Mixing and unmixing induced by active camphor particles
在这项实验研究中，我们报告的混合性能的界面胶体浮子（玻璃泡）的化学和流体动力学电流所产生的自推进樟脑磁盘游泳在空气-水界面。尽管玻璃泡分布达到统计学上的稳定状态，但这些漂浮物总是保持仅部分混合。这种中间状态的结果之间的竞争（i）混合诱导的无序运动的许多樟脑游泳者和（ii）unmixed促进的化学云连接到每个单独的自推进盘。混合/不混合的特点是全球使用的浓度和光谱的标准偏差，但也更局部的平均浓度场周围的游泳者。除了分层过程，该系统开发了一个“类似的”浓度谱，与大尺度区域，惯性制度和Batchelor区域。我们发现，不混合是由于周围的樟脑游泳者的马兰戈尼流，并与可压缩效应。
2021-01-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Inhomogeneous preferential concentration of inertial particles in turbulent channel flow
导致惯性颗粒在低湍流扩散率区域中的优先集中的湍流泳动是非均匀湍流（例如自由剪切流或壁边界流）的独特特征。本文将均匀湍流中弱惯性颗粒的成团理论推广到槽道湍流的非均匀情形。在均匀湍流中，除了团簇外，非均匀性也有助于团簇形成。根据湍流的局部统计，导出了产生不均匀颗粒浓度的空间相关速率。我们提供了浓度的成对关联函数的公式，该函数分解为时间和空间相关的平均浓度的乘积和时间无关的聚类因子，该聚类因子在点之间的距离上服从幂律。这种幂律表征了粒子分布的不均匀多重分形性。一个独特的示范和量化的组合效应的turbophoresis和分形聚类在一个直接的数值模拟的颗粒运动在湍流槽道流中进行根据所提出的理论。流动的不均匀性对聚集的贡献最大，发生在粘性子层和缓冲层之间的过渡区域。均匀项和非均匀项的比值取决于壁距。非均匀项可以显著增加惯性颗粒的优先浓度，因此与纯均匀湍流中具有相同惯性的颗粒相比，非均匀湍流中的总体聚类程度可能更强。
2017-02-05 physics.flu-dyn
Turbulent fluid acceleration generates clusters of gyrotactic microorganisms
微生物的运动性往往受到其环境的物理和化学性质的梯度的影响，对它们的生态有着无数的影响。在这里，我们表明，流体加速重定向回转浮游生物，引发小规模集群。我们实验证明了这种现象，通过研究浮游植物的分布在一个旋转的坦克，并发现它是在良好的协议与一个新的，广义的模型gyrotaxis。当该模型在湍流的直接数值模拟中实现时，我们发现流体加速产生多重分形浮游生物聚类，更快和更稳定的细胞产生更强的聚类。通过在高涡度区域产生积聚，该过程与重力加速度导致的聚集有着根本的不同，从而扩大了湍流影响主动悬浮物空间分布的机制范围。
2013-10-04 physics.flu-dyn
Clustering of gyrotactic microorganisms in turbulent flows
我们研究了由直接数值模拟产生的三维湍流输送的回旋并合微生物的空间分布。我们发现，回旋结合湍流波动产生小尺度（多）分形聚类。我们解释这一结果表明，回旋游动细胞的行为就像示踪剂在可压缩流。在流体加速度比重力大得多和小得多的情况下，导出了有效压缩系数。
2012-06-12 nlin.CD physics.flu-dyn
Clustering of Inertial Particles in Turbulent Flow Through a Porous Unit Cell
采用直接数值模拟方法研究了在不同Stokes数（$St = 0.01, 0.1, 0.5, 1, 2$）和孔雷诺数为500时，面心立方多孔单胞受限几何结构中湍流对细颗粒输运、聚集和沉积的影响。颗粒使用单向耦合前进，并且颗粒与孔壁的碰撞被建模为具有镜面反射的完全弹性。用于研究惯性粒子动力学和聚类均匀流的工具进行了调整，以考虑到嵌入式，弯曲的孔壁几何形状。聚类的模式和动力学研究使用Voronoi镶嵌的体积变化的时间来分析的发散和收敛的粒子。与均匀、各向同性湍流的情况类似，团簇形成存在于大体积中，而团簇破坏在小体积中突出，并且这些效应随着Stokes数而放大。然而，与均匀的，各向同性的湍流，形成大量的非常小的体积观察到在所有的斯托克斯数，是由于颗粒与孔壁的碰撞。粒子数密度的多尺度小波分析表明，随着斯托克斯数的增加，聚类峰向更大的尺度移动。尺度相关的偏斜度和平坦度量化的间歇性空隙和集群分布，观察到的团簇形成在小尺度的所有斯托克斯数，和大尺度的大斯托克斯数的空隙区域。
2021-08-23 physics.flu-dyn
Three-dimensional clustering characteristics of large-stokes number sprays interacting with turbulent swirling co-flows
本研究利用像散干涉粒子成像技术实验探究了大Stokes数喷雾在湍流旋流同向流中的三维团聚特性，揭示了团聚程度、尺度与Stokes数的幂律关系及液滴直径分布规律。
2024-03-23 physics.flu-dyn
Turbulent Clustering of Protoplanetary Dust and Planetesimal Formation
