The laminar generalized Stokes layer and turbulent drag reduction
本文研究了沿流向传播的展向速度波作用于壁面时对平面槽道流动的影响。层流和湍流制度的流向流动进行了研究。当流向流为层流时，它不受波浪诱导的展向流的影响。这种流动是一种薄的、非定常的和流向调制的边界层，可以用第一类艾里函数表示。我们称之为广义Stokes层，因为它在无限波速的极限下退化为经典的振荡Stokes层。当流向流是湍流时，层流广义斯托克斯层解很好地描述了空间平均湍流展向流，只要波的相速度与湍流对流速度充分不同，并且强迫的时间尺度小于近壁湍流结构的寿命。在这些条件下，发现阻力减少与斯托克斯层厚度成比例，这使得层流解决方案有助于分析的湍流。通过比较与强迫条件有关的参数与湍流的空间和时间尺度，给出了波浪诱导的湍流状态的分类。
2010-08-24 physics.flu-dyn
Consistency between the attached-eddy model and the inner-outer interaction model: a study of streamwise wall-shear stress fluctuations in a turbulent channel flow
内外相互作用模型（Marusic，Mathis & Hutchins，Science，vol.329，2010，193-196）和附着涡模型（Townsend，Cambridge University Press，1976）分别是描述多尺度湍流相互作用和高雷诺数壁边界湍流对数区域中含能运动组织的两个基本模型。本文将附加描述与附壁涡模型耦合，描述了附壁涡引起的流向壁面剪切脉动的产生过程。然后，借助于内外相互作用模型，分离了槽道湍流中由附着涡产生的流向壁面切应力脉动。通过对这两个模型的统计数据进行直接比较，可以看出它们是一致的，并且可以相互补充。同时，通过验证强自相似性和扩展自相似性的有效性，进一步证明了附加涡的叠加严格遵循一个可加性过程。此外，我们提出了一个高斯模型来表征瞬时分布的流向壁面切应力，从附着涡叠加。这些研究结果对发展先进的壁面降阶模型具有重要意义。
2022-05-16 physics.flu-dyn
Defining the mean turbulent boundary layer thickness based on streamwise velocity skewness
提出以边界层外侧流向速度偏度由负转正的位置定义平均湍流边界层厚度，并给出线性插值与广义 Fourier 拟合两种估算方法。
2025-09-22 physics.flu-dyn
Turbulent boundary layers over streamwise-preferential porous materials
最近的数值模拟表明，流向优先各向异性多孔材料有可能减少表面摩擦湍流通过一个类似的机制，沟槽。本文报道了粒子图像测速（PIV）测量的湍流边界层在$Re_τ\approx 360$在3D打印的多孔基板表现出这样的流向优先渗透性。多孔材料具有归一化的流向渗透率$\sqrt{K_{xx}^+}\approx 3.0$以及壁法向和展向渗透率$\sqrt{K_{yy}^+} = \sqrt{K_{zz}^+} \approx 1.1$。这种材料被嵌入水槽设施中平板边界层下游一半的切口中。沿多孔基底在几个位置进行的测量提供了对边界层发展的深入了解。对于充分发展的条件下，平均配置文件显示存在的对数区域的多孔材料与那些发现在光滑的墙壁上的常数相似。一种技术，估计在单像素分辨率的颗粒图像的平均配置文件表明在多孔基板的界面滑移速度的$U_s^+ \approx \sqrt{K_{xx}^+}$的存在。摩擦速度估计从外层拟合的平均配置文件表明，在多孔基板上的阻力边际增加。PIV测量结果表明，在近壁区域的流向速度波动的强度下降，并在壁面法线速度波动的强度增加。这些观察结果与模拟结果一致，模拟结果表明，含$\sqrt{K_{yy}^+} > 0.4$的材料容易出现类似于Kelvin-Helmholtz涡的展向滚柱，从而降低减阻性能。速度谱表明，这种结构出现在实验中。
2020-05-30 physics.flu-dyn
Analytical Kink-Type Solutions and Streak Formation in Turbulent Channel Flow
Ultra Quantum Inc.（超量子公司）
本文基于Alexeev流体动力学方程发展了湍流通道流的分析框架，研究了流体速度分量的耦合行为，提出了一种能解释通道和管道流中广泛雷诺数范围内速度剖面的解析方法，揭示了弯折型解与条纹形成的关系。
2026-04-05 physics.flu-dyn
Attached flow structure and streamwise energy spectra in a turbulent boundary layer
