自由剪切层的大尺度动力学的相关性（Suryanarayanan等人，Phys. Rev. E 89，013009，2014）。在这里，通过涡-气模拟研究了空间演变的二维自由剪切层中速度比的影响，所用的计算模型是基于Basu等人（1992，1995）的，但作了重要的改进，以确保全球环流守恒。这些是针对速度比参数$λ= (U_1-U_2)/(U_1+U_2)$的值的范围进行的，其中$U_1$和$U_2$（$< U_1$）是穿过层的相应速度。模拟结果表明，施加在自由剪切层的开始和出口处的域的条件可以影响在其各自的街区，后者是特别强的$λ\rightarrow 1$的流动演变。在这两个邻域之间是由$λ$的通用函数给出的通用自保持增长率的区域。计算的增长率位于平面混合层上的实验数据的分散范围内，并且与最近的高雷诺数实验和三维LES研究非常一致，经过混合过渡，并支持了自由剪切层增长可以用准二维大尺度结构的二维涡动力学来解释的观点。
2015-09-03 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
On the vortex dynamics of synthetic jet -- turbulent boundary layer interactions
利用立体粒子图像测速技术（SPIV）对合成射流与湍流边界层相互作用产生的旋涡动力学进行了实验研究。对三种展弦比为18的矩形孔口几何形状进行了试验，包括垂直于壁面的展向和流向孔口，以及在下游倾斜$45^\circ$的展向孔口。此外，三个驱动条件进行了测试，以探讨不同的吹风比和Strouhal数的影响。在测量平面阵列上获得的SPIV数据用于重建三维平均和锁相速度场，从而能够详细分析旋涡的形成和发展。孔口几何形状和流动条件的变化产生了一系列涡流结构，包括扭曲的涡环、发夹形涡流和拱形涡流。从壁面法线孔的射流主要由与边界层涡度相同方向旋转的涡所控制，该涡度通过增加混合来提高近壁面流速。相反，在倾斜射流的主导结构旋转的边界层涡，这些射流通过直接增加动量提高了近壁的流速。流场分析表明，合成射流-边界层的相互作用，导致倾斜的射流在低吹风比下工作，产生的占主导地位的涡流比壁面垂直射流在相同条件下产生的涡流弱得多。最后，在最低的Strouhal数测试的壁法向射流中的涡流之间的间距的增加导致更高的非定常混合比在较高的Strouhal数观察。
2022-05-15 physics.flu-dyn
The trapping and escape of buoyant vortex rings in sharply stratified fluids
在这个流体动力学视频中，我们研究了在周围强烈（近两层）分层流体中的混溶涡环的动力学。实验和直接数值模拟使用变密度Navier-Stokes（VARDEN）求解器进行了比较。临界现象的确定取决于实验的关键参数（流体和环密度，上层涡的行程距离等），其中下降的密集涡环可能会经历完全捕获，部分捕获，或分裂成级联的较小的涡流。涡环与上层流体的相互作用导致粘性卷吸，这改变了环的有效浮力。在撞击密度过渡时，夹带流体赋予不同的动力学，因为它试图重新获得平衡，导致临界行为。
2011-10-15 physics.flu-dyn
On the morphology of two-dimensional laminar vortex streets behind triangles
三角形后的二维层流涡街有两种形态上不同的结构，取决于雷诺数和三角形的长宽比。这两种结构是常规结构和分离排结构，分离排结构的特征在于两个涡排之间的无旋流体薄层。本文通过数值模拟发现，当边界层的厚度小于其分离距离的25%时，就会出现分离列结构。线性稳定性分析表明，该判据与两个边界层耦合产生不稳定模态有关。
2021-01-12 physics.flu-dyn
Deformation of vortex patches by boundaries
本文研究了流体边界附近二维涡斑的变形。边界的存在使一个最初为圆形的均匀涡量斑块发生变形。在离边界足够远的地方，变形后的形状可以很好地近似为椭圆。利用Melander，Zabusky & Styczek [M. V. Melander，N. J. Zabusky & A. S. Styczek，J. Fluid.机械，167，95（1986）]。当边界是直的，椭圆片的中心保持在一个恒定的距离从边界，和运动是可积的。此外，由于作用在涡斑上的应变流在时间上是恒定的，所以问题是Kida [S. Kida，J.Phys.Soc.Japan，50，3517（1981）]。对于更复杂的边界形状，如正方形拐角，运动不再是可积的。相反，存在运动的绝热不变量。这种绝热不变量的出现是由于时间尺度之间的分离相对较快的时间尺度与补丁的旋转和较慢的时间尺度与补丁的自平流沿边界。涡斑与圆形岛屿的相互作用也被考虑。在没有背景流的情况下，角冲量守恒意味着运动又是可积的.通过岛的无旋流的添加可以驱动补丁向边界，导致大的变形和破碎的可能性。
2013-01-26 physics.flu-dyn
Linear Stability of Inviscid Vortex Rings to Axisymmetric Perturbations
