Area of Scalar Isosurfaces in Homogeneous Isotropic Turbulence as a Function of Reynolds and Schmidt Numbers
流体湍流的一个基本效应是湍流混合，这导致标量等值面的拉伸和扭曲。因此，等值面的面积在理解湍流中通常具有特定的应用，例如，燃烧和湍流/非湍流界面的识别。我们报告的等值面面积的测量在28个直接数值模拟（DNSs）均匀各向同性湍流的平均标量梯度上解决高达$14256^3$网格点与泰勒雷诺数$Re{_λ}$范围从24到633和施密特数$Sc$范围从0.1到7。更准确地说，我们测量非常小但有限厚度的层。我们所计算的连续方程精确地收敛到零层厚度极限的区域。我们展示了一种方法，数值积分这个方程，对于一个测试的情况下，解析解，收敛线性减少层宽度的精确解。通过将该技术应用于DNS数据和测试的收敛性与分辨率的模拟，我们验证了DNS最近提出的\citet{yeung18}的分辨率要求。我们的结论是，等值面面积的规模与泰勒佩克莱数$Pe_λ$的平方根之间的约50和4429与一些偏离幂律缩放明显的$2.4 < Pe_λ < 50$。未观察到$Re_λ$或$Sc$的独立效应。即使概率密度函数（p.d.f.）对于$Re_λ=98$，标量梯度的值非常接近指数，但对于$Re_λ=633$，标量梯度的值近似对数正态。
2019-10-07 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Extraction of invariant manifolds and application to turbulence with a passive scalar
物理系统的降维，特别是在流体动力学中，在许多情况下会导致非线性常微分方程，这些方程具有全局不变流形，其代数表达式包含原系统的相关物理信息。我们提出了一种方法来识别这样的流形，我们将其应用到一个简化模型的拉格朗日演化的场梯度均匀和各向同性湍流与被动标量。
2021-05-24 physics.flu-dyn
Logarithmic scaling for fluctuations of a scalar concentration in wall turbulence
在壁湍流中，存在一个子层，在该子层中，平均速度和速度波动的方差随离壁的高度而变化。这种对数标度对于被动标量的平均浓度也是已知的。通过在实验室湍流边界层实验中使用热作为标量，本文证明了标量浓度波动方差的对数标度的存在。它是由附着在墙上的含能涡流模型再现的。
2017-11-16 physics.flu-dyn
A dynamical equation for the distribution of a scalar advected by turbulence
本文提出了一个唯象模型来描述由于流体运动引起的应变引起的标量涨落的耗散。一个显式方程的粗粒标量浓度的概率分布函数的时间演化。该模型依赖于自卷积过程。我们首先提出了这个模型中的巴彻勒政权，然后经验扩展我们的结果的湍流情况。列入该模型在更一般的传输方程，包括空间梯度，讨论与二维湍流和分层流。
2006-03-27 physics.flu-dyn
The statistics of a passive scalar in field-guided magnetohydrodynamic turbulence
磁化等离子体湍流的各种研究调用理论的湍流波动的一个被动标量平流。例子包括模拟星际介质中的电子密度波动，了解星系团和星系间介质的化学成分，并测试磁流体动力学湍流的流行现象学理论。虽然被动标量湍流已被广泛研究的流体动力学的情况下，其对应的MHD湍流是显着不太好理解。在这里，我们进行了一系列的高分辨率直接数值模拟不可压缩，场引导，MHD湍流，以建立被动标量演化的基本属性。我们研究了标量的各向异性，建立了类似于Yaglom定律的标度关系，并测量了被动标量统计量的不对称性。我们还评估在何种程度上的伪阿尔芬波动强MHD湍流可以模拟为一个被动标量。结果表明，被动标量在MHD湍流的动力学是相当复杂的比在流体动力学的情况下。
2014-09-25 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Hidden symmetry in passive scalar advected by 2D Navier-Stokes turbulence
本文揭示二维纳维-斯托克斯湍流输运被动标量的隐藏标度对称性，推导其隐含的普适概率分布与反常标度图景，并通过高分辨率逆级联模拟验证预测。
2025-04-15 physics.flu-dyn
Extreme events and instantons in Lagrangian passive scalar turbulence models
流体中标量的平流和混合是工程和自然科学中的一个重要问题。如果流体是湍流，被动标量的统计表现出复杂的行为。本文关注的是两个拉格朗日标量湍流模型的基础上，最近的流体变形模型，可以重现被动标量湍流的统计范围内的雷诺数。对于这些模型，我们演示了如何通过计算瞬子来恢复极端被动标量梯度事件，即，相关随机场论的鞍点结构。它使我们既能再现与被动标量湍流相关的重尾统计，又能恢复导致这种极端事件的最可能机制。我们进一步证明了这些模型中的大负应变事件经历了自发对称性破缺。
2021-08-04 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Compressibility effects on the scalar mixing in reacting homogeneous turbulence