基于（i）具有大视场和良好空间分辨率的湍流边界层的粒子图像速度测量数据和（ii）能谱与具体模拟的流动结构之间的数学关系，我们表明，在直接受壁面影响的波数范围内，流向能谱$E_{11}(k_{x})$的标度是由附壁涡决定的，但不是由汤森给出的。Perry附上了涡模型对这些谱的预测，至少在这里考虑的雷诺数$Re_τ$介于$10^{3}$和$10^{4}$之间。相反，我们发现$E_{11}(k_{x}) \sim k_{x}^{-1-p}$，其中$p$随着到壁的距离从缓冲层中的负值到惯性层中的正值平滑地变化。指数$p$表征附壁条纹结构内部的湍流水平，条件是这些结构的长度。
2017-11-14 physics.flu-dyn
A streamwise-constant model of turbulent pipe flow
本文提出了一个流向常数模型来研究管流过渡过程中平均流量变化的基本机理。使用一个单一的强迫动量平衡方程，我们表明，速度分布的形状是强大的强迫配置文件的变化，需要捕捉的平均流量的变化与过渡到湍流的线性非正常和非线性效应。该模型的形式特别简单，可以直接通过检查方程来研究动量传递。由我们的模型产生的管道的横截面上的高速和低速条纹的分布是非常相似的，在附近的喷烟结构的后缘在管流过渡的速度场中观察到的。在随机强迫下，该模型表现出准周期性的自我维持的周期，其特征在于由创建和随后的衰减的“流向恒定的泡芙”，所谓的，由于其速度场的时间演化和投影的速度场与三维泡芙在一个参考系中的整体速度移动之间的良好协议。我们建立的流动动力学是相对不敏感的再生机制调用产生近壁流向涡，并使用小的，非结构化的背景扰动再生的流向涡是足以捕捉的形成的高速和低速条纹和他们的隔离导致钝化的速度分布特性的湍流管流。
2011-01-12 physics.flu-dyn
Log-linear law of the mean streamwise velocity in turbulent boundary layers with moderate adverse pressure gradients
AML, Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University（清华大学工程力学系）
本研究推导了适用于中等逆压梯湍流边界层的对数-线性定律，通过实验数据验证其有效性，并在极限情况下恢复经典对数定律。
2026-01-26 physics.flu-dyn
Scale interactions in turbulent plane Couette flows in minimal domains
近几年来，人们对壁湍流的尺度间能量传递进行了深入的研究，发现了湍流能量的正向传递（即从大尺度到小尺度）和反向传递，但其相应的物理现象尚未得到揭示。在本研究中，我们进行DNS的湍流平面Couette流与减小尺寸的计算域，其中无论是流向或展向域的大小减少到其最小长度，旨在阐明在每个方向上的规模相互作用的作用。我们的计算结果与流向最小域表明，流向细长条纹和小于流向最小长度的涡之间的相互作用是必要的尺度相互作用的内部和外部结构。我们进一步表明，这些流向独立的和较小的尺度结构交换能量通过正向和反向的尺度间能量转移，和反向的能量转移保持在较大的尺度上的能量生产。基于观测到的涡应力输运与自维持循环的相似性，我们推测正向和反向能量输运分别主要代表条纹不稳定性和流向涡的再生。此外，与展向最小域的计算表明，一维展向谱分析所观察到的尺度间能量转移可能与每个内部和外部结构的单独动力学，而不是代表它们的相互作用。
2021-02-10 physics.flu-dyn
Generalised quasilinear approximations of turbulent channel flow: Part 1. Streamwise nonlinear energy transfer
将广义准线性（GQL）近似（Marston \emph{et al.}，\emph{Phys. Rev. Lett.}，第116卷，104502，2016）应用于$Re_τ\simeq 1700$（$Re_τ$是摩擦雷诺数）的湍流通道流，重点是流向波数空间中的能量传递。流动被分解成低和高流向波数组，其中前者是通过考虑完整的非线性方程求解，而后者是从线性方程周围的前者。随后将GQL近似的性能与QL模型的性能进行比较（Thomas \emph{et al.}，\emph{Phys. Fluids.}，第26卷，第10期，105112，2014），其中低波数组仅包含零流向波数。结果发现，QL模型表现出显着减少多尺度行为在给定的适度高雷诺数。这是显着改善的GQL近似，它只纳入了几个流向傅立叶模式到低波数组，它合理地恢复了湍流统计和频谱中的距离从壁缩放。最后，它提出的能量转移从低到高波数组的GQL近似，被称为“散射”机制，取决于中性稳定的领先的李雅普诺夫谱的线性方程组的高波数组。特别是，它示出，如果区分这两个组的阈值波数是足够高的，散射机制可以完全不存在由于高波数组的方程的线性性质。
2021-08-27 physics.flu-dyn
Law-of-the-wall for streamwise energy spectra in high-Reynolds-number turbulent boundary layers