我们研究了湍流中惯性粒子的成团现象，并讨论了它在原行星盘尘埃粒子中的应用。使用数值模拟，我们计算的径向分布函数（RDF），它的措施，发现粒子对在给定的距离，和粒子浓度的概率密度函数的概率。聚类统计取决于斯托克斯数$St$，定义为颗粒摩擦时间尺度$τ_{\rm p} $与流动中的柯尔莫哥洛夫时间尺度的比率。在耗散范围内，团簇强度在$St \simeq 1$处有一个强烈的峰值，而$St \sim 1$的径向分布函数在小尺度上呈快速的幂律增长，表明湍流团簇可以显著提高粒子碰撞率.在惯性范围尺度的聚类是特别感兴趣的星子形成的问题。在这些尺度下，最强的聚类来自具有在惯性范围内的$τ_{\rm p}$的颗粒。这些颗粒的聚集主要发生在涡流周转时间为$\simτ_{\rm p}$的尺度周围。不同尺寸的颗粒倾向于聚集在不同的位置，导致小尺度下不同颗粒之间的平坦RDF。在存在多种粒度的情况下，总体聚集强度随着粒度分布变宽而降低。我们讨论了最近的星子形成模型中的粒子聚类。我们指出，在模型的基础上湍流聚集的球粒大小的颗粒，找到强大的集群，可以种子星子的概率可能被大大高估。我们讨论了各种集群机制在模拟的微行星形成的引力坍缩的密集团块的米级颗粒，特别是湍流集群由于有限的数值分辨率的贡献。
2011-06-18 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Separate and joint clustering characteristics of large Stokes number sprays subjected to moderately turbulent co-flows
本文实验研究了湍流共流中大斯托克斯数喷雾的液滴簇团与空隙特性，发现簇团尺度随斯托克斯数线性变化且簇团内液滴数密度约为空隙的10倍，为工程中调控喷雾聚类行为提供了依据。
2022-12-26 physics.flu-dyn
Description of clustering of inertial particles in turbulent flows via finite-time Lyapunov exponents
本文导出了非定常随机流中惯性质点在Stokes阻力作用下运动的渐近解。该解提供了有限时间李雅普诺夫指数作为斯托克斯数和拉格朗日应变和旋转速率自协方差的函数。这些指数的总和，这对应于一个浓度加权的粒子速度场的发散，被认为是聚类的措施。对于分散在各向同性湍流中的惯性颗粒，我们的分析预测在中间Stokes数处的最大聚类和在小和大Stokes数处的最小聚类。直接数值模拟进行定量验证我们的分析，显示两者之间的合理协议。
2016-06-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Accelerating high order discontinuous Galerkin solvers through a clustering-based viscous/turbulent-inviscid domain decomposition
本研究利用无监督聚类划分不可压缩流动的粘性/湍流与无粘区域，结合间断Galerkin框架分区求解不同方程，搭配局部P-自适应后最高可降低45%计算成本且保持精度。
2024-03-08 physics.flu-dyn
Intricate Relations Among Particle Collision, Relative Motion and Clustering in Turbulent Clouds: Computational Observation and Theory
考虑含有小惯性粒子的湍流云，我们研究了粒子碰撞，特别是碰撞-凝聚，对粒子聚集和粒子相对运动的影响。本文对小Stokes数下各向同性湍流中的颗粒进行了直接数值模拟（$St=0.001-0.54$），并发现，由于碰撞-凝固，径向分布函数（RDFs）在尺度$r \sim d\,\,$急剧下降（其中$d$为粒径）至小但有限的值，而粒子相对速度（MRV）的径向分量的平均值则急剧增大。基于先前提出的Fokker-Planck（漂移扩散）框架，我们推导出一个理论帐户的粒子碰撞凝聚率，RDF和MRV之间的关系。该理论包含了早期平均场论中缺少的惯性涨落的贡献。我们在数值上表明，该理论准确地解释了DNS结果（即，给定精确的RDF，该理论可以产生精确的MRV）。另外，我们还提出了一个现象学模型，可以直接预测MRV，并发现它是准确的，当使用流体速度的四阶矩校准。我们使用该模型推导出RDF的一般解决方案。我们发现了一个悖论：过去的经验成功的微分版本的理论在理论上是不合理的。当重力沉降参数（$S_g$）为$O(1)$阶时，我们看到RDF（和MRV）的进一步保形减少。我们的研究结果表明RDF和MRV之间的强耦合，并意味着早期的孤立的研究RDF或MRV预测粒子碰撞率的相关性有限。
2022-07-13 physics.flu-dyn
Clustering, fronts, and heat transfer in turbulent suspensions of heavy particles
由湍流输送的重惯性粒子集中在平流被动标量（如温度）显示非常强的前状不连续性的区域。这种新颖的效应是由颗粒采样的被动场的极高水平的波动的原因，该波动影响颗粒与周围流体之间交换的热通量。瞬时和平均的热通量遵循强烈的间歇性统计和异常标度律。
2014-01-09 nlin.CD physics.flu-dyn
Kinetic theory based solutions for particle clustering in turbulent flows
本文基于动理论概率密度函数描述研究湍流中粒子聚集，通过动量守恒识别出两个常被忽视的质量通量贡献，并利用运动学模拟证明它们对正确预测粒子聚集机制至关重要。
2025-04-01 physics.flu-dyn
Quantifying microbubble clustering in turbulent flow from single-point measurements
单点热线测量的湍流通道的大部分已被执行，以检测和量化的现象，优先气泡积累。我们表明，统计分析的气泡探针碰撞时间序列可以给出一个强大的方法，调查集群在散装地区的湍流，由于不透明的流动，没有成像技术可以采用。我们表明，微气泡（半径R_0 ~ 0.1 mm）在一个发达的湍流，其中的Kolmogorov长度尺度为，eta ~ R_0，在小尺度结构中显示出优先浓度与一个典型的统计签名范围从耗散范围，O（η），低惯性范围，O（100 η）。与欧拉-拉格朗日数值模拟的比较也进一步支持我们提出的方法来表征聚类从时间序列在一个固定的位置。