通过直接数值模拟（DNS）产生的数据，研究了可压缩性和反应热对衰减各向同性湍流和均匀剪切流中标量混合的影响。该反应被建模为一步，放热，不可逆和Arrhenius型。对于剪切流模拟，标量耗散率以及机械耗散与标量耗散的时间尺度比受压缩性和反应的影响。考虑归一化混合分数梯度方差的输运方程和混合分数梯度与螺线管应变率张量的特征向量之间的相对取向来解释这种效应。
2002-09-13 physics.flu-dyn
Inertial range scaling of the scalar flux spectrum in two-dimensional turbulence
研究了具有均匀标量梯度的二维统计定常各向同性湍流。维数参数预测的惯性范围缩放的湍流标量通量谱的逆级联范围和拟能级联范围为小和团结施密特数。尺度预测检查直接数值模拟和良好的协议观察。
2010-09-01 nlin.CD physics.flu-dyn
Reaction analogy based forcing for incompressible scalar turbulence
提出了一种新的基于反应类比的强迫方法，用于在不可压湍流中产生定常的标量场。新方法可以产生比当前方法更一般的标量PDF（例如，双Δ），同时确保标量场保持有界。这些特征对于生成非预混燃烧的初始场或研究非高斯标量湍流是有用的。RA方法在数学上模拟了假设的化学反应，该反应将混合状态的反应物转化为其纯的未混合组分。对各种类型的化学反应进行了公式化处理，并导出了相应的数学表达式，使得反应项在标量空间中是光滑的，并与质量守恒相一致。对于标量耗散率的大值，该方法产生统计稳定的双三角洲标量PDF。准均匀，高斯和拉伸指数标量统计恢复较小的标量耗散率值。标量PDF的形状可以通过改变反应的化学计量系数来进一步控制。新方法产生充分发展的被动标量场与准高斯PDF的能力也进行了研究，通过探索收敛的三阶混合结构函数的“三分之四”Yaglom的法律。
2019-02-28 physics.flu-dyn
Probability Distribution of a Passive Scalar in Isotropic Turbulence
在这封信中，我们目前的发展的哈密顿方法的概率分布问题的被动标量在各向同性湍流，也考虑了具体的应用程序修改后的Prelle-Singer程序湍流模型。讨论并解决了以下关键问题：被动标量湍流模型所允许的尺度方程的一般动力学结构是什么？典型变量之间的关系和用典型变量表示湍流的典型变量的一般要求是什么？本文指出，湍流中Hanilton表示的存在是湍流系统的特权，而最小作用量的变分原理对它来说是不可能的。还可以明确地导出各向同性湍流中被动标量概率分布的主方程。
2013-01-27 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Fractal iso-level sets in high-Reynolds-number scalar turbulence
本文研究了高雷诺数下三维均匀各向同性湍流混合的被动标量的等能级集的分形标度。Schmidt数是1。分形盒计数维数$D_F$可以获得低于约$3$标准偏差的标量波动在其平均值的两侧的等水平。维数随等值线水平系统地变化，在平均值处等值线水平的最大值约为$8/3$;这个最大维数也是几何测度理论的上限。我们把这个结果解释为湍流中的混合总是不完全的。当我们考虑标量的陡峭悬崖的空间支撑以局部应变为条件时，所有等能级都有一个唯一的盒维数;这个唯一的维数大约是$4/3$。
2019-10-01 physics.flu-dyn
Dynamic Nonlocal Passive Scalar Subgrid-Scale Turbulence Modeling
针对标量湍流小尺度反常扩散与间歇性导致的亚网格建模难题，提出基于滤波玻尔兹曼方程的动态非局域大涡模拟范式，通过分数阶拉普拉斯项表征超扩散特性，结合数据驱动算法与动态过程实时估计模型参数，先验与后验测试均优于传统模型，适用于强各向异性的粗化模拟及环境应用。
2022-03-07 physics.flu-dyn
Scalar mixing and entrainment in an axisymmetric jet subjected to external turbulence
本研究通过标量统计和平面激光诱导荧光实验，发现背景湍流增强使射流湍流/湍流界面增厚，并增加大尺度吞并和脱卷挟事件，导致射流净卷挟减少、核心标量偏度负值减弱。
2024-09-16 physics.flu-dyn
Mixing in modulated turbulence. Analytical results
最近的数值结果表明，如果标量混合的周期性强迫湍流，平均混合率直接影响强迫频率相比，积分湍流频率小。我们阐明这一点的分析研究，使用简单的湍流模型的光谱传输。在速度场的强迫作用上增加一个大的振幅调制，增强了能量传递，同时减少了标量传递。因此，将调制添加到随机搅拌方案将负面地影响混合速率。我们进一步推导出低和高强迫频率的被动标量在同一流动中的响应的渐近行为。
2016-11-03 physics.flu-dyn
Small-scale isotropy and ramp-cliff structures in scalar turbulence
三维Navier-Stokes湍流平流的被动标量在奇阶矩中表现出基本的反常，这是由于其特征性的斜坡-悬崖结构，违反了小尺度各向同性。我们使用直接数值模拟的数据，网格分辨率高达$8192^3$在高Péclet数来理解这种异常的标量扩散，$D$，减少，或施密特数，$Sc = ν/D$，增加;这里$ν$是流体的运动粘度。微尺度雷诺数从140到650变化，$Sc$从1到512变化。斜坡悬崖结构的一个简单的模型示出的标量导数统计特性非常好。它准确地捕捉到小尺度各向同性如何在大$Sc$极限中恢复，并且另外建议对巴彻勒长度尺度作为标量场中的相关最小尺度进行轻微校正。
