Revisiting Crossflow-Based Stabilization in Channel Flows
本文研究了基于横流的稳定化方法在通道流中的有效性，发现所谓的“理想”横流强度实际上会导致强烈的非模态能量放大，且抑制该增长需要极强且不可行的横流，表明该方法在内部流中可能并不实用。
2024-04-23 physics.flu-dyn
Revisiting Reynolds and Nusselt numbers in turbulent thermal convection
在本文中，我们扩展了Grossmann和Lohse的（GL）模型[Phys. Rev. Lett. { \bf 86}，3316（2001）]，用于预测湍流Rayleigh-Bénard对流（RBC）中的雷诺数（Re）和努塞尔数（Nu）。为了实现这一目标，我们使用功能形式的前因子的散逸率在散装和边界层。函数形式的出现是由于抑制的非线性相互作用中存在的墙壁和浮力相比，自由湍流，随着偏离的粘性边界层剖面从普朗特-Blasius理论。我们执行60数值运行在一个三维单位盒的范围内的瑞利数（Ra）和普朗特数（Pr），并确定上述功能的形式，使用机器学习。与GL模型相比，修正后的预测与过去的数值和实验结果更好地吻合，特别是对于极端普朗特数。
2020-12-21 physics.flu-dyn
Modeling of Coupled Turbulent Channel Porous Media Flow through a Deep Autoencoder Echo State Network Framework
本文提出卷积深度自编码器回声状态网络（CDAE-ESN）模型，用于耦合湍流通道-多孔介质流动的动力学建模与低阶统计预测，并通过多孔隙率数据集微调验证了其有效性。
2023-12-01 physics.flu-dyn
Revisiting the quest for a universal log-law and the role of pressure gradient in "canonical" wall-bounded turbulent flows
随着新的和更可靠的实验数据的出现，由零压力梯度湍流边界层（缩写为ZPG TBL）、湍流管流和槽道/管道流组成的所谓“规范”壁界湍流的三位一体一直受到人们的密切关注。然而，关于平均速度剖面的对数部分，特别是卡门常数$κ$，对于这三种典型流动是相同的还是依赖于流动的争论仍在进行中。在本文中，扩展了Monkewitz和Nagib（第24届ICTAM会议，Montreal，2016），在对数律和中心线/自由流速度表达式中相等的$κ$的渐近匹配要求被重申，并被证明排除了三种正则流中的单一普适对数律，或至少使其非常不可能。目前对ZPG TBL、普林斯顿“超级管道”以及通道和管道中的高质量平均速度剖面的重新分析，导致对管道和通道中两个对数区域的（几乎）所有看似矛盾的数据解释的连贯描述：具有与ZPG TBL，特别是$κ_{\mathrm{wall}} \cong 0.384$中相同参数的通用内部近壁对数区域，但仅从$150$周围延伸到$10^3$壁单元周围，并且随着压力梯度的增加而收缩，随后是具有与相应自由流或中心线速度的对数斜率匹配的流动比$κ$的外部对数区域。在通道和管道的外部对数区域的对数律参数示出单调依赖于压力梯度。
2017-02-16 physics.flu-dyn
Revisiting the mixing length scaling in pressure-gradient turbulent boundary layers via a symmetry approach
Department of Mechanics, School of Mechanics and Engineering Science（力学与工程科学学院力学系）；State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems, Peking University（北京大学湍流复杂系统全国重点实验室）
本文通过扩展结构集合动力学理论并结合双层总剪应力模型，提出对称性分析模型，统一了压力梯度湍流边界层中各层的混合长度标度，揭示了从对数律到半功率律的过渡机制。
2026-04-29 physics.flu-dyn
Dynamic slip wall model for large-eddy simulation