2008-01-26 nlin.CD physics.flu-dyn
The clustering instability of inertial particles spatial distribution in turbulent flows
本文提出了惯性粒子在湍流速度场作用下，由于其空间分布的不稳定性而引起的惯性粒子的群聚理论。团簇不稳定性的原因是粒子惯性和速度场的有限关联时间的综合作用。团簇不稳定性的关键参数是颗粒的尺寸。临界尺寸估计为一个强的集群（与有限部分的颗粒在集群中）与增长的平均绝对值的颗粒数密度和弱集群与增长的第二和更高的时刻。本文提出了由不可压速度场有限关联时间引起的湍流扩散张量可压缩性的新概念。在这个速度场模型中，拉格朗日轨迹场不是无发散的。提出了团簇不稳定性的饱和机制，它与团簇中粒子的碰撞有关。应用所分析的影响，在湍流大气中的液滴的动力学进行了讨论。一个估计的非线性水平的饱和度的水滴数密度在云中超过了数量级的平均数密度。团簇形成所需云滴的临界尺寸大于$20 μ$ m。
2002-04-12 nlin.CD physics.flu-dyn
Clustering of Aerosols in Atmospheric Turbulent Flow
本文讨论了大气湍流中与团簇不稳定性有关的气溶胶和液滴空间发布小尺度不均匀性的形成机制。颗粒的聚集是由于聚集不稳定性导致其均匀空间分布的自发破裂的结果，并且是由颗粒惯性和湍流速度场的有限相关时间的组合效应引起的。本文进一步发展了Phys.Rev.E66，036302（2002）中提出的理论方法，并应用于研究大气湍流中小尺度气溶胶非均匀性的形成机制。将粒子团簇不稳定性理论推广到粒子Stokes时间大于Kolmogorov时间尺度，但远小于湍流积分尺度下的关联时间的情形。我们确定了Stokes数大于1时成团不稳定性的判据。讨论了所分析的效应在大气湍流中气溶胶和液滴动力学中的应用。
2007-02-15 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Evolutionary clustering of Lagrangian trajectories in turbulent Rayleigh-Bénard convection flows
本文通过拉格朗日拟序集的长期演化，探讨了二维和三维湍流对流中热量的输运机制。它们是从谱聚类的无质量流体示踪剂的平流在流动中的轨迹。在湍流的动力学作用下，轨迹紧密地结合在一起，从而形成相干集。在较长的时间内，它们总是被物质输送的固有湍流弥散所破坏。在这里，这个约束是克服了进化聚类算法的应用程序，增加了时间记忆的相干集检测，并允许个别轨迹泄漏或不断变化的集群。因此，进化聚类也打开了可能性，以监测分裂和合并的相干集。这些罕见的动态事件留下清晰的足迹，在两个对流的轨迹网络的拉普拉斯矩阵的演变特征值谱。拉格朗日轨迹揭示了穿过流体层的对流热传递的各个路径。我们确定的长期相干集的流体流动区域，有助于传热。因此，我们的进化框架定义了一个互补的角度来看，最近讨论的欧拉参考系中的对流湍流上层结构模式的缓慢动态。所提出的框架可能是非常适合的研究，在自然流动，通常是基于稀疏的信息从漂移和探头。
2021-12-31 math.DS physics.flu-dyn
Gravity-driven enhancement of heavy particle clustering in turbulent flow
悬浮在湍流中的重颗粒比静止流体中的重颗粒沉降得快。这种效应源于对流体向下流动的区域的优先采样，并且在这里被量化为湍流水平、颗粒惯性以及重力与湍流加速度之间的比率的函数。通过使用分析方法和详细的，国家的最先进的数值模拟，沉降显示，以诱导一个有效的水平二维动态，增加集群和减少颗粒之间的相对速度。这两种相互竞争的效应可以增加或减少相同尺寸颗粒之间的几何碰撞率，并且对于聚结颗粒的真实建模至关重要。
2014-01-07 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Gaussian paradox and clustering in intermittent turbulent signals
本文揭示了均匀流体湍流中速度场的不稳定性与群聚现象之间的关系。它描述了如何将双折射指数分解为另外两个指数之和。其中一个指数（簇指数）表征了近高斯速度场中零交叉点的簇集，另一个指数与速度概率分布的尾部有关。团簇指数由近高斯速度场的能量谱唯一确定，而湍流指数对雷诺数的依赖性由团簇指数决定。
2006-07-16 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of particle clustering and turbulence modulation: an Eulerian approach
提出一种欧拉框架，结合低耗散格式与基于求积的矩方法，首次通过直接数值模拟有效解析了中等雷诺数槽道流中颗粒聚集与湍流调制现象。
2025-08-10 physics.flu-dyn
Effects of the quiescent core in turbulent channel flow on transport and clustering of inertial particles