2021-11-18 physics.flu-dyn
Steep cliffs and saturated exponents in three dimensional scalar turbulence
在$4096^3$网格上采用直接数值模拟方法研究了在泰勒尺度雷诺数为$650$的三维Navier-Stokes湍流中被动标量平流的湍流度，Schmidt数为1.通过测量高阶标量增量矩，同时确保统计收敛，我们提供了明确的证据表明，标度指数饱和到$1.2$矩阶超过约$12$，表明标量不稳定性是由最奇异的冲击状悬崖在标量场。结果表明，陡崖空间支撑的分维约为$1.8$，其与$1.2$饱和指数之和等于$3$的空间维数，从而揭示了湍流标量混合中几何与统计之间的深刻联系.四阶和六阶矩的异常与$2/3$粗糙度指数的Kraichnan模型相当。
2018-07-04 physics.flu-dyn
Lagrangian views on turbulent mixing of passive scalars
被动标量湍流的拉格朗日观点最近产生了有趣的结果和解释。本文简要评述了拉格朗日湍流在理论、实验、模拟和数据分析方面的创新。审查的一部分是密切相关的所谓的Kraichnan模型的平流的被动标量合成湍流。对更好地理解Navier-Stokes湍流中的被动标量混合的可能影响也进行了讨论。
2009-04-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Passive Scalar Structures in Supersonic Turbulence
本文对超声速湍流中被动标量结构进行了系统的数值研究。我们发现，在标量结构的不稳定性的程度增加，只有轻微的流动变化，从跨音速到高超声速，而速度结构变得更加间歇性。这种差异是由于在标量场中没有类似激波的不连续性造成的。标量场的结构函数由She和Lévêque [Phys.Rev.Lett. 72，336（1994）]，并且发现在所有马赫数下，最强烈的标量结构都是片状的。
2011-03-28 astro-ph.GA physics.flu-dyn
A Lagrangian fluctuation-dissipation relation for scalar turbulence, II. Wall-bounded flows
在这里，我们推导出拉格朗日波动耗散关系的平流标量在壁有界流动。这些关系将被动或主动标量的耗散率等同于来自初始值、边界值和内部源的标量输入的方差，因为这些输入是通过随机拉格朗日轨迹在时间上向后采样的。需要新的概率概念来表示标量边界条件的墙壁上的点的边界局部时间密度的标量通量施加和边界的第一次命中时间的标量值施加的点。这些概念都说明了纯热传导问题的分析结果和数值结果从数据库的通道流湍流，这也表明了近壁湍流的标量混合特性。作为波动耗散关系的一个应用，我们研究了壁面有界流动的反常标量耗散与拉格朗日自发随机性之间的关系，即在粘性和扩散系数为零的极限下拉格朗日粒子轨迹的持续不确定性。在本系列的第一篇论文中，我们证明了自发随机性是被动或主动标量远离壁的唯一可能的反常耗散机制。在这里，它表明，这仍然是正确的，当没有标量通量通过墙壁。另一方面，简单的例子表明，非零标量耗散的一种独特机制可以是壁面附近的薄标量边界层。然而，我们证明了一般的壁有界流动的自发随机性是另一种可能的机制，异常标量耗散。
2017-07-13 physics.flu-dyn
A Differential Approximation Model For Passive Scalar Turbulence
本文用一个基于三阶微分近似的k空间扩散模型研究了二维被动标量湍流。傅立叶空间中的局部非线性相互作用的这种简单的描述示出了一个一般的表达式，与以前的开创性的工作，似乎是适合于各种二维湍流问题。流的谱能量密度的稳态解示出恢复Kraichnan-Kolmogorov现象的双级联，而各种被动标量谱，如Batchelor或Obukhov-Corssin谱恢复为稳态解的被动标量的谱能量密度。这些分析结果，然后证实了能量和被动标量注入和耗散的对数波数空间网格在很大的尺度范围内的时间演化问题的数值解。所获得的特定幂律谱被发现主要取决于动能和被动标量能量注入的位置。
2019-10-07 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Mixing in modulated turbulence. Numerical results
本文采用直接数值模拟的方法研究了具有时间周期强迫的各向同性湍流中的标量混合。对于高振幅的调制，它示出的平均混合率在低频率下的负面影响。在此极限下，混合时间尺度增加，而典型的速度时间尺度减小。我们进一步确定的频率响应的标量统计的周期标量强迫。
2016-04-11 physics.flu-dyn
Efficient survival strategy for zooplankton in turbulence
针对湍流应变掩盖浮游动物流体动力感知信号的问题，研究提出基于应变平方梯度符号的避扰策略，揭示其可促成空间聚集、逆流排列并兼顾逃逸、觅食与繁殖需求。
2024-04-08 physics.flu-dyn
Couette flow turbulence reduction by the flow spanwise reflection symmetry breaking: On the universality of the control strategy
