Lagrangian stochastic model for the orientation of inertialess spheroidal particles in turbulent flows: an efficient numerical method for CFD approach
在这项工作中，我们提出了一个模型的无惯性球形颗粒悬浮在湍流的方向。该模型包括在一个随机版本的杰弗里方程，可以包括在一个统计拉格朗日描述悬浮在流动中的颗粒。它与CFD代码中广泛使用的湍流模型兼容和一致，用于模拟实际大规模应用中的流场。在这种情况下，我们提出并分析了一个数值方案的基础上分裂计划算法，将其主要贡献的方向动力学：拉伸和旋转。我们详细介绍了它的实现在一个开源的CFD软件。我们分析了弱收敛和强收敛的整体计划和每个子部分。随后，分裂技术产生一个高效的混合算法耦合纯概率和确定性的数值方案。进行了各种数值实验，并将结果与模型的分析预测进行了比较，以评估算法的效率和精度。
2023-03-07 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Rotation of a spheroid in a simple shear at small Reynolds number
我们推导出一个有效的运动方程的定向动力学的中性浮力球体悬浮在一个简单的剪切流，适用于任意颗粒的纵横比和线性顺序的剪切雷诺数。我们展示了惯性效应如何解除简并的杰弗里轨道，并确定在无穷小的剪切雷诺数的日志滚动和翻滚轨道的稳定性。对于长球体，我们发现稳定的翻滚在剪切平面，日志滚动是不稳定的。相反，对于扁圆形颗粒，如果纵横比大于临界值，则原木滚动是稳定的，而翻滚是不稳定的。当纵横比小于此值时，翻滚变为稳定，并产生不稳定的极限环。
2015-04-09 physics.flu-dyn
Effect of wall thermal inertia upon transient thermoacoustic dynamics of a swirl-stabilized flame
本文指出了考虑燃烧室热状态对研究或预测其热声稳定性的重要性。这方面往往被忽视或被认为不如操作参数的影响重要，例如热功率或当量比，但在某些情况下，它可以对不稳定性的发展产生显着的影响。本文介绍了实验结果收集的燃烧室具有贫油旋流稳定火焰表现出热声不稳定性在某些操作条件下。它示出，这种不稳定性是由火焰拓扑结构的变化引起的壁面温度与热功率的逐步增加。这种不稳定性对壁面温度的依赖性导致当操作条件动态改变时的惯性效应和滞后。一个低阶模型的系统再现这一显着的动态提出并验证对实验数据。
2018-07-06 physics.flu-dyn
Dynamics of a large population of red blood cells under shear flow
大量的红细胞在稀释制度的剪切流下的动力学的详尽描述，提出了，它突出并考虑到在给定的血液样品内的细胞特性的分散。考虑生理悬浮流体粘度，这是实验研究中令人惊讶地很少考虑的配置，以及在文献中参考的更粘稠的流体。稳定和不稳定的翻转运动，以及杰弗里轨道或修改杰弗里轨道描述，以及过渡到和从坦克踩踏运动中的更粘悬浮液的情况下。滞后环剪切速率的增加或减少突出的不稳定和稳定的轨道之间的过渡，以及翻转和坦克踩踏之间的过渡。我们确定的特征参数的运动和过渡阈值取决于流动应力或悬浮液的粘度。
2019-02-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Orientation dynamics of a settling spheroid in simple shear flow: bifurcations and stochastic alignment
Indian Institute of Technology Madras（印度马德拉斯理工学院）
研究沉降椭球体在简单剪切流中的取向动力学，结合确定性动力系统分析与随机福克-普朗克处理，探讨剪切与沉降扭矩竞争对旋转运动与平衡态转变的影响，并分析噪声在不同沉降条件下的作用。
2026-04-15 physics.flu-dyn
Velocity and acceleration statistics of heavy spheroidal particles in turbulence
本文通过直接数值模拟研究湍流中重球状粒子的平移运动，发现其速度和加速度的拉格朗日统计量可通过粒子取向角度各向同性平均得到的有效 Stokes 数全面描述，将非球形修正转化为有效半径。