本文研究了Norbury（1973）发现的无粘涡环族对轴对称扰动的线性稳定性。由于这些涡环获得的自由边界问题的解决方案，他们的稳定性分析是使用最近开发的方法的形状分化适用于轮廓动力学制定的问题，在三维轴对称几何形状。这种方法使我们能够系统地考虑边界变形对涡环线性化演化的影响。我们研究了假设与平衡配置中的涡环具有相同环流的扰动的瞬时放大。这些稳定性，然后确定由一个奇异的积分-微分算子定义在涡边界上的双曲平面的频谱。由此产生的广义特征值问题的数值求解与频谱精确离散。我们的研究结果表明，虽然薄涡环保持中性稳定的轴对称扰动，他们成为线性不稳定，这样的扰动时，他们是足够的“胖”。对本征模结构的分析表明，在薄涡和厚涡极限下，它们分别接近于朗肯涡和希尔涡的相应本征模。这项研究是一个垫脚石的方式对一个完整的稳定性分析的无粘涡环相对于一般扰动。
2019-06-10 physics.flu-dyn
Linear Stability of Hill's Vortex to Axisymmetric Perturbations
本文研究了Hill涡在轴对称扰动下的线性稳定性。鉴于希尔涡是一个自由边界问题的解决方案，这种稳定性分析是通过应用形状微分的方法，在三维轴对称几何形状的问题的轮廓动力学制定。这种方法使我们能够系统地解释边界变形对恒定环量约束下涡旋线性演化的影响。由此产生的奇异积分微分算子定义在涡边界上的离散与高精度的谱方法。该算子有两个不稳定和两个稳定的本征值，并由中性稳定本征值的连续谱补充。通过考虑一个家庭的适当的正则化（平滑）的本征值问题解决了一系列的数值分辨率，我们证明了相应的本征函数实际上是奇异的对象的形式的无限尖锐的峰值本地化的前部和后部的停滞点。因此，这些发现完善了Moffatt和Moore（1978）的经典分析结果。
2016-06-01 physics.flu-dyn
Melting Transition of Vortex Lattice in Point Vortex Systems
点涡以旋转系统中的三角形格子结构为最小能态。我们进行了数值模拟的点涡系统的初始条件表明，三角形格子是随机扰动。总能量随微扰的大小而增加。当能量增加时，涡格变得不规则，出现层状结构。当能量进一步增加时，层状结构消失，出现类液态。我们解释的熔化过渡与平均场近似的层状结构。
2012-09-25 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Point-Vortex Simulations Reveal Universality Class in Growth of 2D Turbulent Mixing Layers
自由剪切湍流中一个中心但有争议的问题是其增长率的普遍性（或其他）。我们解决这个问题在这里的特殊情况下的时间二维混合层在一个点涡气体通过广泛的高精度数值模拟，首次利用一个强大的整体平均策略。模拟结果表明，这样的混合层的动量厚度增长的普遍渐近速率为0.0167 +/- 0.00017倍的速度差在很宽的初始条件下，通常经过很长的瞬变。
2010-08-17 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Edge wave and boundary layer of vortex matter
我们表明，涡旋物质，即在不可压缩的二维流动，如快速旋转的超流体或湍流的符号状涡的涡旋的密集组装，表现出（i）的边界层的涡（涡层），和（ii）的非线性波局部涡层，边缘波。这两种现象都是旋涡的拓扑性质的结果。如果把涡旋物质近似为一个连续的涡量片，则两者都失去了。边缘波由可积Benjamin-Davis-Ono方程控制，该方程表现出具有量子化总涡度的孤子。量子化孤子通过其动力学特性揭示了涡旋的拓扑性质。边缘波和涡度层是由涡旋物质的奇粘性引起的。我们还确定的Virasoro-Bott组的圆，奇粘度parametrizes的中心扩展的graphomorphisms的行动的动力学。我们的边缘波是分数量子霍尔效应边缘态的流体动力学模拟。
2019-02-19 cond-mat.mes-hall physics.flu-dyn
Numerical Simulation of Vortex Crystals and Merging in N-Point Vortex Systems with Circular Boundary
在二维无粘不可压缩流中，低背景涡量分布加速了强涡（团）的相互融合并形成对称排列，称为"涡晶“;它们在纯电子等离子体实验和欧拉流体模拟中被观察到。涡并合被认为是由L.昂萨格初始分布与此的微小差异导致“涡旋晶体”。我们研究这些现象，通过检查N点涡系统的Hamilton运动方程。首先，我们研究了一个没有背景分布的三点涡系。对于N \geq 3，具有边界的N点涡旋系统表现出混沌行为。为了研究这种具有圆形边界的三点涡旋系统的相空间结构的性质，我们研究了这种系统的庞加莱图。然后，我们表明，该系统的庞加莱图的拓扑结构急剧变化时，参数，这是有关的符号的“温度”，是变化的。其次，我们引入了一个具有圆形边界的N点涡旋系统的能谱公式。在此基础上，通过数值计算，再现了一个几百点涡系中的涡晶和涡合并。我们证实了在涡旋结晶过程中，涡旋的能量是从团簇向背景转移的。在涡并合过程中，我们数值计算了能谱，证实了在10^0<k<10^1区域，涡并合后的能谱表现为k^{-α}，（α \approx 2.2-2.8）。