在最近的实验和数值研究中，槽道湍流中心存在一个静止核。以相对均匀的速度大小和弱湍流水平为特征的QC区域在雷诺数$1000$至$4000$范围内$Re_τ$时占据了横截面的大约$40\%$。QC区域及其边界对惯性粒子输运和积累的影响以前从未被研究过。在这里，我们首先证明了QC是无法识别的$Re_τ= 180$，在深入探索颗粒负载的湍流通道流在$Re_τ= 600$进行之前。惯性球表现出的倾向，积累优先在高速区域内的QC，即相反的众所周知的浓度在低速条纹在近壁区域。的颗粒壁的正常分布，定量的Voronopolitan体积和颗粒数浓度的装置，突然改变整个QC边界和涡流结构出现的空隙面积由于离心机制。的QC边界，其特征在于由一个本地化的强剪切层，出现了作为一个\emph{barrier}，通过它的惯性粒子的运输受阻。然而，QC框架中的统计学条件表明，QC外部的颗粒的平均速度朝向核心，而QC内部的颗粒倾向于向壁迁移。这种向上和向下的粒子运动是由流体包裹的类似运动驱动的。目前的研究结果表明，QC施加的惯性颗粒，这是在高雷诺数通道流的实际意义的传输和积累的实质性影响。
2020-09-17 physics.flu-dyn
Turbulent Clustering of Particles and Radiation Induced Ignition of Dust Explosions
由于爆轰是允许快速燃烧产生可在开放区域维持的高压的唯一既定理论，因此普遍接受的观点是，解释粉尘爆炸中的高燃烧率的机制是爆燃到爆轰的转变。我们提出了一种替代机制的理论证实，该机制解释了非受限粉尘爆炸中产生高速燃烧和高超压的二次爆炸的起源。我们表明，在前进火焰的湍流前面的灰尘颗粒的聚集引起的辐射吸收长度的显着增加。这种效果确保了灰尘颗粒簇暴露于来自主点燃火焰的热燃烧产物的辐射并被其加热足够长的时间，以在前进火焰之前的大体积中变成多点点燃核。
2018-08-21 physics.chem-ph physics.flu-dyn
Preferential concentration in a periodically forced particle-laden turbulent planar jet
ICAM
本研究探究周期力对含颗粒湍流平面射流的影响，发现弱周期力可显著改变湍流、增强颗粒偏好聚集，且能在不改变平均输运流的情况下调控颗粒组织。
2026-10-14 physics.flu-dyn
Mechanism of unconfined dust explosions: turbulent clustering and radiation-induced ignition
众所周知，无约束粉尘爆炸通常以相对较弱的一次火焰开始，随后是严重的二次爆炸。我们表明，在一个温度分层的湍流提前的主火焰的尘埃粒子的聚类可能会引起一个显着增加的辐射穿透长度。这些颗粒团，即使在火焰的前面很远，也被火焰的辐射充分暴露和加热，成为能够点燃大量燃料-空气混合物的点火核。这有效地增加了总火焰表面积和有效燃烧速度，有效燃烧速度定义为给定体积的反应物消耗速率。我们表明，这种机制解释了高的燃烧率和超压所需的考虑到观察到的水平的损害，在开放的粉尘爆炸，例如，在2005年邦斯菲尔德蒸汽云爆炸中丧生由于粒子的湍流聚集而导致的辐射透明度的强烈增加的效果超出了应用于尘埃爆炸的最新技术水平，并且在大气物理学和天体物理学中具有许多含义。
2017-05-10 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Probing turbulent superstructures in Rayleigh-Bénard convection by Lagrangian trajectory clusters
本文利用直接数值模拟中计算出的拉格朗日粒子轨迹，分析了水平扩展方形对流单体中三维湍流对流的大尺度模式。因此，考虑在普朗特数Pr $=0.7$、瑞利数Ra $=10^5$和纵横比$Γ=16$下运行的模拟。这些大尺度的结构，这是表示为湍流对流的超结构，检测的图拉普拉斯矩阵的频谱。我们的调查是在Hadjighasem { \it et al.}之后进行的，Phys. Rev. E { \bf 93}，063107（2016），从拉格朗日粒子的轨迹点构建加权和无向图。图的边缘处的权重由不同粒子轨迹之间的平均动态距离确定。它表明，由此产生的轨迹集群，这是由随后的$k$ -均值聚类，符合欧拉参考系中的超结构。此外，超结构的特征时间$τ^L$和长度$λ_U^L$在拉格朗日坐标系中分别与它们的欧拉对应物$τ$和$λ_U$吻合得很好.发现这种基于概率的聚类对于时间$t\lesssim τ\approxτ^L$起作用。较长的时间周期$t\gtrsim τ^L$需要改变的分析方法，以密度为基础的轨迹聚类的时间平均拉格朗日伪轨迹，这是第一次应用在这种情况下。以这种方式获得伪轨迹的一个小的相干子集，该子集由长时间被困在超结构循环辊的核心中的拉格朗日粒子组成，因此不受持续的湍流分散的影响。
2018-10-17 physics.flu-dyn
towards a robust detection of viscous and turbulent flow regions using unsupervised machine learning
我们提出了一个不变的特征空间，用于检测粘性主导和湍流区域（即，边界层和尾流）。所开发的方法使用的主要不变量的应变和旋转速率张量作为输入到一个无监督的机器学习高斯混合模型。所选择的特征空间与用于生成处理数据的坐标系无关，因为它依赖于应变和旋转速率的主要不变量，这些不变量是伽利略不变量。这种方法使我们能够识别两个不同的流动区域：粘性为主的旋转区域（边界层和尾流区域）和无粘性的非旋转区域（外流区域）。在$Re=40$和$Re=3900$上，我们在层流和湍流（使用大涡模拟）情况下对流过圆柱的流动进行了测试。模拟已进行了使用高阶节点间断伽辽金谱元法（DGSEM）。结果表明，高斯混合聚类方法是一种有效的粘性主导区和旋转区的识别方法。我们还包括与传统传感器的比较表明，所提出的聚类不依赖于一个任意的阈值的选择，需要使用传统的传感器时。
2022-07-06 physics.flu-dyn