提出了近壁区流向能谱高频区的标度关系。这是基于\cite{perry1977}和\cite{Zamalloa2014}的量纲分析方法，以及近壁区的小尺度波动应仅取决于粘性尺度的假设，类似于平均流的普朗特壁定律。这使我们能够检查的下限为高频率制度的墙壁定律的频谱将举行。高雷诺数湍流边界层数据的观测表明，在壁面法向位置和雷诺数范围内，该高频区开始的保守估计值为$f^+$ = 0.005（对应于200个粘性时间单位）。这足以捕获能量粘性尺度的运动，例如近壁条纹，其具有大约100个粘性单位的时间尺度。这种标度关系和谱塌陷与较低雷诺数\cite{Zamalloa2014}下的内流观测结果一致。
2018-05-21 physics.flu-dyn
Interaction of two high Reynolds number axisymmetric turbulent wakes
湍流轴对称尾流之间的相互作用在许多工业应用中起着重要的作用，特别是在风力发电场的建模中。虽然轴对称板尾流中存在的非平衡高雷诺数标度已被证明可以修改单个尾流的平均流向标度，但很少有人注意它们在尾流相互作用方面的后果。我们提出了一个实验装置，测试非平衡湍流的存在下，使用两个钝体之间的速度波动的流向变化面临的层流。我们在风洞中用热线风速仪研究了两组不同的平板（一组具有规则的周边，另一组具有不规则的周边）。通过获得不同板分离的流向剖面，并确定每个分离的尾流相互作用长度，可以表明它们之间的相互作用与非平衡标度是一致的。这项工作也概括了以前的研究有关的相互作用的平面尾流，包括轴对称尾流。我们发现，一个简单的数学表达式的尾迹相互作用长度的基础上非平衡湍流缩放可以用来崩溃的流向发展的第二，第三和第四时刻的流向波动速度。
2021-03-26 physics.flu-dyn
An experimental study on turbulent-stripe structure in transitional channel flow
采用反射片状颗粒流动显示技术，对过渡雷诺数下槽道湍流中出现的湍流条纹进行了实验研究。在雷诺数Re = 1700-2000范围内，湍流条纹与流向成20-30 °夹角，其流向波长约为通道半宽（$δ$）的60倍。在准层流区发现了展向间距为1.6 $δ$的纵向条纹。临界雷诺数为Re = 1300。用激光多普勒测速仪测量了流向速度的时间轨迹，揭示了过渡管流中平衡湍流喷流的相似性。
2014-09-17 physics.flu-dyn
Streamwise-traveling waves of spanwise wall velocity for turbulent drag reduction
本文用直接数值模拟方法研究了槽道湍流中展向速度波在壁面上的传播。我们考虑展向速度的正弦波，它随时间变化，并沿流向方向在空间上被调制。相速度可以是零、正或负，使得波可以是静止的，或者在平均流的方向上向前或向后行进。这种强迫包括两种已知的减小摩擦阻力的技术：振荡壁技术（具有无限相速度的行波）和最近提出的展向速度的稳定分布（具有零相速度的波）。行波显著地改变了摩擦阻力。缓慢向前行进的波产生大的阻力减小，这可以在低雷诺数值下使流动再层化。更快的波产生完全不同的结果，即阻力增加。即使是更快的波浪也会再次产生减阻效果。相反，反向行波导致在任何速度下的阻力减小。当行波减小阻力时，其以与振荡壁类似的方式操作，具有改进的能量效率。当波以与对流近壁湍流结构相当的速度行进时，观察到阻力增加。一个图表说明了不同的流动行为。
2009-01-08 physics.flu-dyn
Turbulent characteristics within roughness sublayer over spanwise homogeneous transversal bars
近年来，人们对植被冠层、建筑物、沙丘等剪切层内的湍流特性进行了研究。Kevin-Helmholtz不稳定性引发的发夹涡脱落被广泛认为是混合层类比的“标志”。然而，复杂的粗糙度类型复杂的湍流演变过程的观测实践。为了简化这一过程，本文采用展向均匀粗糙度来捕捉不同粗糙元间距下的流向流场变化。流线型连续物距$λ_x$用于表示粗糙元距离。从第一种情况到第四种情况，观察到了从湍流槽道流到冠层流的过渡趋势。然而，当$λ_x/h<1.0$时，随着连续距离的减小，从情况4到情况6，有证据表明湍流正在从冠层流转移到通道流。瞬态结果证实了湍流混合的增强和湍流相干性的降低。附着涡流假说（AEH）在$λ_x/h<1.0$病例中成立。同时，数值模拟结果表明，当$λ_x$在$λ_x/h<1.0$之后继续减小时，糙率剪切“曲线”的有效性会降低。在单元上一个采样点上三个波动变量的概率密度函数（PDF）在上部区域呈现间距效应减小的“递增-递减”趋势，其中在情形2和情形3中出现最大效应。旋转结构显示还显示了不同流向连续物距下粗糙层湍流结构的变化过程。最后，瞬态结果表明壁面法向动量通量输运和湍流旋流结构与单元间距相关。
2020-03-12 physics.flu-dyn
A perturbative model for predicting the high-Reynolds-number behaviour of the streamwise travelling waves technique in turbulent drag reduction