本文通过直接数值模拟验证近壁弱体积强迫打破展向反射对称的 Couette 流湍流控制策略，证明其在多个 Reynolds 数和强迫位置下可普适降低湍动能产生 30–40%。
2024-02-29 physics.flu-dyn
Momentum-scalar coupled turbulence with anomalous momentum and scalar diffusions. Part 2: With short-range external force and implementation in electrokinetic turbulence
State Key Laboratory of Photon-Technology in Western China Energy, International Scientific and Technological Cooperation Base of Photoelectric Technology and Functional Materials and Application, Laboratory of Optoelectronic Technology of Shaanxi Province, Institute of Photonics and Photon-technology, Northwest University（西北大学光子学与光子技术研究所）
该研究将广义反常扩散框架扩展至短程外力 regime，以电动湍流为例推导相关波数关系，识别出两个新谱子区间，构建相图明确参数对级联拓扑的影响。
2026-11-02 physics.flu-dyn
Scalar dissipation anomaly and scalar-gradient scaling in turbulence: A joint velocity-scalar multifractal view
Texas Tech University（德克萨斯理工大学）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）
通过理论分析和高达8192³网格的DNS数据，基于联合多重分形框架，揭示了标量耗散异常与标量梯度标度的普适规律，并预测了标量梯度高阶矩对Schmidt数的独立性。
2026-06-23 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Geometry of intensive scalar dissipation events in turbulence
湍流中标量耗散率的最大值以片状形式出现，对应于可能最强烈的标量混合事件。它们的横截面扩展确定了混合过程的局部变化扩散尺度，并扩展了经典的Batchelor图像的一个平均扩散尺度。局部扩散尺度的分布进行了分析，不同的雷诺数和施密特数的快速多尺度技术应用于非常高分辨率的模拟数据。刻度总是在整个Batchelor范围内及以外取值。进一步将它们的分布追溯到流的收缩短时李雅普诺夫指数的分布。
2006-08-24 nlin.CD physics.flu-dyn
Predictive modeling of passive scalar transfer to a wall using stochastic one-dimensional turbulence
本文将槽道湍流中的被动标量作为湍流边界层传热传质的正则问题来研究。一维湍流模型被用来数值研究施密特和雷诺数的依赖性标量转移到一个壁，由于波动的壁正常传输。首先，该模型是校准低阶速度统计。在此之后，我们保持模型参数固定，并调查低阶被动标量统计相关的施密特和雷诺数范围。我们表明，该模型一致预测的边界层结构和缩放制度，它是接近渐近一维理论。
2020-11-09 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.flu-dyn
The scalar, vector, and tensor modes in gravitational wave turbulence simulations
我们研究的引力波（GW）信号来源于原始湍流，假设是存在于宇宙学相变像电弱和量子色动力学相变。我们考虑各种模型的原始湍流，如那些有和没有螺旋，纯流体动力学湍流引起的流体运动，磁流体动力学湍流的能量可以支配的动能或磁能，这取决于湍流的性质。我们还研究了由宇称破坏源，如螺旋湍流产生的圆偏振GW。我们的最终目标是通过不同类别的湍流来确定GW生产的效率。我们发现，GW的能量和应变往往是大的声学或无旋湍流，即使它的张量模振幅是相对较小的，在大多数波数。只有在非常小的波数是频谱张量模式显着，这可能解释在这种情况下，有效的GW生产。
2021-06-25 astro-ph.CO gr-qc physics.flu-dyn
Joint probability density function modeling of velocity and scalar in turbulence with unstructured grids
在概率密度函数（PDF）方法中，数值求解输运方程以计算湍流中几个流动变量随时间和空间的概率分布。速度分量的联合PDF包含有关湍流速度场的所有单点一次性统计的信息，包括平均值、雷诺应力和高阶统计。我们开发了一系列的数值算法来模拟湍流速度，频率和标量组成的联合PDF的高雷诺数不可压缩流在复杂的几何形状，使用非结构化网格。对流、粘性扩散和化学反应在PDF格式中以封闭形式出现，因此不需要封闭假设。采用广义朗之万模型（GLM）和椭圆松弛技术，模拟了壁面对压力重分布和湍流动能各向异性耗散的非局部影响。控制系统的方程完全解决拉格朗日框架采用大量的粒子代表一个有限的样本的所有流体粒子。在非结构化网格的网格点处提取欧拉统计量。与其他PDF方程的粒子-单元方法相比，该方法是非混合的，因此计算的场保持完全一致，而不需要任何特定的处理。两个算例验证了该算法的适用性：一个充分发展的湍流槽道流和经典的空腔流都与标量从集中源释放。