A Lagrangian model of copepod dynamics: Clustering by escape jumps in turbulence
浮游桡足类是一种小型甲壳类动物，能够通过快速有力的跳跃游泳。这种适应性用于逃离高剪切区域，这可能是由流动扰动引起的，由大型捕食者（即，鱼苗），或由海洋固有的高度湍流动力学。通过实验和数值模拟相结合的研究，我们调查跳跃行为的影响，在湍流环境中的桡足类的小尺度斑块。记录的桡足类在静水中的逃逸响应跳跃的速度轨迹在这里被用来定义和调整拉格朗日桡足类（LC）模型。该模型进一步采用直接数值模拟的纳维-斯托克斯方程得到的充分发展的流体动力学湍流模拟成千上万的桡足类的行为。首先，我们表明，LC速度统计与现有的实验观测桡足类在湍流定性一致。其次，我们通过分形维数$D_2$量化LC的聚类。我们发现，$D_2$可以低至~ 2.3，它严重依赖于剪切速率的灵敏度建议的LC模型，特别是它表现出最小的剪切速率值在一个狭窄的范围内。我们进一步研究了跳跃强度、跳跃方向和桡足类的几何长宽比对小尺度空间分布的影响。最后，讨论了集群现象对相遇率和交配成功率的可能生态学意义
2016-04-26 physics.flu-dyn
Transport of inertial spherical particles in compressible turbulent boundary layers
通过直接数值模拟研究马赫数2至6可压缩湍流边界层中惯性球形颗粒的输运，发现压缩性效应显著减弱大惯性颗粒的近壁聚集、小尺度簇聚及流向速度脉动强度，并揭示其与近壁颗粒马赫数及流体密度黏度变化有关。
2024-07-15 physics.flu-dyn
Prevalence of the sling effect for enhancing collision rates in turbulent suspensions
湍流促进悬浮在湍流中的颗粒之间的碰撞。已经提出了两种效果，可以提高在高湍流强度的碰撞率：“优先浓度”（聚类现象）和“吊索效应”（所产生的悬浮颗粒的相空间中的苛性折叠的形成）。我们已经确定了作为其大小和密度的函数的小的重粒子的碰撞率的数值。对粒子密度的依赖性表明，具有显著惯性的粒子的碰撞率的湍流增强几乎完全是由于吊索效应。
2013-07-25 physics.flu-dyn
Small-scale clustering of nano-dust grains in supersonic turbulence
我们研究了可压缩等温流体动力学湍流的高分辨率（$1024^3$）模拟中纳米尺寸的颗粒（纳米尘埃）的聚集和动力学。众所周知，大颗粒将与湍流气流分离，而小颗粒将倾向于跟踪气体的运动。我们表明，纳米尺寸的颗粒可能会聚集在一个湍流（分形小规模集群），这增加了当地的晶粒密度至少几个因素。结合纳米尘埃颗粒通常可能丰富的事实，以及由于湍流运动而增加的相互作用速率，涉及纳米尘埃的聚集可能具有相当高的概率。小规模的集群也会影响消光特性。作为一个例子，我们提出了一个消光模型的基础上硅酸盐，石墨和金属铁，假设在纳米范围内的颗粒大小的强集群，可以解释极端和快速变化的紫外线消光在主机的GRB 140506A。
2019-10-16 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.space-ph
Turbulence unsteadiness drives extreme clustering
本文通过直接数值模拟证明湍流非定常性会显著增强颗粒聚集，并揭示聚集与瞬时雷诺数正相关、与瞬时耗散常数负相关，其强度超过平均惯性湍流效应的预期。
2024-02-22 physics.flu-dyn
Lagrangian studies of coherent sets and heat transport in constant heat flux-driven turbulent Rayleigh-Bénard convection
本研究基于拉格朗日示踪粒子轨迹与时变流动网络，分析了恒定热通量驱动湍流Rayleigh-Bénard对流中的相干集合，发现超颗粒结构在垂直热传输中起关键作用且空间延展更大。
2023-09-14 physics.flu-dyn
Clustering and Turbophoresis in a Shear Flow without Walls
本文研究了非均匀湍流中惯性颗粒的空间分布。通过直接数值模拟湍流Kolmogorov流传输的粒子轨迹，我们研究了大尺度和小尺度机制诱导重粒子分布的不均匀性。我们讨论了大惯性和弱惯性的湍流泳动，为粒子密度分布的函数形式提供了启发式的论据。特别是，我们认为，并在数值上证实，turbophoretic效果是最大的中间惯性粒子。研究结果表明，颗粒在不同的Stokes数范围内出现小尺度分形聚集和湍流泳动峰，且两峰的分离度随雷诺数的增大而增大。
2016-02-24 nlin.CD physics.flu-dyn
Pair statistics of oblate spheroids settling in a turbulent flow
本文通过直接数值模拟研究湍流中沉降扁球体的聚集与配对统计，发现各向异性越强聚集越显著，且接近速率偏离球形颗粒极限，为云中冰晶碰撞模型提供关键输入。
2025-04-09 physics.flu-dyn
Manifold-Adapted Sparse RBF-SINDy: Unbiased Library Construction and Unsupervised Discovery of Dynamical States in Turbulent Wall Flows
School of Science and Technology, Department of Engineering, City St George’s, University of London（伦敦城市圣乔治大学科学与工程学部工程学院）