2023-04-21 physics.flu-dyn
Coupled Self-Organized Hydrodynamics and Stokes models for suspensions of active particles
我们推导出流体中自推进粒子的宏观动力学。出发点是一个耦合的Vicsek-Stokes系统。Vicsek模型描述了通过对齐相互作用的自推进代理。它提供了一个现象学的描述在高密度的代理之间的流体动力学相互作用。Stokes方程描述的是低雷诺数流体。这两种动力学通过药剂和流体之间的相互作用耦合。流体通过杰弗里方程使粒子旋转。粒子自推进在流体上产生力偶极。粗粒化后，我们得到一个耦合的自组织流体动力学（SOH）-斯托克斯系统。我们对此系统进行了线性稳定性分析，结果表明，拉车和推车都有不稳定的模式。最后，我们提供扩展的Vicsek-Stokes模型，包括短距离排斥，有限的粒子惯性和有限的雷诺数流体制度。
2017-06-18 math.AP physics.flu-dyn
An Inertial Cell Model for the Drag Force in Multi-phase Flow
本文提出了一种计算球体在集中系统中阻力系数的新模型。它是基于一个单元平均模型的斯托克斯制度结合物理动机外推到任意雷诺数。它可作为固液多相流Euler-Lagrange模型中孤立颗粒阻力系数的替代，相应的阻力也为Euler-Euler模型提供了床层动力学方程。
2014-12-24 physics.flu-dyn
Direct Measurement of Particle Inertial Migration in Rectangular Microchannels
由于惯性升力，以高速行进通过微流体通道的颗粒从它们的起始流线迁移。理论预测了这些力的不同比例定律，并且几乎没有实验证据来验证理论。在这里，我们实验测量的三维位置和迁移速度的颗粒。我们的实验方法依赖于亚像素精确的粒子跟踪和深度维度的速度重建相结合，以跟踪数千个单独的粒子在三维空间中。我们发现，有没有简单的缩放粒子大小的惯性力，但迁移速度同意以及与数值模拟和两项渐近理论，不包含未测参数。
2017-07-05 physics.flu-dyn
Friction dynamics of elasto-inertial turbulence in Taylor-Couette flow of viscoelastic fluids
在Taylor-Couette几何中研究了弹性惯性湍流的动力学特性。EIT是在不可忽略的惯性和粘弹性的基础上发展的混沌流动状态。直接流动可视化和扭矩测量的组合允许验证与纯惯性不稳定性（和惯性湍流）相比EIT的早期发生。本文首次讨论了具有惯性和弹性的伪Nusselt数的标度。摩擦系数，时间频谱和空间功率密度谱的变化突出了EIT在过渡到其完全发展的混沌状态之前经历了中间行为，该混沌状态需要高惯性和弹性。在此过渡期间，二次流对整体摩擦动力学的贡献是有限的。这对于在低阻力和低但有限的雷诺数下实现有效混合的目标是非常有意义的。
2023-01-05 physics.flu-dyn
Analysis of the forward and backward in time pair-separation PDFs for inertial particles in isotropic turbulence
本文利用理论和直接数值模拟（DNS）研究了各向同性湍流中惯性粒子对分离的时间向前（FIT）和时间向后（BIT）概率密度函数（PDF）。与我们早期的研究一致（Bragg等人，Phys. Fluids 28，013305（2016）），其中我们比较了FIT和BIT均方分离，我们发现惯性粒子分离BIT比FIT快得多，不可逆性的强度取决于粒子对的最终/初始分离及其斯托克斯数$St$。然而，我们也发现，不可逆性在完整PDF的行为中以微妙的方式出现，而在均方分离中则没有。在理论中，我们得到新的预测，包括预测的BIT/FIT PDF的${St\geq O(1)}$，并最终/初始分离的耗散制度。预测表明，在耗散范围内的粒子相对速度的焦散如何影响对分离PDF的缩放，导致PDF与代数衰减的尾巴。预测的PDF的功能行为是普遍的，因为它不依赖于底层湍流的不稳定性水平。我们还分析了流体粒子在短时间内的成对分离PDF，并使用多重分形形式主义来描述流体相对速度分布，构建理论预测。理论和数值结果都表明，小尺度下惯性粒子对色散的极端事件主要是由它们与湍流速度场的非局域相互作用所决定的，而不是由于湍流本身的强耗散范围不稳定性。