这项工作的背景是减少气动湍流摩擦阻力的问题，这是无数技术领域中能量浪费的重要来源。我们开发了一个理论框架，旨在预测现有的减阻技术的行为时，在大值Re这是典型的应用程序。我们专注于一个最近提出的和非常有前途的技术，其中包括在壁面创造顺流向行波的展向速度。本文对控制流体运动的纳维-斯托克斯方程进行了摄动分析，并对最简单的壁面边界流动，即平面槽道流动进行了分析。行波诱导的展向时变基流扰动了流向基流。然后进行渐近展开相对于行波的速度振幅。分析虽然基于几个假设，但得出的减阻预测与文献中的测量结果吻合良好，并且大多数是通过完整的纳维-斯托克斯方程的DNS计算的。新的DNS数据产生的目的，在这项工作中，以进一步验证我们的方法。然后，该方法被应用到预测的阻力减少性能的流线型行波在增加Re，比较数据是不可用的。目前的信念，基于约一个十年的Re范围仅高于过渡值，即在低Re下获得的减阻被认为是减少Re的增加是完全证实了我们的结果。然而，从定量的角度来看，我们基于Re几十年增长的前景比其他现有的估计要乐观得多，并激励对本主题进行进一步，更准确的研究。
2013-01-22 physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of turbulent open channel flow: Streamwise turbulence intensity scaling and its relation to large-scale coherent motions
本文通过直接数值模拟对比明渠流与封闭渠道流，发现明渠流中流向湍流强度在较高雷诺数下以整体速度标度，并揭示其与更强超大尺度运动的关系及对计算域的要求。
2023-10-27 physics.flu-dyn
Extreme-scale motions in turbulent plane Couette flows
本文研究了中等雷诺数下（$Re_τ$ = 500）平面Couette湍流中大尺度运动的大小。直接数值模拟区域与$100πδ\times2δ\times5πδ$一样大，其中$δ$是壁之间距离的一半。结果表明，有结构的流向范围，如测量的波长，只要78 $δ$和至少310 $δ$在$Re_τ$ = 220和500，分别。在所有三个速度分量和雷诺应力的频谱中，这些非常长的结构的存在是明显的。在使用较小域的DNS中，大型结构受到约束，消除了较大域中存在的流向变化。在外流的平均速度和流向速度方差中也存在较小区域的影响。
2018-01-29 physics.flu-dyn
On the streamwise velocity variance in the near-wall region of turbulent flows
本文基于高雷诺数管道流DNS数据，发现近壁区流向速度方差遵循带指数修正的缺陷幂律，揭示超大尺度结构贡献随雷诺数缓慢衰减，并给出无限雷诺数极限下的峰值与耗散率预测。
2024-07-19 physics.flu-dyn
Streak instability in turbulent channel flow: the seeding mechanism of large-scale motions
经常有人提出，大尺度运动（或隆起）的形成是连续合并和/或近壁发夹涡生长的结果。在本研究中，我们报告我们的直接观察，大规模的运动产生的不稳定性的“放大”条纹运动在外部区域（即非常大规模的运动）。我们设计了湍流槽道流中的数值实验，直到$Re_τ\simeq 2000$，其中由根据先前的线性理论计算的外部区域中的体强迫人工驱动流向均匀的条纹运动（Hwang \& Cossu，J. Fluid Mech.，第664卷，2015年，pp. 51- 73）。随着强迫振幅的增加，发现在流向波长为$λ_x/h\simeq 1-5$（$h$是通道的半高）处出现了一个充满能量的流向涡结构。动态模式分解的应用和湍流统计的检查表明，这种结构是一个后果的曲折模式不稳定的条纹，一个子过程的大规模外部结构的自我维持机制。同时还发现，涡结构的统计特征与外围区域大尺度运动的统计特征非常相似。最后，提出条纹不稳定性的最大流向长度决定了超大尺度运动的流向长度尺度。
2017-09-20 physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction with streamwise travelling waves in the compressible regime
本研究通过直接数值模拟对比不同可压缩槽道流的行波减阻效果，发现可压缩性对减阻的提升程度受对比流程影响，采用动能约束为固定比例转热能的对比方法更合理，此时可压缩性对减阻提升微弱。
2023-12-15 physics.flu-dyn
Ultra-High Reynolds Number Is Not Necessary for Comprehensive Log Scaling in a Turbulent Boundary Layer