通过无偏库构建和无监督发现，研究在湍流壁流中识别动态状态骨架，提升对流动结构的建模能力。
2026-03-09 physics.flu-dyn
Particle growth in turbulent flow under dynamically critical Stokes conditions
一个简单的理论，根据观测的雪花分布在湍流，提出了一个模型的惯性粒子的增长，作为一个结果的动态聚类尺度大于Kolmogorov长度尺度。能够粘附或聚结的颗粒在流动区域中的尺寸预计会增长，其中通过临界斯托克斯数$St=τ_p/τ_f \simeq 1 $预测优先浓度。我们假设，在增长过程中，$St$仍然是关键的，随着粒子响应时间$τ_p$根据特定的流动时间尺度$τ_f$演变，由旋涡定义，逐渐变大的粒子最终围绕它运行。这种机制导致预测的极限尺寸的聚集颗粒在湍流。这种极限由湍流惯性范围的大小决定，它可以用公式表示为可接近的积分尺度量的函数。提出的动态临界斯托克斯增长提供了一个框架来解释颗粒聚集，尺寸增长和颗粒团增长在各种地球物理多相流。
2015-10-15 physics.flu-dyn
Statistical models for spatial patterns of heavy particles in turbulence
悬浮在湍流中的重粒子的动力学对于天体物理学、大气物理学、海洋学和技术中的一系列问题具有根本的重要性。实验室实验和数值模拟表明，重粒子以复杂的方式对携带流体的湍流波动作出反应：即使流体是不可压缩的，非相互作用的粒子也可能聚集在一起并形成空间模式，并且附近粒子的相对速度可以强烈波动。这两种现象都敏感地依赖于系统的参数。这种参数依赖性很难从第一原理建模，因为湍流起着至关重要的作用。实验室实验也非常困难，因为它们必须涉及湍流环境。但近年来，人们已经清楚地认识到，湍流中重粒子动力学的重要方面可以用统计模型来理解，在统计模型中，湍流涨落近似于具有适当关联函数的高斯随机函数。在这篇评论中，我们总结了如何这样的湍流模型计算导致了详细的了解的因素，确定重粒子动力学的湍流。我们专注于空间聚集的重粒子在湍流。这是一个重要的问题，因为空间聚集影响粒子之间的碰撞率，从而影响系统的长期命运。
2016-09-20 physics.flu-dyn
Clustering of inelastic soft spheres in homogeneous turbulence
在本文中，我们数值研究耗散粒子碰撞过程中的均匀湍流速度场的影响耦合离散元方法的格子Boltzmann模拟与光谱强迫。我们表明，即使在中等粒子体积分数的耗散碰撞的影响是重要的。我们还研究了从一个政权的湍流速度场显着影响颗粒的空间分布的政权的分布主要是由颗粒碰撞的影响。
2012-08-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Dimensionality and morphology of particle and bubble clusters in turbulent flow
我们进行了数值实验，以研究在模拟均匀和各向同性湍流的颗粒和气泡的空间聚类。改变Stokes参数和密度，可以观察到颗粒聚集的显著差异。为了量化这些视觉发现，我们使用Kaplan-Yorke维度。该局部标度分析显示，轻气泡分布的维数约为1.4，而非常重的颗粒的分布显示出约为2.4的维数。然而，明显分开的参数组合产生相同的尺寸。为了克服这种简并性，并进一步发展聚类的理解，我们进行形态（几何和拓扑）分析的颗粒分布。对于这样的分析，闵可夫斯基泛函已成功地应用于宇宙学，以量化的全球几何和拓扑结构的大规模分布的星系。在分散的多相流的情况下，这些闵可夫斯基泛函-形态序参量-使我们能够辨别轻颗粒分布的壁状分布的重颗粒周围空的相互连接的隧道的附属结构。
2008-02-05 nlin.CD physics.flu-dyn
Machine learning adaptation for laminar and turbulent flows: applications to high order discontinuous Galerkin solvers
本文提出了一种基于机器学习的定常和非定常流动网格加密技术。Otmani等人arXiv：2207.02929 [physics.flu-dyn]提出的聚类技术用于标记Re=40（稳定层流）和Re=3900（非稳定湍流）时流经圆柱体的粘性和湍流区域。在这个聚集的区域内，我们增加了多项式的阶数，以表明它是可能获得类似水平的精度均匀细化网格。该方法是有效的，因为聚类成功地识别了两个流动区域，粘性/湍流为主的区域（包括边界层和尾流）和无粘/无旋区域（势流区域）。该框架内使用的数据是使用高阶不连续Galerkin求解器生成的，允许在聚类区域的每个元素中局部细化多项式阶数（p-细化）。对于定常层流的测试情况下，我们能够减少计算成本高达32%，非定常湍流的情况下，高达33%。
2022-09-06 cs.NA math.NA 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
Cluster-based feedback control of turbulent post-stall separated flows
我们提出了一种新的无模型自学习基于集群的控制策略，一般非线性反馈流控制技术，基准的高保真度模拟过失速分离流的翼型。本方法将流轨迹（力测量）划分为簇，其对应于低维特征空间中的特征粗粒度相。然后通过迭代评估和下坡单纯形搜索为每个集群状态寻求闭环控制律，以最小化飞行中的功耗。用于原位学习和粗粒度控制律优化的流轨迹的无监督聚类以自动化的方式作为关键使能器来实现。重新路由的流动轨迹，优化的控制律转移集群人口的空气动力学有利的状态。利用有限数量的传感器测量的聚类和优化，这些反馈的法律确定只有$O(10)$迭代。本工作的目的不一定是抑制流动分离，但要尽量减少所需的成本函数，以实现增强的气动性能。本文应用大涡模拟方法对NACA 0012翼型在迎角$9^\circ$、雷诺数$Re = 23,000$和来流马赫数$M_\infty = 0.3$下的二维和三维分离流进行了控制。优化后的控制律有效地减小了飞行功耗，使气流达到低阻力状态。本工作旨在解决与自适应闭环控制设计的湍流分离流在中等雷诺数的挑战。