2010-06-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Surfing on turbulence: a strategy for planktonic navigation
在海洋浮游生物中，许多游泳物种可以通过流量传感器感知环境。它们能利用这些流动信息在湍流中更快地移动吗？为了解决这个问题，我们考虑以恒定速度游泳的游泳者，其目标是向上移动。我们提出了一个强大的分析行为，允许游泳者选择游泳方向，根据当地的流量梯度。我们的数值计算表明，这样的冲浪者可以“冲浪”湍流和达到净垂直速度的两倍，他们的游泳速度。这个新的基于物理学的模型表明，湍流生物可以利用湍流特征进行导航。
2022-08-11 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Analysis of scalar dissipation in terms of vorticity geometry in isotropic turbulence
通过标量梯度产生促进标量耗散的机制从涡度相对于应变主轴的对准方面进行了仔细研究。为此，使用速度梯度张量和标量梯度矢量的随机拉格朗日模型。模式结果表明，标量耗散的主要部分发生在拉伸涡度，即当涡度矢量与拉伸和中间应变特征向量对齐。更具体地说，它似乎是很好地代表了平均标量耗散的样品定义的对齐与拉伸应变，而最强烈的标量耗散是由一组事件的涡度对齐与中间应变。这种差异是由相当微妙的机制，涉及的应变强度和标量梯度对齐的统计结果，从这些特殊的涡度对齐解释。考虑局部流动结构的分析证实了应变和旋转主导事件的后一种情况。然而，尽管普遍的作用，应变在促进标量耗散，标量耗散的水平的差异时，涡对准无论是拉伸或中间应变主要来自旋转为主的事件。
2016-12-01 physics.flu-dyn
A numerical investigation on active and passive scalars in isotropic compressible turbulence
本文研究了各向同性可压缩湍流中主动标量和被动标量的统计差异。在惯性范围内，动能和标量具有Kolmogorov谱，Kolmogorov常数和Obukhov-Corrsin常数分别为2.06和0.87。由二阶结构函数计算的局部标度指数对速度和主动标量存在平台，而对被动标量的局部标度指数先取最小值0.61，然后取最大值0.73。速度和被动标量的混合三阶结构函数满足4/3定律。在标度指数方面，速度与被动标量混合的标度指数介于速度与被动标量混合的标度指数之间，而速度与主动标量混合的标度指数则低于速度与主动标量混合的标度指数。在大振幅下，p.d.f.主动标量涨落的分布是超高斯分布，而被动标量涨落的分布是亚高斯分布。此外，两个标量增量的p.d.f.s分别是凹的和凸的形状，在小尺度下表现出很强的不连续性，并随着尺度的增加而接近高斯。主动标量具有“斜坡-悬崖”结构，而被动标量似乎是由稀疏和压缩。通过采用“粗粒化”的方法，我们研究标量级联。与被动标量不同，主动标量的级联主要取决于小尺度下的粘性耗散和大尺度下的压胀效应。由于稀疏区和压缩区的相互抵消，在小尺度激波附近压胀效应很大，但在空间平均后，压胀效应可以忽略不计。最后，在惯性范围内，标量的亚网格尺度通量的p.d.f.s可以坍缩到相同的分布，揭示了主动标量和被动标量统计的标度不变特征。
2015-05-11 physics.flu-dyn
Surface quasigeostrophic turbulence: The refined study of an active scalar
本研究通过16384²配点的高精度模拟，精细化探究表面准地转（SQG）湍流中标量与速度场的标度特性，发现混合结构函数存在清晰标度而常规结构函数无幂律行为，揭示了二者的本质耦合及间歇性的特殊机制，解释了长期数值模拟中的观测差异。
2025-03-20 physics.flu-dyn
Large-Eddy Simulation closures of passive scalar turbulence: a systematic approach
在被动标量输运的背景下，小尺度（“亚网格”）湍流的参数化的问题。我们专注于Kraichnan平流模型本身的封闭问题的分析调查。系统地导出了描述粗粒标量场演化的动力学方程。在$l/r$的最低阶近似下，$l$是定义粗粒标量场的滤波器的特征尺度，$r$是惯性距离分离，我们恢复了小尺度的经典涡扩散率参数化。在下一个领导秩序的动力学封闭。后者优于经典模型，因此是一般湍流中标量输运的亚网格模型的自然候选者。
2003-09-10 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Anomalous scaling of passive scalar in turbulence and in equilibrium
我们分析了多点关联函数的示踪剂在不可压缩流的尺度远远超过规模$L$的波动产生（准平衡域），并将它们与关联函数的尺度小于$L$（湍流域）。我们证明，尺度不变性可以打破平衡域和跟踪这种故障的统计积分的运动（零模式）已经做了湍流。采用Kraichnan模型的短相关速度，我们确定了新类型的零模式，打破规模不变性，并确定了一个令人不安的缓慢衰减的相关性在大尺度。
2005-01-03 cond-mat.stat-mech hep-th nlin.CD