在大涡模拟（LES）中，壁面建模是克服高雷诺数湍流中对近壁面分辨率过高要求的必要手段。大多数现有的壁面模型依赖于关于边界层状态的假设，并且需要可调系数的先验处方。他们还通过在平行于壁的方向上用Neumann边界条件替换壁处的无滑移边界条件来施加预测的壁应力，同时保持壁法线方向上的无蒸腾条件。在本研究中，我们首先激励和分析的罗宾（滑移）边界条件与蒸腾（非零壁法向速度）的背景下，壁建模LES。本文研究了滑移边界条件对槽道湍流和平板湍流边界层大涡模拟中流动一点统计量的影响。结果表明，滑移条件提供了一个框架，以弥补赤字或过剩的平均动量在墙上。此外，由此产生的非零应力在壁面上，澄清了众所周知的问题，壁面应力低估目前的亚网格尺度（SGS）模型。其次，我们讨论了与壁面模型结合使用的滑移条件的要求，并推导出将滑移边界条件与壁面应力联系起来的方程。最后，制定了一个动态的程序的滑移系数，提供了一个动态的滑移墙模型的先验指定的系数。提出的动态壁模型的性能进行了测试，在一系列的LES的湍流通道流，非平衡三维通道流，平板湍流边界层。结果表明，动态壁面模型能够准确地预测一点湍流统计的各种流动配置，雷诺数，和网格分辨率。
2018-10-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Passivity-Based Output-Feedback Control of Turbulent Channel Flow
本文介绍了一种鲁棒线性时不变输出闭环控制策略，以减少湍流波动，因此皮肤摩擦阻力，在壁有界的湍流流体流动，但在非线性湍流制度的性能保证。新的策略是有效的，在减少可用能量的供应，以饲料的湍流波动，表示为减少二次存储功能的供应率的约束。控制流动动态的方程中存在的非线性已知是被动的，并且可以被认为是对线性化动态的反馈强迫（Lur 'e分解）。因此，只需要控制线性动态，以使系统接近被动。确定了槽道湍流的十种最能产生能量的空间模式。然后生成基于无源性的控制器来控制这些模式。控制器需要测量流向和展向壁面剪应力，它们通过壁面蒸发来驱动。非线性直接数值模拟表明，这些控制器能够显着降低湍流能量和表面摩擦阻力的流动。
2016-02-23 math.OC physics.flu-dyn
Revisiting the SABRA Model: Statics and Dynamics
根据Frisch { \it et al.} [Phys. Rev. Lett. { \bf 108}，074501（2012）]，并系统地检查平衡态和级联（湍流）解之间的相互作用，其特征在于通过等时和随时间变化的结构函数的单个参数$b$。我们计算的静态和动态指数的均分以及湍流制度，这是与早期的研究一致。我们的研究结果表明，没有一个急剧的转变，从均分到湍流状态。事实上，我们发现，SABRA模型模拟真正的二维湍流仅渐近为$b\to-2$。
2017-12-23 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Revisiting "bursts" in wall-bounded turbulent flows
已知湍流信号表现出类似于突发的活动，其影响在流动的大尺度和小尺度上的湍流统计。在我们的研究中，我们从基于事件的框架的角度来研究这个问题，在这个框架中，突发事件的大小和持续时间都是跨多个尺度进行研究的。为了说明我们的方法和评估雷诺数的任何依赖性，我们使用两个数据集-从墨尔本风洞和SLTEST -一个大气表面层实验。我们发现，一个指数，即突发性指数，可以成功地用来描述湍流爆发的多尺度性质，同时占小尺度的不稳定性的影响。通过这个指数，我们表明，无论雷诺数，存在大幅度波动的瞬时速度方差和动量通量信号的相干结构的流动。关于小尺度湍流，雷诺数的依赖性，而研究的二阶流向速度增量的突发性功能的尺度演变。具体到风洞数据集，流向速度增量信号的突发性指数显示出强烈的高度依赖性，并随着尺度的增加而减小，在与耗散结构相当的尺度上获得最大值。然而，这些特征在大气流动中几乎不存在。总之，这项研究铺平了一种新的方式来评估在任何特定尺度的流动的湍流统计上的突发的影响。
2023-01-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Turbulent flows over porous and rough substrates
通过直接数值模拟系统探究了多孔基底上湍流对基底参数的依赖关系，发现渗透率对上层流动性质的影响显著大于颗粒尺寸和微尺度拓扑，并提出了等效渗透率和状态图以统一描述不同深度基底下的湍流过渡行为。