2017-08-14 physics.flu-dyn
Inelastic accretion of inertial particles by a towed sphere
本文研究了平均流中小球吸积小颗粒的问题，其中颗粒与固体物体发生非弹性碰撞。碰撞效率，这使得粒子的通量经历至少一个反弹的球体上，被发现依赖于球体雷诺数仅通过临界斯托克斯数的值低于没有碰撞发生。在分子扩散的情况下，它表明，多次反弹不提供足够的能量耗散的颗粒在有限的时间内坚持到表面。这就排除了任何非弹性坍缩的可能性，因此确定吸积效率需要更精确地模拟粒子表面的微物理相互作用。一个简单的选择是假设当粒子撞击时的动能低于阈值时，粒子会粘在一起。在这个视图中，进行数值模拟，以描述在不同的雷诺数值的冲击速度的统计。连续的反弹，以提高吸积。这些结果放在一起，以提供一个一般的定性图片吸积效率如何取决于无量纲参数的问题。
2017-08-10 physics.flu-dyn
A numerical lift force analysis on the inertial migration of a deformable droplet in steady and oscillatory microchannel flows at different Capillary numbers and oscillation frequencies
近年来，可变形颗粒的惯性迁移由于其在微流体和生物医学中的众多应用而变得引人注目。这种粒子运动的物理基础取决于微通道中升力的存在。这一重要性引发了几项研究，以分析和量化作用在粒子上的这种力。然而，由于大多数这样的尝试都集中在固体和不变形的颗粒，我们延长了升力分析的情况下，可变形的液滴和研究毛细管数对它们的动态的影响在本文中。此外，通过为颗粒引入新的平衡位置，利用振荡流作为微通道内恒定电流的替代方案已被证明是有益的。因此，目前的分析包括振荡制度，并确定振荡频率对升力的影响。然后，我们提出了一个表达式，准确地模仿在振荡流的升力行为。最后，我们介绍了一个程序来推导和预测一个简单的表达式的稳定和平均的振荡升力的任何给定的组合的毛细管数和振荡频率在一个连续的范围内。
2021-08-24 physics.flu-dyn
Orientation Dynamics of Rigid Fibers in a Microfluidic Burgers-like Vortex
ESPCI Paris, PSL University, CNRS, Sorbonne University, and Paris Cité University（巴黎高等物理化工学院、巴黎文理研究大学、法国国家科学研究中心、索邦大学、巴黎西岱大学）；CNRS, Ecole Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris（法国国家科学研究中心、巴黎综合理工学院、巴黎理工学院）；Institut Universitaire de France（法国高等教育研究院）
该研究结合微流体实验、理论和数值模拟，研究中等雷诺数下流向稳定涡旋中刚性中性浮力纤维的取向动力学，发现其取向由杰弗里方程与伯格斯涡旋模型耦合精确描述，为理解拉伸涡旋流中细长颗粒行为建立了简单框架。
2026-10-14 physics.flu-dyn
Multiple collisions in turbulent flows
在湍流悬浮液中，碰撞率决定了颗粒聚结或相互反应的速度。为了确定碰撞率，许多数值研究依赖于“幽灵碰撞近似”（GCA），它简单地记录了点粒子对进入阈值距离的频率。在许多应用中，悬浮颗粒在碰撞时粘附（或在液滴的情况下，聚结），并且感兴趣的是第一次接触的频率。如果一对“幽灵”粒子经历多次碰撞，GCA可能会高估真实的碰撞率。本文采用全分辨直接数值模拟方法，对中等雷诺数（R_λ= 130）下的湍流进行了数值模拟，研究了多重碰撞的普遍性和性质。我们表明，GCA导致系统高估的碰撞率，这是15%的顺序时，粒子的惯性是小的，并缓慢地降低惯性增加。我们研究了给定的一对鬼粒子碰撞N次的概率P（N）。当N>1时，我们发现P（N）=βα^N，其中α和β是依赖于粒子惯性的系数。这一结果被用来解释GCA和真实碰撞率之间的差异。我们还研究了幽灵粒子保持接触的时间统计。我们表明，接触时间的概率密度函数是不同的第一次碰撞。这种差异是由悬浮颗粒相空间中焦散线的影响来解释的。
2013-10-05 physics.flu-dyn
Anisotropic particles in two-dimensional convective turbulence