2018-09-19 physics.flu-dyn
Multipoint Radiation Induced Ignition of Dust Explosions: Turbulent Clustering of Particles and Increased Transparency
众所周知，无约束粉尘爆炸包括相对较弱的初级（湍流）爆燃，随后是毁灭性的次级爆炸。二次爆炸可能以高达1000 m/s的速度传播，产生超过8 - 10 atm的超压。由于爆轰是允许快速燃烧产生可在开放区域维持的高压的唯一既定理论，因此普遍接受的观点是，解释粉尘爆炸中高燃烧率的机制是爆燃到爆轰的转变。在目前的工作中，我们提出了一个理论证实的替代传播机制，解释起源的二次爆炸产生的高速燃烧和高超压在无约束粉尘爆炸。我们表明，在湍流中的灰尘颗粒的聚集引起的热辐射吸收长度提前推进火焰前锋的显着增加。这种效应确保了粉尘颗粒簇暴露于大气体爆炸的热燃烧产物的辐射并被其加热足够长的时间，以在前进的火焰前缘之前的大体积中变成多点点火核。与孤立粒子的点火时间相比，辐射加热的粒子簇的燃料-空气混合物的点火时间大大减少。在主火焰之前的大量燃料-空气的辐射诱导的多点点火有效地增加了总火焰面积，从而引起二次爆炸，这导致需要高的燃烧速率和超压，以解释在无约束粉尘爆炸中观察到的超压水平和损害，例如2005年的邦斯菲尔德爆炸和几次严重程度与邦斯菲尔德事件相似的蒸气云爆炸。
2017-12-28 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Coherent structure identification in turbulent channel flow using Latent Dirichlet Allocation
相干结构的识别是描述和模拟壁面湍流产生机制的重要步骤。为此，我们提出了一种聚类方法的基础上潜在的狄利克雷分配（LDA），一个生成的离散数据的集合的概率模型。将该方法应用于中等雷诺数R τ = 590时槽道湍流瞬时雷诺应力的结构识别。LDA根据垂直连接的结构碎片的层次结构计算出一个鲁棒的流动描述，其特征随壁距离而变化，与Townsend（1961）的附壁涡流假设一致。我们表明，该模型可以用于现场重建的复杂性，可以与适当的正交分解（POD）。它还可以用来生成合成字段，其统计数据模仿原始数据库的统计数据。这些发现突出了LDA用于数据分析、压缩和生成的潜力。
2020-10-21 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
Concentrations of inertial particles in the turbulent wake of an immobile sphere
直接数值模拟被用来研究一个小的重惯性粒子流的层流和湍流尾流的不可压缩的均匀流入面对一个不动的球的相互作用。不与障碍物碰撞，但移动过去的颗粒，被发现在球体边界层和它的尾流中形成优先浓度。在层流的情况下，上游发散的流动模式是负责颗粒聚集在圆柱体上延伸到下游的球体。该表面的内部不包含粒子，可以被视为大障碍物的阴影。这样的浓度分布也存在于湍流尾流的情况下，但显示出有限的延伸。球体阴影之后是对称轴周围的区域，其中浓度高于平均值。它起源于粒子从脱落涡流中的共振离心排出。本文还简要讨论了这种浓度机制对单分散粒子间碰撞的影响。它们通过增加的浓度和尾流中颗粒之间的大速度差的存在而增强。
2015-01-27 physics.flu-dyn
Clustering of vertically constrained passive particles in homogeneous, isotropic turbulence
我们分析了小颗粒的动力学垂直限制，通过线性回复力，在一个水平的流体板在三维（3D）均匀各向同性湍流速度场移动。我们介绍和研究的模型可能是对小型水生生物动态的最简单描述，由于游泳，对其浮力的主动调节或任何其他机制，它们保持在海洋或湖泊自由表面以下的浅水平层中。通过改变回复力的强度，我们能够控制颗粒可以在其中移动的流体板的厚度。这使我们能够分析系统的统计特征，从完全3D不可压缩流（对应于无限制的情况）到对应于二维切片的极端限制的情况。背景三维湍流速度场的演变完全解决直接数值模拟的手段。当存在某种水平的垂直约束时，颗粒轨迹偏离流体示踪剂的轨迹，并且颗粒经历有效可压缩的速度场。在这里，我们已经量化的压缩性，颗粒的优先浓度，并通过改变回复力的强度的关联维数。主要的结果是，存在一个特定的值的力常数，对应于一个平均板深度约等于几倍的柯尔莫哥洛夫长度尺度，最大限度地提高颗粒的聚类。
2015-05-04 physics.flu-dyn
Control of particle clustering in turbulence by polymer additives
研究了粘弹性湍流中惯性粒子的成团特性。研究是通过直接数值模拟的湍流Oldrophil-B模式。聚合物的均匀湍流的小尺度特性的影响被认为是在有关其后果的颗粒，轻，重比携带流体的聚类。我们发现，根据颗粒和流动参数，聚合物可以增加或减少集群。
2012-03-08 nlin.CD physics.flu-dyn
Clustering and energy spectra in two-dimensional dusty gas turbulence