2024-12-17 physics.flu-dyn
Physiologic Blood Flow is Turbulent: Revisiting the Principles of Vascular Hemodynamics
当代的血管血液动力学范式认为正常的血流是脉动的层流。过渡到湍流会导致动脉粥样硬化或脑动脉瘤等疾病。最近，我们证明了湍流的存在，在脑动脉瘤的实验模型，在动脉瘤囊以及在主动脉。因此，我们很想探索这种长期存在的血流分层假设是否可以受到挑战。我们利用混沌理论、流体力学稳定性理论和湍流物理学的方法和工具来探讨正常血管血流中湍流的存在。我们使用Womersley精确解的纳维-斯托克斯方程与HaeMed数据库的生理血流测量，提供可重复的证据，我们的研究结果，以及从多普勒超声测量健康志愿者的证据。我们用来研究血液湍流特性的工具是在混沌理论、流体动力学稳定性和湍流动力学领域建立的。我们表明，显然，血液流动本质上是混乱和湍流，而不是层流。我们提出了一个范式转变的血管血液动力学理论，需要重新思考的血液动力学生物联系的生理和病理过程。
2020-02-14 physics.bio-ph physics.flu-dyn physics.med-ph
Ultimate heat transfer in `wall-bounded' convective turbulence
直接数值模拟已经进行了湍流热对流之间的水平无滑移，可渗透的墙壁与距离$H$和恒定的温度差$ΔT$在瑞利数$Ra=3\times10^{3}-10^{10}$。在无滑动壁面$z=0$、$H$上，假定壁面法向（垂直）蒸发速度与局部压力波动成比例，即$w=-βp'/ρ, +βp'/ρ$（Jiménez等人，流体力学杂志，第442卷，2001年，第442页。89-117），并且可渗透壁的性质由用浮力引起的终端速度$U={(gαΔTH)}^{1/2}$归一化的渗透率参数$βU$给出，其中$ρ$、$g$和$α$分别是质量密度、重力加速度和体积热膨胀率。通过壁的零净质量通量被瞬间确保，并且热对流仅由浮力驱动，而没有任何额外的能量输入。在固定$βU=3$和固定普朗特数$Pr=1$的两个$Ra$区之间发现了对流湍流传热的临界转变。在次临界状态下，$Ra$较低时，努塞尔数$Nu$与$Ra$成比例，与$Nu\sim Ra^{1/3}$成比例，正如在湍流瑞利-贝纳德对流中通常观察到的那样。另一方面，在较高$Ra$的超临界状态下，实现了最终的缩放$Nu\sim Ra^{1/2}$，这意味着壁到壁的热通量与$UΔT$缩放，而与热扩散率无关，尽管壁上的热传递主要由热传导主导。提出了实现极限传热的物理机制。
2020-04-19 physics.flu-dyn
Hampering Görtler vortices via optimal control in the framework of nonlinear boundary region equations
高雷诺数边界层流动中流向涡的控制通常旨在减少涡能量，作为减轻二次不稳定性增长的手段，二次不稳定性最终延迟从层流到湍流的转变。在本文中，我们的目的是利用这样的能量减少策略，使用最优控制理论，以限制Görtler涡的增长发展在不可压缩的层流边界层流动的凹壁，并激发了一排粗糙元素与展向分离在同一数量级的边界层厚度。与控制理论的形式化方法相一致，利用拉格朗日乘子法将约束优化问题转化为无约束优化问题。利用高雷诺数渐近框架，其中的纳维-斯托克斯方程减少到边界区域方程（BRE），其中壁变形进入的问题，通过适当的普朗特变换。在最优控制策略中，壁面位移或壁面发汗速度作为控制变量，而代价泛函则以壁面剪应力定义。我们的数值结果表明，除其他事项外，最优控制算法是非常有效的，在减少Görtler涡的振幅，特别是基于壁面位移的控制。
2018-02-19 physics.flu-dyn
Thermodynamic inadmissibility of the incompressible hydrodynamics description of turbulent stratified fluid flows at low Mach numbers
不可压缩的纳维-斯托克斯方程是目前描述低马赫数下分层湍流流动的主要模型。然而，不可压缩假设的有效性迄今为止仅严格地建立在绝热运动上。在这里，我们从第一原理表明，将可用的能量学和热力学考虑应用于与分层剪切流不稳定性有关的湍流混合事件，这一结果反驳了当非绝热不可逆效应很重要时不可压缩假设也是有效的这一普遍观点。主要结果是动力学和热力学在分层湍流中是强耦合的。这与目前公认的观点大相径庭，需要对低马赫数时控制分层紊流的物理过程进行全面的重新研究。