实验中的异常湍流边界层称为汇流，表现出完美的流向不变性，显示了很大程度的对数缩放的时刻流向速度高达12阶，即使在中等雷诺数。这与典型的定压湍流边界层形成了鲜明的对比，后者仅在超高雷诺数时才显示出如此全面的对数标度。这表明，超高雷诺数是不必要的综合日志缩放发生;虽然汇流的具体细节是特殊的，一般的湍流边界层的相关性是，汇流强调的重要性，需要满足在一般的流量，以获得日志缩放的流向不变条件。实际上，一个简单的启发式理论表明，对于惯性子层中的对数缩放，沿平均流线的无量纲平均速度和高阶矩的不变性是一个充分必要条件。超高雷诺数似乎主要使这些日志缩放通用。
2015-11-10 physics.flu-dyn
Turbulent duct flow with polymers
本文采用FENE-P模型对聚合物溶液在方管内的湍流流动进行了直接数值模拟。首先，在一个固定的中等雷诺数进行模拟和牛顿流体的结果进行比较，以了解减阻的机制和二次运动，典型的非轴对称管道中的湍流，是受聚合物添加剂。我们的研究表明，普朗特的二次流被修改的聚合物：流向主涡的环量增加，最大涡量的位置向管道的中心移动。由于准流向涡流和相关的近壁低速和高速条纹的实质性改变，面内波动减少，而流向波动在管道中心增强，并在拐角处倾倒;这些尺寸增大并离开墙壁，它们的流向相干性增加。最后，我们研究了定义流动的粘弹性行为的参数的影响，发现Weissenberg数强烈地影响流动，随着横流涡结构的尺寸增大，面内速度波动减小，以增加流动弹性。
2018-10-15 physics.flu-dyn
Linear and nonlinear Granger causality analysis of turbulent duct flows
本文利用POD和线性/非线性格兰杰因果分析研究方管和矩形管湍流相干结构，发现线性机制主导同对称性模态间因果、非线性效应主导对称与反对称模态间因果，并揭示二次流脉动是近壁条带运动的主因。
2024-01-11 physics.flu-dyn
Amplification and Nonlinear Mechanisms in Plane Couette Flow
本文研究了平面Couette流动的纳维-斯托克斯方程的流向常数投影的输入输出响应，即所谓的2D/3C模型。数值和实验观测表明了流向和准流向细长结构的普遍性和重要性，从而激发了对流向常数模型的研究。周期性展向/壁法线（z-y）平面流函数被用作输入，以开发一个强制的2D/3C流向速度场，定性类似于DNS数据的完全湍流空间场。与2D/3C非线性耦合的输入输出响应被用来估计能量最佳的展向波长在一定范围内的雷诺数。输入输出分析的结果与线性化纳维-斯托克斯方程的研究结果一致。最佳能量对应于最小的非线性耦合。另一方面，强迫2D/3C流向速度场的性质提供了证据，证明2D/3C模型中的非线性耦合是造成众所周知的特征“S”形湍流速度剖面的原因。这表明，有一个重要的权衡之间的能量放大，这主要是线性的和看似非线性的动量转移机制，产生一个类似的平均轮廓。
2010-11-25 physics.flu-dyn
Streamwise-constant large-scale structures in Couette and Poiseuille flows
考虑了导致层流和湍流中流向恒定大尺度结构的线性放大机制。分析的一个关键特征是，奥尔-索末菲和乡绅运营商分别考虑。从物理上讲，这相当于考虑两个独立的过程：（i）壁面法向速度波动对外部强迫的响应;（ii）流向速度波动对壁面法向速度波动的响应。用这种方法，我们利用了这样一个事实，即对于流向恒定波动，控制壁面法向速度的动力学与平均速度剖面（因此也与平均剪切）无关。分析进行平面Couette流和平面Poiffille流，并为每一个，我们考虑线性放大机制的层流和湍流的平均速度配置文件。分析揭示了两件事。首先，最放大的结构（展向间距约为$4h$，其中$h$是通道的半高）在很大程度上仅用奥尔-索末菲算符编码，从而有助于解释它们的普遍性。第二，与数值和实验观察结果一致，库埃特流在利用壁面法向速度波动产生大规模流向条纹方面明显比Poietille流更有效。
2019-04-24 physics.flu-dyn
Lumley Decomposition of the Turbulent Round Jet Far-field. Part 1 -- Kinematics
目前的工作提出了Lumley分解（LD）的张量公式，它是由Lumley（1967 b）以其原始形式引入的，允许在曲线坐标系中分解湍流场。LD在他的形式示出，使半解析分解的自相似湍流在一般坐标系。分解应用于充分发展的湍流轴对称射流的远场区域，其表示在拉伸球坐标系中，以利用流的自相似性质，同时确保LD积分的自伴性。从LD积分推导出流向方向的最佳特征函数为拉伸振幅衰减傅立叶模（SADFM）。在矢量空间定义中引入一个流向衰减的权函数，从LD积分中得到SADFM。傅立叶模式的波长在流向方向上线性增加，其幅度随着与虚拟原点的距离的-3/2幂而衰减。SADFM重新组合的流向演变逆转了表面波已知的波浪变浅。从这些SADFM获得的能量谱和交叉谱分别显示出-5/3和-7/3斜率区域，正如均匀和恒定剪切流中规则傅立叶模式所预期的那样。在这项工作中引入的方法可以扩展到其他流承认平衡相似性，这样，沿不均匀的流动方向可以进行基于傅立叶分解。
2019-09-04 physics.flu-dyn