本文对二维湍流（气体）中的重惯性粒子（尘埃）进行了直接数值模拟（DNS）。粉尘被建模为单分散的重粒子，能够通过双向耦合来改变流动。通过改变Stokes数St和质量负载参数$(ϕ_{\rm m})$，研究了团簇现象和气相动能谱。我们发现尘埃-尘埃关联维数$(d_2)$也依赖于$ϕ_{\rm m}$。特别地，当质量负载$(ϕ_{\rm m})$增加时，聚集减少。在气体的动能谱，我们表明：（i）出现了一个新的标度制度，（ii）在这个制度的标度指数不是唯一的，而是一个函数的St和$(ϕ_{\rm m} )$。使用按尺度拟能预算分析，我们表明，在新的标度制度，由于气体的粘性耗散平衡从尘埃的反作用。
2019-02-14 physics.flu-dyn
On the detection of internal interfacial layers in turbulent flows
提出了一种识别壁面湍流中内界面层的新方法。使用模糊聚类方法（FCM）的流向速度分量，一个独特的和明确的分组的均匀动量区实现，从而允许识别的IILs。该方法克服了基于直方图的IIL识别方法的一些关键限制。该方法对流向域长度不敏感，可用于非均匀网格，使用所有可用的流场数据，是平凡地扩展到三维，不需要用户定义的参数（例如箱数）以外的区域数\add{. The number of zones can be automatically determined by an \emph{a priori} algorithm based on a Kernel Density Estimation algorithm, or KDE.}的聚类方法适用于湍流边界层（实验，平面PIV）和通道流（数值，DNS）\add{at varying Reynolds numbers}。\modify{The interfacial layers are characterized by a strong concentration of spanwise vorticity, with the outer-most layer located at the upper edge of the log-layer. The three-dimensional interface identification re…
2018-11-22 physics.flu-dyn
On phoretic clustering of particles in turbulence
我们表明，在湍流中的扩散泳，热泳和趋化现象导致聚类的颗粒上的多重分形集，可以使用一个单一的框架，有效的颗粒尺寸远小于最小长度尺度的湍流$l_0$。为了量化聚类，我们推导出正的配对相关性和分形维数，适用于小于$l_0$的尺度。在一个小的体积中的粒子数的统计是非泊松的，表现出与不相关粒子的情况的偏差。对于尺度大于$l_0$，我们预测一个拉伸指数衰减到1的对关联函数。对于非均匀湍流的情况，我们发现分形维数依赖于非均匀方向。通过在湍流重力流中进行盐度梯度引起的扩散泳颗粒的聚簇实验，我们证明了聚簇符合理论。实验中的颗粒尺寸与$l_0$相当，在理论的严格有效区域之外，这表明理论预测转移到该实际相关的区域。这种聚类机制可以提供理解许多过程的关键，例如海洋雪的形成和趋化细菌的种群动态。
2016-07-20 physics.flu-dyn
Vortex clustering, polarisation and circulation intermittency in classical and quantum turbulence
对湍流的理解是当前物理学中最大的挑战之一，因为没有第一原理理论来解释它们观察到的时空不稳定性。湍流可以看作是相互作用的旋涡的复杂集合。这幅图像在量子湍流中变得准确，量子湍流建立在离散涡丝的缠结上。在这里，我们研究量子和经典湍流中的速度循环统计。我们发现，在量子流中，柯尔莫哥洛夫湍流出现的相关性的旋涡方向，而偏差-相关的不稳定性-起源于他们的非平凡的空间安排。然后，我们链接的空间分布的涡旋在量子湍流中的粗粒度的能量耗散在经典湍流，使现有的模型的经典湍流不稳定性的应用到量子的情况下。我们的研究结果提供了一个量子和经典湍流的不稳定性之间的连接，并启动一个有前途的路径，以更好地了解后者。
2021-11-12 cond-mat.other physics.flu-dyn
Inertial particle velocity and distribution in vertical turbulent channel flow: a numerical and experimental comparison
本文研究了两种不同体积浓度（$Φ_{V} = 3 \times 10^{-6}$和$Φ_{V} = 5 \times 10^{-5}$）下，Stokes数为$St^{+} = 58.6$的含惯性颗粒的垂直槽道湍流的统计特性。两个独立的直接数值模拟模型，利用点粒子的方法进行比较，最近的实验测量，所有相关的无量纲参数直接匹配。虽然两个数值模型都是基于相同的一般方法构建的，但实现的细节是不同的，特别是关于如何表示双向耦合。在低体积负荷，这两个数值模型是在一般协议与实验测量，与壁附近的壁法向粒子速度波动的某些例外。在高负荷下，这些差异增加，它被发现，颗粒聚集在模拟中被高估相比，实验观察。对差异的潜在原因进行了讨论。由于这项研究是第一个对数值模型和实验之间的颗粒流统计数据进行一对一比较的研究，因此需要继续努力协调观察到的行为和数值预测之间的差异。
2019-04-19 physics.flu-dyn
Experimental investigation of turbulence and turbulent thermal diffusion in strongly inhomogeneous and anisotropic forced convection
Ben-Gurion University of the Negev（内盖夫本-古里安大学）
本研究通过实验探讨强不均匀和各向异性对流中湍流及湍流热扩散特性，发现温度梯度与粒子数密度分布存在反相关关系。
2025-10-13 physics.flu-dyn