二维对流湍流中各向异性无惯性颗粒的取向动力学表现出规则与混沌共存的特征。我们用数值方法证明了非常细长的颗粒（杆）优先与流体流动的方向对齐，即，水平地靠近等温壁，并且在本体中主要垂直地。这种行为是由于存在一个持续的大规模环流结构，这导致强烈的剪切壁边界和上/下涌区域。近壁水平排列的杆坚持在增加瑞利数，而在散装的垂直方向逐渐减弱相应的湍流强度的增加。此外，我们发现，非常细长的颗粒几乎正交的温度梯度的方向，一个独立的系统维数的对齐，并成为精确的只有在无限普朗特数的限制。在靠近壁面的地方，粒子的翻滚速率非常剧烈，在那里粒子大致执行杰弗里轨道。这意味着球体的均方根近壁翻滚速率比杆强得多，高达$Ra\simeq 10^9$的$\mathcal{O}(10)$倍。在湍流中，情况相反，杆比各向同性颗粒的翻滚速度略快，这与早期在二维湍流中的观察结果一致。
2020-03-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Relative velocities of inertial particles in turbulent aerosols
本文计算了随机混合流和湍流中相同惯性颗粒的相对速度和分离度的联合分布。我们的结果是通过匹配的渐近形式的分布。该方法考虑了悬浮颗粒的空间聚集以及它们运动中的奇异性（所谓的“焦散”）。因此，它适当地考虑相空间的分形性质，并根据相应的相空间分形维数D_2来表征分布。该方法清楚地展示了分布的普遍性（与流量的统计特性无关）：在小颗粒间距R和不太大的径向相对速度|V_R|下，径向相对速度的分布呈现普适的幂律形式ρ（V_R，R）\sim |V_R| ^{D_2-d-1}，条件是D_2 <d +1（d是空间维度），并且斯托克斯数St足够大，可以形成焦散线。在V_R的范围内，这个幂律是有效的，它取决于R，取决于斯托克斯数，也取决于流动的性质。我们的结果是在很好的协议与计算机模拟的结果的粒子悬浮在随机速度场与有限的相关时间。在白噪声限值中，结果与[Gustavsson和Mehlig，Phys.Rev.E84（2011）045304]的结果一致。
2013-07-05 physics.flu-dyn
Aggregation and fragmentation dynamics of inertial particles in chaotic flows
在混沌流中平流的惯性粒子常常聚集在奇异吸引子中。当在这些分形集合中移动时，它们通常彼此接近并碰撞。这里我们考虑惯性粒子在碰撞时的聚集。在这个过程中形成的新粒子更大，并遵循具有新参数的运动方程。当这些颗粒达到一定的尺寸或剪切力变得足够大时，它们又会破碎。由此产生的系统由大量的共存的动力系统与不同数量的粒子。我们发现，聚集和碎裂的组合导致一个渐近稳定的状态。渐近粒度分布取决于破碎机制。从这个模型得到的粒径分布是一致的，发现在雨滴统计和搅拌槽实验。
2008-11-14 nlin.CD physics.flu-dyn
Nonlinear response of inertial tracers in steady laminar flows: differential and absolute negative mobility
本文研究了在热噪声和外力作用下，二维不可压缩层流中惯性示踪剂的迁移率和扩散系数。我们表明，广泛的数值模拟，示踪剂的力-速度关系，在非线性制度，显示复杂和丰富的行为，包括负微分和绝对流动性。这些效应依赖于惯性和作用力之间的微妙耦合，这会导致示踪剂以与作用力相反的速度持续存在于相空间的特定区域。在非平衡响应理论的框架中重新审视这种耦合的相关性，将广义爱因斯坦关系应用于我们的系统。本文还讨论了实验观测这些结果的可能性。
2016-10-04 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Flexible fibers in shear flow approach attracting periodic solutions
在没有惯性的情况下，对剪切流中单个非布朗柔性纤维的三维动力学进行了数值计算。广泛的比率A的弯曲水动力和数百个初始配置被认为是。我们表明，在剪切流中的柔性纤维表现出更复杂的演变模式比在拉伸流的情况下，当A超过连续的阈值时，观察到的特征形状的高阶模式的过渡。在剪切流中，我们确定存在一个吸引稳定的配置和不同的吸引周期性运动，分别接近长期滚动，翻滚和蜿蜒的动力学模式。我们证明了第一和第二模式的最后阶段是有效的杰弗里轨道，与常数参数C替换为指数函数，要么衰减或增加的时间，分别对应于系统漂移的轨迹。在C趋于零时，纤维与涡度方向对齐，在C趋于无穷大时，纤维在剪切平面内周期性地翻滚。对于中等的A值，存在三维曲折周期运动，其对应于中等的C值。瞬态，接近周期性振荡也检测到在第一阶段的模式。