Assessing passive scalar dynamics in bubble-induced turbulence using DNS
本研究通过DNS分析气泡诱导湍流中的被动标量，发现标量谱从k^-5/3到k^-3的转变，并揭示其机制与气泡直径尺度相关，同时探讨了对流扩散率的影响。
2023-05-04 physics.flu-dyn
Data-Driven Fractional Subgrid-scale Modeling for Scalar Turbulence: A Nonlocal LES Approach
在湍流输运的大涡模拟（LES）中，对被动标量输运方程进行滤波，产生了与不可分辨标量通量相对应的封闭项。了解和尊重亚网格尺度（SGS）通量的统计特征是LES的鲁棒性和可预测性的关键点。在这项工作中，我们调查的内在非局部行为的SGS被动标量通量通过研究其两点统计从过滤的直接数值模拟（DNS）数据中获得的被动标量输运均匀各向同性湍流（HIT）。真实SGS标量通量的长程相关性的存在促使我们超越传统的局部闭合模型方法，这种方法不能预测被动标量中湍流输运的非高斯统计特征。在这里，我们提出了一个适当的统计模型，考虑到过滤玻尔兹曼输运方程（FBTE）的被动标量的微观SGS运动。在FBTE中，我们近似的过滤平衡分布与$α$稳定的Levy分布，基本上结合了幂律行为，类似于所观察到的非局部统计SGS标量通量。通用的整体平均这样的FBTE让我们制定一个连续的水平封闭模型SGS标量通量出现在分数阶拉普拉斯算子，这是固有的非本地。通过数据驱动的方法，我们推断出我们的SGS模型的最佳版本，使用高保真数据的SGS标量通量和过滤标量梯度之间的两点关联函数，稀疏线性回归。在\textit{a priori}测试中，最优分数阶模型在再现滤波标量方差的SGS耗散的概率分布函数（PDF）方面产生有希望的性能，与从滤波DNS数据获得的其真实PDF相比。
2021-07-09 physics.flu-dyn
Energy and flux budget closure theory for passive scalar in stably stratified turbulence
针对稳定分层湍流，发展了被动标量（非浮力和非惯性粒子或气体混合物）的能量和通量收支（EFB）封闭理论。EFB湍流闭合的物理背景是基于湍流动能和势能以及动量和浮力的湍流通量以及颗粒的湍流通量的收支方程。EFB湍流闭合是为从中性到非常稳定的分层地球物理流而设计的，它意味着在任何分层处，湍流都是由速度切变维持的。在定常状态下，导出了被动标量的湍流通量和各向异性非对称湍流扩散张量的表达式，并得到了该张量各分量的普适通量理查森数依赖关系。湍流扩散张量在垂直方向上的对角分量被强分层抑制，而在水平方向上的对角分量没有被抑制，并且它们与湍流扩散张量的其他分量相比是占主导地位的。这意味着，任何最初创建的强烈不均匀的粒子云演变成一个薄煎饼在水平面上的垂直方向上的厚度非常缓慢的增加。湍流Schmidt数随梯度理查森数线性增加。考虑到这些结果的应用程序的大气边界层湍流，理论关系推导出允许确定的湍流扩散张量作为一个函数的垂直坐标测量的单位的地方Obukhov长度尺度。所得到的关系式在模拟大气边界层湍流和自由大气湍流中的颗粒弥散方面具有潜在的应用价值。
2021-06-02 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Active Scalar Mixing by Homogeneous Isotropic Turbulence
本文通过直接数值模拟研究均匀各向同性湍流中活性标量的混合，发现密度梯度方向影响界面演化，并提出新混合度量，指出合成湍流场即使匹配能谱也不足以替代Navier-Stokes湍流研究混合动力学。
2025-07-05 physics.flu-dyn
Effective diffusivity of passive scalars in rotating turbulence
我们使用直接数值模拟来计算湍流旋转流中被动标量的湍流输运系数。在平行和垂直于旋转轴的方向上的有效扩散系数通过研究被动标量的施加的初始轮廓的扩散而获得，并且通过测量标量的平均浓度和平均空间通量作为时间的函数而计算。改变Rossby和Schmidt数以量化它们对有效扩散的影响。研究发现，旋转会降低垂直方向上的标量扩散率。垂直扩散可以使用垂直于旋转轴的特征速度和长度从混合长度参数估计。小施密特数，湍流运输减少和分子扩散变得更加显着的偏差。
2013-02-12 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
A Nonlocal Spectral Transfer Model and New Scaling Law for Scalar Turbulence
在这项研究中，我们重新审视了被动标量传输（大尺度各向异性强迫下）的湍流强度的光谱传输模型，并提出了标量方差级联的标度的后续修改。从修改后的光谱传输模型，我们得到了一个修正的标量传输模型，使用分数阶拉普拉斯算子，有利于强大的包容性的非局部效应起源于大规模的各向异性转移跨越众多的尺度在湍流级联。我们提供了一个$\textit{a priori}$估计的非局部模型的基础上的标度谱分析，并随后通过直接数值模拟检验我们开发的模型。我们提出了一个详细的分析演变的标量方差，高阶统计量的标量梯度，和重要的两点统计度量的湍流输运的非局部模型和它的标准版本之间进行全面的比较。最后，我们提出了一个分析，无缝调和的相似性之间的开发模型与分数阶亚网格尺度标量通量模型的大涡模拟（Akhavan-Safaei等，2021）时，过滤尺度接近耗散尺度的湍流输送。为了完成这项任务，我们采用高斯过程回归模型来预测分数阶次网格模型的模型系数。