Asymmetry of temporal cross-correlations in turbulent shear flows
我们调查的空间和时间之间的交叉相关性流向和正常的速度分量在三个剪切流：低维模型的涡条纹相互作用，直接数值模拟的近均匀剪切流和湍流边界层的实验数据。流向涡对流向条纹的驱动导致了短时关联的时间不对称性。在自由滑动情况下，靠近壁或边界表面，识别这种不对称性。进一步远离边界的不对称性变得较弱，并改变性质，表明其他过程的流行。非对称性测量的系统变化可以用作分离湍流剪切流中不同层的补充指标。不同流向位移处的极值位置可用于读出平均平流速度;由于结构正常延伸的不对称性，平均平流速度不同于平均流向速度。
2005-09-28 nlin.CD physics.flu-dyn
The streamwise turbulence intensity in the intermediate layer of turbulent pipe flow
Perry，Henbest & Chong（1986）的谱模型预测，积分长度尺度随到中间层壁面的距离变化非常缓慢。为了使积分长度尺度的变化更真实，同时保持与Townsend-Perry附加涡谱一致，唯一的方法是在波数小于该谱的情况下向模型添加新的波数范围。这种必要的附加也可以解释中间层中湍流动能的高雷诺数外峰。Hultmark，Vallikivi，Bailey & Smits（2012，2013）给出了该外峰的解析表达式，与极高雷诺数数据一致。Dallas，Vassilicos & Hewitt（2009）的发现是涡流周转时间而不是平均流梯度与中间层中到壁面的距离和表面摩擦速度成比例，这意味着当结合Townsend（1976）的生产-耗散平衡时，平均流梯度在与湍流动能相同的位置处具有外峰。这可以从Hultmark，Vallikivi，Bailey & Smits（2012，2013）的数据中看出。同样的方法还预测，平均流量梯度在距离壁面的距离大于外峰位置处具有对数衰减，上述数据也支持定性预测。
2014-11-27 physics.flu-dyn
Two-dimensional energy spectra in high Reynolds number turbulent boundary layers
本文报道了高雷诺数湍流边界层中流向速度（$u$）的二维谱的测量结果。采用多个热线探针进行了一种新的实验在摩擦雷诺数从2400到26000。泰勒的冻结湍流假设用于将时间展向信息转换成二维空间谱，该二维空间谱显示了在给定壁高（$z$）下流向（$λ_x$）和展向（$λ_y$）长度尺度对流向方差的贡献。在低雷诺数，在恒定的能级的2-D光谱的形状显示$λ_y/z \sim (λ_x/z)^{1/2}$的行为在较大的尺度，这是在现有的文献中，在匹配的雷诺数从直接数值模拟。然而，在高雷诺数，据观察，平方根的关系趋向于一个线性关系（$λ_y \sim λ_x$）所需的自相似性和所附的涡流假设预测。
2017-05-05 physics.flu-dyn
Energy transfer in turbulent channel flows and implications for resolvent modelling
我们分析了两种类型的平面Poiffille流的尺度间能量传递：Park和Graham（2015）的P4 U精确相干态和最小通道中的湍流。对于这两种流动，占主导地位的能量产生模式是流向恒定的条纹，展向间距约为100个壁单元。由于这些尺度的粘性耗散不足以平衡生产，非线性项将多余的能量重新分配到其他尺度。展向常数尺度（即展向波数为零的Tollmien-Schlichting样模式），特别是占非线性项的净能量增益的显着数量。我们比较的能量平衡预测预解式分析，我们表明，它不模拟能量转移。然而，我们发现，从流向恒定条纹的能量转移可以合理地预测Cess涡动粘度分布。因此，涡动粘性是一个有效的模型，在预解式分析的非线性项，并解释了最有力的流向恒定条纹的良好预测。它还提高了预解模式的结构，其流向长度大于其展向宽度的基础上，抵消非正常的预解算子。涡粘性不尊重非线性能量传递的保守性质，其在所有尺度上必须总和为零。因此，对于从非线性项接收能量的标度，它是不太有效的。
2020-04-28 physics.flu-dyn
Coherent structures in the linearized impulse response of turbulent channel flow
本文利用线性化的纳维-斯托克斯方程研究了孤立的时空脉冲引起的速度脉动的演化。在$Re_τ=10000$中，冲量作为不可压缩通道流中的外部体积力引入。速度波动是关于湍流的平均速度轮廓定义的。湍流涡动粘性被添加到方程中，以将平均速度固定为精确解，这也用于模拟背景湍流对大尺度波动的耗散效应。脉冲体积力产生的流场演变成包含长流向速度条纹的相干结构，其两侧是准流向涡;其中一些脉冲产生发夹涡。随着这些涡纹结构的发展，它们的尺寸增长到名义上的自相似几何形状，纵横比（流向与壁面法线）约为$10$，而它们的动能密度单调衰减。涡纹结构的拓扑结构对脉冲的位置不敏感，但取决于脉冲体积力的方向。所有这些涡纹结构都附着在壁面上，当按离壁面的距离缩放时，它们的雷诺应力崩溃，这与汤森的附着涡假设一致。