2019-11-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Coagulation and fragmentation dynamics of inertial particles
悬浮在许多自然和工业流动中的惯性颗粒在碰撞和破碎时发生凝聚，如果它们的尺寸变得太大或如果它们经历大的剪切。在这里，我们研究了时间周期不可压缩流中的凝聚-破碎过程。我们发现，这个过程接近一个渐近的，动态的稳定状态，每个大小的粒子的平均数量大致恒定。我们比较了两种破碎机制和不同流量下的稳态粒径分布，发现稳态粒径分布基本上与凝聚过程无关。虽然碰撞率决定了瞬态行为，但碎裂决定了稳态。例如，对于由于剪切引起的破碎，如果剪切力的时间或空间变化相似，则具有非常不同的局部颗粒浓度的流可以导致相似的颗粒尺寸分布。
2009-08-20 nlin.CD physics.flu-dyn
Local analysis of the clustering, velocities and accelerations of particles settling in turbulence
使用三维Vorono \text{ï}分析，我们探讨了小，沉降，惯性粒子在各向同性湍流的局部动力学，使用直接数值模拟（DNS）。我们独立地改变泰勒雷诺数$R_λ\in[90,398]$，弗劳德数$Fr\equiv a_η/g\in[0.052,\infty]$（其中$a_η$是柯尔莫哥洛夫加速度，$g$是重力加速度），和柯尔莫哥洛夫尺度斯托克斯数$St\equivτ_p/τ_η\in[0,3]$。在协议与以前的结果，使用全球措施的颗粒聚类，如径向分布函数（RDF），我们发现，小Vorono \text{ï}卷（对应于最群集的颗粒），该行为强烈依赖于$St$和$Fr$，但只有弱依赖于$R_λ$，除非$St>1$。然而，较大的Vorono \text{ï}体积（空隙区域）表现出对$R_λ$的更强的依赖性，即使当$St\leq 1$，我们表明，这，而不是在小体积的行为，是Vorono \text{ï}体积的标准偏差的敏感性的原因，已被报道。我们还表明，颗粒沉降速度的最大贡献是与越来越大的Vorono \text{ï}体积的沉降参数$Sv\equiv St/Fr$增加。我们对沉降惯性颗粒的加速度统计的局部分析表明，聚集的颗粒在重力方向上经历净加速度，而空隙区域中的颗粒经历相反的加速度。然而，粒子加速度方差是Vorono \text{ï}体积的凸函数，有或没有重力，这似乎表明Vorono \…
2019-08-01 physics.flu-dyn
Universality classes of surface wave turbulence as probed by laser Doppler velocimetry in viscous fluids
利用激光多普勒测速仪（LDV）的优势，我们探讨了在单色光激发下流体界面上离散波级联的存在。我们研究粘性液体的可变毛细跨越广泛的摩擦应力。弱表面波湍流（weak-SWT）的惯性区的存在已被指出作为一个级联的离散模式的振幅兼容的通用Kolmogorov的标度。从弱到强的表面湍流的过渡已经探索了这个工具，揭示了惯性表面力的重要性，以描述交叉。
2019-06-13 nlin.CD physics.flu-dyn
Lagrangian flow networks for passive dispersal: tracers versus finite size particles
本研究构建了拉格朗日流动网络，通过二维运动流场和von Kármán涡街比较惯性粒子与示踪粒子的传输概率，发现示踪粒子近似无法准确预测移动概率，可能导致海洋生物或工业颗粒的命运预测不一致。
2024-07-25 physics.flu-dyn
Angular velocity of a spheroid log rolling in a simple shear at small Reynolds number