2021-11-12 physics.flu-dyn
Momentum-scalar coupled turbulence with anomalous momentum and scalar diffusions. Part 1: Without external force and with long-range external force
State Key Laboratory of Photon-Technology in Western China Energy, International Scientific and Technological Cooperation Base of Photoelectric Technology and Functional Materials and Application, Laboratory of Optoelectronic Technology of Shaanxi Province, Institute of Photonics and Photon-technology, Northwest University（西北大学光子与光子技术研究所）
本文提出动量-标量耦合湍流的理论模型，推导相关谱与特征波数的解析表达式，定义反常施密特数，统一经典标度，为理解复杂湍流系统的非费克输运提供基础。
2026-09-18 physics.flu-dyn
Deep Learning of Turbulent Scalar Mixing
基于物理学深度学习和深层隐藏物理模型的最新发展，我们提出了一个框架，用于从概率密度函数（PDF）的分散和潜在噪声时空测量中发现湍流模型。这些模型用于由其传输单点PDF方程描述的菲克标量的条件预期扩散和条件预期耗散。所发现的模型进行了评估，对精确解的振幅映射封闭（AMC）/ Johnsohn-Edgeworth翻译（JET）模型的二元标量混合均匀湍流。
2018-11-17 cs.CE physics.comp-ph physics.flu-dyn
Passive scalar transport in rotating turbulent channel flow
采用直接数值模拟的方法研究了展向系统旋转条件下槽道湍流中标量输运问题。雷诺数$Re = U_b h/ν$固定为$20\,000$，旋转数$Ro = 2 Ωh/U_b$在0至1.2之间变化，其中$U_b$是整体平均速度，$h$是半通道间隙宽度，$Ω$是旋转速率。标量值是恒定的，但在两个壁不同，导致稳定的标量输运通过通道。旋转导致不稳定的通道侧具有相对较强的湍流和湍流标量输送，以及稳定的通道侧具有相对较弱的湍流或层流，弱湍流标量输送，但大的标量波动和陡峭的平均标量梯度。在稳定通道侧的某些$Ro$处观察到的不同的顺磁层流模式在标量梯度场中诱导类似的模式。研究的主要结论是，旋转降低了标量和速度场之间的相似性，标量动量输运的雷诺类比不适用于旋转湍流槽道流。这是由速度和标量波动之间的相关性降低，并强烈减少湍流普朗特数小于0.2的不稳定通道侧远离壁在较高的$Ro$。在不稳定通道一侧，标量尺度变得比湍流尺度更大，根据光谱和湍流标量通量矢量变得更一致的平均标量梯度由于旋转。预算中的标量能量和标量通量的控制方程，以及其他相关的湍流建模统计。
2017-10-30 physics.flu-dyn
Irreversibility in scalar active turbulence: The role of topological defects
University of Luxembourg（卢森堡大学）
研究揭示了标量主动湍流中拓扑缺陷通过主动应力奇异性导致动态不可逆性，通过分析游动体密度和流函数耦合动力学，确定了缺陷对配置对不可逆性的作用。
2026-03-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
The Universality of Dynamic Multiscaling in Homogeneous, Isotropic Turbulence
我们系统地研究了被动标量和流体湍流的不同模型中的时变结构函数的动态多尺度性。我们表明，通过适当的归一化这些结构函数，我们可以消除它们的依赖于我们开始测量的时间的起源，这些归一化的结构函数产生相同的线性桥关系，涉及统计稳定湍流的动态多尺度和等时指数。我们分析表明，无论是被动标量湍流Kraichnan模型和它的壳模型模拟，和数值计算，流体湍流的GOY壳模型和被动标量湍流的壳模型，这些指数和桥梁关系是相同的统计稳定和衰减湍流。因此，我们为动态普遍性提供了强有力的证据，即，动态多尺度指数不依赖于湍流是衰减还是统计稳定。
2007-10-30 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Scalar Dissipation Criticality in Compressible Magnetized Turbulence
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Flatiron Institute, Simons Foundation（西蒙斯基金会平顿研究所）；School of Mathematics, IAS, Princeton（普林斯顿高等研究院数学学院）；GSSI, L’Aquila, Italy（意大利拉奎拉全球南方科学研究所）
该研究将标量湍流理论推广至可压缩磁化流动，证明在特定标度指数条件下反常耗散不可能发生，并给出Yaglom定律的可压缩类比，为等离子体输运提供诊断依据。