2004-11-24 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.flu-dyn
Motion of a Buoyant Vortex Patch
本文分析了二维浮力涡斑的运动，即具有不同于周围流体的均匀密度的均匀密度的涡斑，并根据其质心运动、边界变形和涡面强度的演化方程进行了分析。质心方程由线性动量分析导出，板料强度方程由边界上的欧拉方程导出，而边界变形则在质心固定的框架中进行研究。得到了一组复杂的耦合方程，据我们所知，这是以前从未得到过的。薄板强度的演化可以用积分方程表示。还在尺寸消失的斑块或浮力点涡旋的极限下检查了这些方程。
2021-05-27 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Predicting vortex merging and ensuing turbulence characteristics in shear layers from initial conditions
在环境和工业流动中，不稳定剪切层卷起形成一系列旋涡，这些旋涡往往形成复杂的非线性合并模式，如成对和三联体。这些模式决定了随后的湍流，混合和标量传输。我们发现，后期的时间，高度非线性的合并模式是可预测的线性化的初始状态。垂直速度场的连续波长之间的初始不对称性提供了涡合并的强度和模式的有效测量。使用直接数值模拟证实了这一措施的预测。我们还表明，这一措施有显着的影响，在确定路线的湍流和随之而来的湍流特性。
2019-08-28 nlin.PS physics.flu-dyn
Interaction of a monopole vortex with an isolated topographic feature in a three-layer geophysical flow
在一个$f$平面地球物理流的三层准地转解析模式的框架内，讨论了由涡旋与孤立地形相互作用引起的拉格朗日平流。我们感兴趣的是两种不同的情况下，无论是在上层或中层的位置。在底层，有一个三角洲功能的地形特征，它产生了一个封闭的回流区，在其附近，由于背景流。这个回流区一直延伸到中层和上层，起着地形涡的作用。湍流和地形涡旋之间的相互作用导致复杂的，包括混乱的，流体粒子的平流。我们发现，模式的参数，即地形涡和地形涡的强度和初始位置，层的深度和密度是负责不同的平流模式。虽然模式相当复杂，但是，人们可以挑出两个主要过程，它们主要控制流体粒子平流。第一个是系统的相空间结构随时间的变化，使得在地形涡旋的封闭区域内，出现周期性的不封闭颗粒路径，颗粒通过该路径离开地形涡旋。第二种是混沌平流，这是由于对流层与地形相互作用的非平稳性引起的。
2012-09-27 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
The effective slip length and vortex formation in laminar flow over a rough surface
通过求解具有局部滑移和无滑移边界条件的纳维-斯托克斯方程，数值研究了不可压缩粘性流体在周期性波纹表面上的流动。我们考虑的有效滑移长度是相对于表面粗糙度的平均高度的水平定义的。随着振幅的增加，有效的无滑移边界平面向流体的主体移动，这意味着负的有效滑移长度。壁面切应力分析表明，在局部边界条件为无滑移的情况下，粗糙表面的沟槽内会产生流动循环。通过施加局部滑移边界条件，涡的中心向槽底移动，有效滑移长度增加。当内禀滑移长度大于振幅时，近表面流线沿边界曲率变形，涡消失，有效滑移长度饱和为一常数。惯性效应促进了槽内涡流的形成，减小了有效滑移长度。
2008-10-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn
The Turbulent 'Mixing' Layer as a Problem in the Non-equilibrium Statistical Mechanics of a Vortex Gas
本文的目的是解开任何可能存在的关系之间的湍流剪切流和统计力学，通过详细的数值研究，在最简单的情况下，两者都可以很好地定义。为此目的考虑的剪切流是二维时间混合层，它是一种随时间变化的流动，在流向（x）上统计均匀，并从平面涡面沿垂直于它的方向（y）在周期为L的x域中发展。与统计力学的联系是通过广泛的计算机模拟，重新审视一个适当的初始值问题，一个有限的，但大量的（N）点涡的相同强度（γ）和符号构成一个“涡旋气体”。由于已知与涡流气体相关的流动提供欧拉方程的弱解，因此这种联系可能在流体动力学方面是有意义的。使用模拟研究了超过10种不同的初始条件类别，涉及多达10^4个涡，在多达10^3个实现中评估了系综平均值，并在10^4 L/（ΔU）（其中ΔU是跨层的速度差，由Nγ/L给出）上进行了积分。(see PDF格式的完整摘要）