本文分析了中性浮力小球体原木在简单剪切机中滚动时的角速度。当流体惯性的影响可以忽略时，角速度$ω$等于流体涡量的一半。我们计算奇异摄动理论如何弱流体惯性减少了角速度在无界剪切，以及如何减少取决于形状的球体（其纵横比）。此外，我们确定的角速度的直接数值模拟。在剪切雷诺数较小但不太小的情况下，对于所考虑的所有展弦比，结果与理论非常一致。对于球体的特殊情况，我们找到了$ω/s = -1/2+0.0540\, \mbox{Re}_\mbox{s}^{3/2}$，其中$s$是剪切速率，$\mbox{Re}_\mbox{s}$是剪切雷诺数。这一结果不同于Lin等人[J.Fluid Mech.44（1970）1]得出的结果，后者得到的数值系数大约大3倍。
2016-07-24 physics.flu-dyn
On the relationship between the non-local clustering mechanism and preferential concentration
“优先浓度”（\emph{Phys. Fluids} \textbf{A3}：1169- 78，1991年）是指惯性粒子在湍流的高应变、低旋转区域中的聚集。Maxey的“离心机理”（\emph{J. Fluid Mech.} \textbf{174}：441- 65，1987）似乎可以解释这种现象。在最近的一篇论文中，Bragg \& Collins（\emph{New J. Phys.} \textbf{16}：055013，2014）表明离心机制仅在${St\ll1}$状态中占主导地位，其中$St$是基于柯尔莫哥洛夫时间尺度的斯托克斯数。在这个区域之外，离心机制让位于非局部的、路径历史对称性破缺机制。然而，尽管在集群机制的变化，瞬时粒子的位置继续与高应变，低旋转区域的湍流。在本文中，我们分析的精确方程的径向分布函数，并显示如何非本地聚类机制的影响，但不依赖于，优先采样的流体速度梯度张量沿粒子路径历史的方式，以产生一个偏见的集群在高应变区域的湍流。我们还展示了如何非本地机制仍然产生集群，但没有优先浓度，在限制沿惯性粒子轨迹测量的流体速度梯度张量的时间尺度接近零（如白噪声流或强重力下的湍流沉降粒子）。最后，我们使用的数据从一个直接的数值模拟的惯性粒子悬浮在Navier-Stokes湍流验证本研究中提出的参数。
2015-01-15 physics.flu-dyn
Role of boundary conditions and wall orientation on the transport of settling inertial particles in wall-bounded flows
Duke University（杜克大学）；University of Notre Dame（圣母大学）
本文通过直接数值模拟研究了边界条件和壁面取向对垂直通道中颗粒输运的影响，发现沉降效应在小$Sv$时可忽略，但当$Sv\geq O(1)$时变得显著。
2025-12-02 physics.flu-dyn
A Reduced Basis LES turbulence model based upon Kolmogorov's equilibrium turbulence theory
基于Kolmogorov湍流理论提出一种后验误差指示器，用于降阶基LES模型，通过比较全阶与降阶解的能谱来判断误差，数值测试表明可显著加速计算。
2023-05-08 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Undisturbed velocity recovery with transient and weak inertia effects in volume-filtered simulations of particle-laden flows
本文提出一种新模型，用于估算含颗粒流体模拟中颗粒自诱导流动扰动，通过线性化体积过滤方程并考虑瞬态发展与有限 Reynolds 数惯性效应，实现了高精度的未扰动速度恢复。
2024-05-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Quantum-classical solvation hydrodynamics: a Hamiltonian modeling framework
Nanyang Technological University（南洋理工大学）；University of Surrey（萨里大学）
本文提出了一种混合量子-经典的流体力学框架，用于建模量子溶质与经典极性溶剂非绝热演化的短时间惯性效应，通过哈密顿方法保持量子退相干并减少计算复杂度。
2026-10-06 physics.chem-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