2007-11-19 physics.ao-ph physics.flu-dyn
The ultimate state of turbulent permeable-channel flow
本研究通过直接数值模拟发现，可渗透通道流在雷诺数超过10^4时进入终极状态，摩擦系数和斯坦顿数均趋于常数，其机制是开尔文-亥姆霍兹不稳定性产生的大尺度展向涡旋，实现了不依赖热扩散率的终极传热。
2021-10-20 physics.flu-dyn
Revisiting the framework for intermittency in Lagrangian stochastic models for turbulent flows: a way to an original and versatile numerical approach
湍流中的不稳定性的表征有其根源的K62理论，如果没有适当的定义是在文献中找到的，不稳定性的统计特性进行了研究，并开发了模型，试图重现it. First贡献这项工作是提出一个要求列表中的拉格朗日框架内设计的模型来满足。多重分形随机过程是恢复耗散的多重分形性质的自然选择。其中，在\cite{Mandelbrot1968}的基础上，我们研究了高斯乘性混沌的形式，它要求构造一个对数相关的随机过程$X_t$。Hurst参数$H = 0$的分数高斯噪声导致了过程对数的对数相关性，这引起了人们极大的兴趣。受分数布朗运动用相关Ornstein-Uhlenbeck过程的无限加权和近似的启发，我们的第二个贡献是提出了一个新的随机模型：$X_t = \int_0^\infty Y_t^x k(x) d x$，其中$Y_t^x$是具有均值回复速度的Ornstein-Uhlenbeck过程$x$，$k$是核。需要对$k(x)$进行正则化以确保平稳性、有限方差和对数自相关。各种正则化是可以想象的，我们表明，他们导致上述多重分形models.To模拟的过程中，我们最终设计了一种新的方法，依靠有限数量的模式近似积分通过正交$X_t^N = \sum_{i=1}^N ω_i Y_t^{x_i}$，使用传统的正交方法。这种方法可以检索预期的行为，每十年只有一个模式，使这种策略的通用性和计算模拟这样的过程中的吸引力，同…
2021-03-24 math.PR physics.class-ph physics.flu-dyn
Revisiting a drag partition model for canopy-like roughness elements
本研究重新审视Raupach 1992年提出的R92粗糙元阻力分配模型，指出其仅适用于低粗糙元密度场景，提出随机平均升尺度新方法并验证其合理性，同时证实R92在适配粗糙元类型与配置参数后可用于大尺度模型。
2024-04-11 physics.flu-dyn
On the use of applying Lie-group symmetry analysis to turbulent channel flow with streamwise rotation
Oberlack等人（2006年）的研究包括两个主要部分：对具有流向旋转的湍流平面槽道流进行直接数值模拟（DNS），以及对两点相关方程（TPC）进行前面的李群对称性分析，以分析预测不同旋转速率下平均速度剖面的标度。我们将只对后一部分进行评论，因为Recktenwald等人（2009）已经对前一部分中获得的DNS结果进行了评论，指出观察到的DNS与他们进行的实验之间的不匹配可能是由于在展向方向上太小的计算域上规定了周期性边界条件。通过重新审视Oberlack等人（2006）中的群分析部分，我们将产生比所提出的更好地描述平均速度分布的更自然的标度律。然而，由于湍流的统计封闭问题，这种改善是虚幻的。正如我们将要证明的那样，任何平均速度剖面的任意不变标度律都可以与速度相关中的任何高阶相一致。即使我们正式考虑所有多点相关方程的无限统计层次，不变标度中的任意性问题仍然存在。仅仅使用李群对称性分析的方法是无法回避湍流的封闭性问题的：因为统计方程是不封闭的，所以它们的对称性也是不封闭的！因此，关于湍流如何缩放的先验预测因此是不可能的。只有在后验的情况下，通过对数值或实验数据的预测，才能通过迭代试错过程产生足够的不变标度律。最后，除了这个问题，还将指出Oberlack等人（2006）中发现的几个不一致和不正确的陈述。
2016-09-26 physics.flu-dyn