2018-05-02 physics.flu-dyn
Calculation of the mean velocity profile for strongly turbulent Taylor--Couette flow and arbitrary radius ratios
泰勒-库埃特（TC）流动是两个同轴独立旋转圆柱之间的剪切驱动流动。近年来，高保真模拟和实验揭示了流向和角速度分布的形状，直到非常高的雷诺数。然而，由于曲率效应，到目前为止还没有理论能够正确地描述给定半径比的湍流流向速度分布，因为经典的普朗特-冯卡门对数定律在平坦表面上的湍流边界层最多只适用于有限的空间区域。在这里，我们解决这个不足之处，通过应用莫宁-奥布霍夫曲率长度的想法湍流TC流。这个长度将湍流动能的产生由纯剪切控制的流动区域与湍流动能与流线曲率结合作用的流动区域分开。我们表明，对于所有的雷诺数和半径比，平均流向和角速度的轮廓崩溃根据这种分离。然后，我们推导出速度分布的函数形式。最后，我们将新导出的角速度分布与边界层高度处的恒定角动量分布相匹配，以获得扭矩对雷诺数的依赖性，或者换句话说，对广义Nusselt数的依赖性（即，无量纲角速度传输）对泰勒数的影响。
2020-03-06 physics.flu-dyn
Streamwise inclination angle of wall-attached eddies in turbulent channel flows
我们开发了一种新的方法来评估流向倾斜角（SIAs）的附壁涡填充对数区域与给定的壁正常高度。为了消除来自其他尺度的影响，通过两点相关估计的SIA，在壁附近的目标涡的足迹和相应的流向速度波动进行隔离的同时，通过耦合的频谱随机估计与附着涡假设。直接数值模拟产生的数据集跨越$Re_τ \sim O(10^2)-O(10^3)$进行解剖，研究的数值效果。本研究结果表明，第一次，附加涡的SIA是雷诺数依赖于低和中等雷诺数，并趋于饱和在$45^{\circ}$的雷诺数增加。大量的实验研究表明，平均SIA是由多尺度附加涡贡献的叠加效应的结果。这些发现澄清了长期的争论，完善了附着涡模型的图像。
2022-07-29 physics.app-ph physics.flu-dyn
Relaminarization of turbulent pipe flow induced by streamwise traveling wave wall transpiration and its scaling
本研究探究壁面吹吸流向行波对圆管湍流的再层流化作用，将有效摩擦雷诺数上限提升至720，通过参数模拟明确了上下游行波的减阻与净节能标度规律，为管道减阻节能提供理论依据。
2025-09-03 physics.flu-dyn
Dynamics of propagating turbulent pipe flow structures. Part II: Relaminarization
本文研究了由Karhunen-Lo`eve分解确定的湍流管流向层流逆转变过程中传播结构的动力学行为。湍流数据是通过直接数值模拟生成的，该数值模拟从完全湍流雷诺数Re_τ=150开始，然后缓慢降低直至Re_τ=95。在此低雷诺数下，高频模式首先衰减，只留下衰减的流向涡。流动经历一个chugging现象，在那里它开始重新层化和平均速度增加。其余的传播模式，然后不稳定的流向涡，重建的能量谱，并最终流恢复其湍流状态。我们的结果捕获三个chugging周期之前，流完全relaminarizes。存在于外层的高频模式首先衰减，建立在壁约束湍流的自持机制的外部区域的重要性。
2007-01-23 physics.flu-dyn
Self-sustaining process of minimal attached eddies in turbulent channel flow
最近已经通过数值实验表明，湍流槽道流中的含能运动以汤森附着涡的形式存在，该数值实验仅在规定的展向长度尺度下使用其自持性质来模拟含能运动（Hwang，2015，J. Fluid Mech.，767，p254）。在本研究中，在对数和外部区域中的每个展向长度尺度（即附着涡）的含能量运动的自维持过程的详细调查进行了强调其与“爆发”的相关性，这是指运动的能量时间振荡（Flores & Jiménez，2010，Phys. Fluids，22，071704）。结果表明，对数区和外区的附着涡由条纹和准流向涡结构组成，其自持过程与近壁区非常相似，即条纹通过升力效应被准流向涡显著放大;放大的条纹随后经历“快速的顺流弯曲运动”，使人联想到条纹不稳定性或瞬时生长，这最终导致条纹的破裂和新的准流向涡的再生。两个数值实验，旨在人为地抑制解除效果和条纹蜿蜒运动，分别揭示，这些过程是必要的成分的自我维持过程中的附加涡的对数和外部区域，与以前的几个理论研究。它还表明，在对数和外部区域的附加涡的升力效应的人工抑制导致大量的湍流表面摩擦减少。
2019-07-14 physics.flu-dyn
A model for slip and drag in turbulent flows over superhydrophobic surfaces with surfactant