2012-12-29 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Steady Contiguous Vortex-Patch Dipole Solutions of the 2D Incompressible Euler Equation
本文通过新颖的不动点方法严格构造了二维不可压缩欧拉方程的首个连续涡斑偶极子稳态行波解，并证明了其边界光滑性等性质。
2025-07-18 math.AP physics.flu-dyn
Hydrodynamics of vortex memory system driven by edge-current and boundary magnetization
本文建立磁流体动力学模型，结合简化格子玻尔兹曼方法研究边缘电流和边界磁化对涡旋构型的影响，为下一代涡旋存储系统设计提供依据。
2024-05-05 math-ph math.MP physics.comp-ph
High Reynolds number Navier-Stokes solutions and boundary layer separation induced by a rectilinear vortex
本文计算了半平面内直线涡与边界相互作用的二维流动的Prandtl方程和纳维-斯托克斯方程的解。对于这个初始数据，普朗特方程在有限时间内发展出一个分离奇点。研究了不同雷诺数$Re=10^3-10^5$下Navier-Stokes方程解的非定常分离的不同阶段，发现粘性边界层与无粘外流之间存在大尺度的相互作用。我们还看到一个后续阶段，其特征在于存在一个小规模的相互作用，这是可见的，只有中高Re数$Re=10^4-10^5$。我们还调查了边界层理论的渐近有效性比较普朗特的解决方案，Navier-Stokes解决方案在非定常分离的各个阶段。
2013-10-24 math-ph math.AP math.MP
Vortex dynamics and shear layer instability in high intensity cyclotrons
我们证明了在回旋加速器中，强流束在垂直于磁场的平面内的空间电荷动力学可用二维不可压缩流体的欧拉方程描述。与流体动力学的这种类比给出了一个统一且直观的框架来解释实验和模拟中观察到的光束螺旋和光束分裂行为。特别是，我们表明，光束分裂是一个经典的不稳定性发生在流体剪切流的结果。我们给标度律的不稳定性和预测的非线性演化的光束受it. Our工作表明，回旋加速器可能是唯一适合的剪切层和涡旋分布的实验研究，是无法实现的潘宁-Malmberg陷阱。
2016-04-15 physics.acc-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Viscous-Inviscid Interactions in a Boundary-Layer Flow Induced by a Vortex Array
本文研究了边界层理论的渐近有效性。对于由周期性点涡列诱导的流动，我们比较了普朗特解和不同$Re$数下的Navier-Stokes解。我们展示了如何普朗特的解决方案开发一个有限的时间分离奇点。另一方面，Navier-Stokes解的特征在于边界层和外流之间存在两种粘性-无粘性相互作用。这些相互作用可以通过分析涡度拟能和壁面压力梯度来检测。此外，我们应用复奇异跟踪方法的普朗特和Navier-Stokes的解决方案，并从不同的角度分析以前的相互作用。
2014-04-16 math-ph math.MP physics.flu-dyn
A superfluid boundary layer
我们模型的超流体流动的液氦在粗糙的表面上的线（用于实验产生湍流）轮廓的原子力显微镜。Gross-Pitaevskii方程的数值模拟表明，表面中最尖锐的特征在本质上（由于局部流体速度升高）和外在（为与流动对齐的涡线提供钉扎位置）诱导涡核。涡的相互作用和重新连接有助于形成具有非经典平均速度剖面的密集湍流涡层，该剖面不断地将小涡环脱落到主体中。我们将此层用于各种强加流。由于边界层通常是由粘性力引起的，因此这一结果为研究超流的性质提供了新的视角。
2017-02-14 cond-mat.other cond-mat.quant-gas physics.flu-dyn
VortexViz: Finding Vortex Boundaries by Learning from Particle Trajectories
San Francisco State University（旧金山州立大学）；UC Santa Cruz（加州大学圣克鲁兹分校）；NOAA National Ocean Service（美国国家海洋和大气管理局国家海洋局）
本文提出VortexViz方法，将粒子轨迹（流线或迹线）引入深度学习训练过程，利用流场区域与局部特征提升涡旋边界提取的准确性。
2024-04-01 cs.AI cs.CV cs.GR