2026-09-22 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Comparing velocity and passive scalar statistics in fluid turbulence at high Schmidt numbers and Reynolds numbers
本文通过纳入施密特数高达512的文献数据，反驳了先前关于高雷诺数和施密特数下速度与被动标量统计量趋同的结论，证明两者本质差异始终存在。
2023-02-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Statistics and geometry of passive scalars in turbulence
本文对中等雷诺数（10 =< R_λ=< 42）和施密特数大于1（2 =< Sc =< 32）时被动标量的混合进行了直接数值模拟（DNS）。模拟分辨率低于Batchelor比例高达四倍。平流湍流是均匀的和各向同性的，并保持稳定的随机强迫在低波数。被动标量通过一个方向上的平均标量梯度而呈现静止。本文研究了标量场的几何和统计性质与其梯度之间的关系。雷诺数和施密特数是不是足够大的Kolmogorov缩放或巴彻勒缩放的发展，并不奇怪，我们发现没有分形缩放的标量水平集，或等值面，在中间粘性范围。等值面的面积-体积比反映了标量涨落的近似高斯统计。由标量梯度幅值的条件概率密度函数（PDF）确定的等值面上的标量通量，具有朝向尾部的拉伸指数分布。对于小振幅和大振幅，标量耗散的PDF明显偏离对数正态分布。研究了标量及其耗散率的联合统计量，以及标量耗散的平均条件矩。我们研究粗粒化的概率密度的影响，以模拟测量中的不良探头分辨率的影响。
2005-10-21 astro-ph nlin.CD physics.flu-dyn
No new scaling laws of passive scalar with a constant mean gradient in decaying isotropic turbulence
在Sadeghi和Oberlack [JFM 899，A10（2020）]的研究中，声称在衰减均匀各向同性湍流中的恒定平均梯度的影响下，推导出了被动标量动力学情况下的新标度律。然而，这些标度定律并不新鲜，Bahri（2016）已经推导并讨论过。萨代吉和奥伯莱克并没有取得新颖的分析成果，他们的研究标题误导性地暗示了这一点。事实上，Bahri通过简单的量纲分析得到的已经建立的自相似标度律在应用中已经比Sadeghi和Oberlack通过过于复杂因此不必要地执行李群对称性分析得到的自相似标度律更普遍。声称它具有不是特别方法的优点是不正确的。因为李群方法不像经典方法那样使用先验的尺度集，而是必须使用先验的对称性集，也就是说，从一个无限的因而是不封闭的集合中选择正确的相关对称性。例如，选择了非物理缩放对称性，在分析过程中必须丢弃该非物理缩放对称性，因为它与模拟的数据不兼容。因此，湍流中的李群对称方法只是另一种常见的试错方法，而不是可以绕过封闭问题的第一原理方法。
2022-05-31 physics.flu-dyn
Evolution of passive scalar mixing layers in stratified and unstratified homogeneous turbulence
University of Massachusetts Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）；University of Washington（华盛顿大学）
通过高分辨率大涡模拟研究稳定分层湍流中被动标量的混合，发现横向混合在分层与未分层情况下相似但分层时稍快，而垂向混合因分层抑制大尺度搅拌而几乎停止。
2026-06-12 physics.flu-dyn
Lagrangian model for passive scalar gradients in turbulence
本文提出一个基于RDGF闭合的拉格朗日模型，用于各向同性湍流中被动标量梯度的预测，通过纳入轨迹历史信息修正误差，在泰勒雷诺数约500以内与DNS数据高度吻合。
2022-10-31 physics.flu-dyn
A Lagrangian fluctuation-dissipation relation for scalar turbulence, I. Flows with no bounding walls
标量耗散之间的精确关系推导出由于分子扩散和随机拉格朗日轨迹的流动无边界壁的随机性。这种“拉格朗日波动耗散关系”将被动或主动标量的标量耗散等同于与初始标量值和内部标量源相关联的标量输入的方差，因为这些标量输入由随机拉格朗日轨迹在时间上向后采样。作为一个重要的应用，我们重新考虑了“拉格朗日自发随机性”或持久的非确定性的拉格朗日粒子轨迹在消失的粘度和扩散极限的现象。先前对Kraichnan（1968）湍流标量平流模型的研究表明，在该模型中，反常标量耗散与拉格朗日自发随机性有关。然而，对于由实际湍流平流输送标量的这种机制的有效性，一直存在争议。我们在这里完全解决这个争议，利用涨落耗散关系。无论是被动或主动标量平流的任何发散自由的速度场，包括不可压缩的纳维-斯托克斯方程的解决方案，并远离墙壁，我们证明了反常标量耗散需要拉格朗日自发随机性。对于被动标量，我们进一步证明，自发随机性产生异常耗散适当的初始标量分布，使这两种现象是完全等价的。这些点都说明了从数据库中的均匀，各向同性湍流，这两个额外的支持结果和物理洞察随机拉格朗日粒子轨迹的扩散效应的表示的数值结果。
2017-07-13 math-ph math.MP math.PR