A Temporal Slow Growth Formulation for Direct Numerical Simulation of Compressible Wall--Bounded Flows
发展和论证了一种新的壁面湍流DNS的慢增长公式，使慢增长模型概念能够扩展到复杂的边界层流动。在以前的缓慢增长的方法，制定假设湍流的快速尺度和统计，如平均流量的缓慢演变之间的尺度分离。这种分离使发展的方法，湍流的快速尺度直接模拟，而由缓慢的演变提供的强迫建模。由此产生的模型承认周期性边界条件的流向，这避免了需要非常长的域和复杂的流入条件，通常伴随着空间发展的模拟。此外，它使得能够使用有效的傅立叶数值。与以前的方法不同，本方法是基于一个时间上不断演变的边界层，并专门定制的RANS湍流模型的校准和验证的结果。时间均匀化的使用简化了建模，使得能够直接扩展到具有复杂特征的流动，包括冷壁和吹壁。为了生成对RANS模型的校准和验证有用的数据，特别注意确保平均缓慢生长强迫在标准RANS模型中出现的平均值和其他量方面是封闭的，确保典型RANS封闭和缓慢生长问题所需的额外封闭之间没有混淆。该方法的性能证明了两个问题：一个基本上不可压缩的，零压力梯度的边界层和跨音速边界层的冷却壁与壁面发汗。
2017-04-14 physics.flu-dyn
Revisiting the Slip Boundary Condition: Surface Roughness as a Hidden Tuning Parameter
本文研究了表面粗糙度对带滑移边界条件的不可压缩流体绕柱流动模拟的影响，发现数值表面粗糙度、网格扭曲和细化水平可作为隐藏调节参数显著改变阻力和升力，从而对滑移边界条件在湍流壁面建模中的预测能力提出质疑。
2025-11-04 cs.NA math.NA 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
Is the log-law a first principle result from Lie-group invariance analysis?
湍流理论中李群的不变性方法被认为是产生统计标度律的第一原理方法。这一评论的目的是表明，这一期望迄今尚未实现。特别是对于有壁面的湍流，从我们将在这里提出的事实来看，成功的前景是不乐观的。虽然李群的不变性方法能够产生壁界湍流的统计标度律，例如对数律，但这些不变结果不仅不能满足第一原理结果的基本要求，而且具有很强的误导性。原因不是对数律本身的函数结构是误导的，而是它的基于不变李群的推导产生了这个函数是误导的。通过回顾Oberlack（2001）的研究，我们将证明所有李群生成的标度律都不能作为第一原理解。相反，一个严格的推导揭示了完整的任意性，而不是唯一性不变的湍流标度律的建设。这里需要注意的是，Oberlack（2001）中获得的关键结果是基于几个技术错误，所有这些错误都将被揭示，讨论和纠正。我们之所以把重点放在Oberlack（2001）上，是因为它仍然是李群方法应用于湍流理论的核心研究和中心参考点。因此，有必要对这项研究进行正确的阐述。尽管如此，即使李群方法在其全部范围内得到正确的应用和解释，在湍流理论中，这种方法仍然存在很强的自然局限性，正如最后将要讨论的那样，这些局限性构成了实现重大突破的不可逾越的障碍。
2016-09-08 physics.flu-dyn
Data-driven decomposition of the streamwise turbulence kinetic energy in boundary layers. Part 2. Integrated energy and $A_1$
第一部分考虑了紊流边界层中流向速度能谱的定标。光谱分解分析提供了一种手段，分离出附加和非附加涡流的贡献，并被用来产生三个光谱子组件，其中之一是一个密切的代表性的自相似，附壁湍流引起的光谱签名。由于流向湍流强度$\overline{u^2}$的子分量来自于速度能谱的积分，因此我们在这里集中于前者的标度。壁正常的配置文件和雷诺数趋势的三个人，添加剂的流向湍流强度的子组件进行检查。与评估总流向湍流强度相比，这允许在更深处重新审视湍流强度的缩放。根据所有考虑的雷诺数的普遍趋势，给出了$A_1 = 0.98$的Townsend-Perry常数的一些证据，该常数将描述根据Townsend的附着涡假设的湍流强度的壁面法向对数衰减。它也证明了这个常数可以是一致的，在近壁区域的流向湍流强度的增加的雷诺数。
2019-12-03 physics.flu-dyn