超疏水表面可以降低湍流中的摩擦阻力。在层流状态下，已经表明痕量的表面活性剂可以抵消这种阻力降低，有时使这些表面不比固体壁好（Peaudecerf等人，Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114（28），7254-9，2017）。然而，表面活性剂对SHS减阻性能的影响尚未在湍流条件下进行研究，根据当今的标准，预测表面活性剂在直接数值模拟中的影响仍然很昂贵。我们提出了一个湍流模型，包括表面活性剂，在通道或边界层配置，在长但有限长度的流向脊是周期性的展向方向，周期$P$和气体分数$φ$。我们采用了一种基于移位对数定律的技术来获得减阻的表达式。平均流向和展向滑移长度是通过在粘性子层内引入局部层流模型而得到的，由此通过修改平均流向和展向滑移长度来模拟表面活性剂的作用。我们的模型同意从文献中获得的实验室实验数据时，条件是干净的（无表面活性剂），或当有低的表面活性剂水平。然而，我们发现一个明显的阻力增加较大的背景表面活性剂浓度的特点，湍流在SHS海洋应用。
2023-02-03 physics.flu-dyn
Experimental assessment of drag reduction by traveling waves in a turbulent pipe flow
我们通过实验评估了Quadrio等人最近引入的用于湍流壁流中的减阻的主动开环技术的能力[J. Fluid Mech.，v.627，161，（2009）]。该技术包括在壁面产生展向速度的流向调制波，沿流向传播。设计了一个原理验证实验来测量管流中湍流摩擦的减少，其中壁被细分为在方位角方向上独立旋转的薄板。虽然在离散设置中，但附近板的不同速度提供了横向速度的所需流向变化。我们的实验证实了可用的DNS结果，特别是证明了在湍流状态下实现摩擦大幅度减少的可能性。对于缓慢向前的行波，可获得高达33%的减阻率;向后的行波总是产生减阻，而对于向前行进的波，其相速度与近壁湍流结构的对流速度相当，则会出现减阻的大幅下降。傅立叶分析表明，由近似于正弦波的离散空间波形引入的第一谐波是导致实验测量中确实观察到的显著效应的原因。与此控制方案的物理实现及其能量效率有关的实际问题进行了简要讨论。
2010-08-16 physics.flu-dyn
Large-scale motions from a direct numerical simulation of a turbulent boundary layer
本文介绍了一个新的湍流边界层直接数值模拟数据库的大尺度运动研究，其数值范围可达Reθ ~ 2500。大尺度流向结构的统计数据已经使用二维和三维提取程序进行了研究。大尺度结构的提取使用一个强大的并行化方法通常适用于其他研究领域，以简化复杂的3D对象。不同的结构参数，如长度，形状或角度进行了研究。检测到的结构的特征进行比较，从两点相关性提取的平均对应物。观察到高达10边界层厚度的结构。这些结构的流向长度遵循-2幂律分布，与较高雷诺数下的实验结果相似。
2018-09-13 physics.flu-dyn
Structure functions and flatness of streamwise velocity in a turbulent channel flow
本文通过多尺度结构函数和平坦度分析湍流通道流向速度，首次系统揭示黏性区、缓冲区的强非高斯性与间歇性，并验证对数区标度行为与经典间歇性理论的关系。
2025-06-05 physics.data-an physics.flu-dyn
Streamwise-localized solutions at the onset of turbulence in pipe flow
虽然控制流体流动的方程是众所周知的，但没有描述湍流运动复杂性的解析表达式。最近的一个命题是，在类比低维混沌系统，湍流是围绕着不稳定的解决方案的控制方程，提供了积木的无序动力学。我们报告的发现周期性的解决方案，就像间歇性湍流空间本地化，并表明湍流产生于这样的解决方案分支。
2013-06-09 physics.flu-dyn
Formation of spanwise vorticy in oblique turbulent bands of transitional plane Couette flow, part 1: Numerical experiments
本文用直接数值模拟（DNS）方法研究了平面Couette流（PCF）斜层流-湍流带速度条纹中展向涡量的形成。展向涡量是由速度条纹的流向壁面正剪切层的卷起型发展产生的。它是由沿带状的大尺度气流平流输送的。我们提出了一个展向涡度的标准，检测这些事件，以进行系统的测量。除了流向和展向相关长度的辊，他们的平流速度进行了测量，并显示匹配的大规模流动沿带附近的湍流区。最后，我们讨论了涡量从层流区附近的带中射出与层流区大小之间的可能关系。
2014-12-08 physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of turbulent channel flow up to $Re_τ\approx 5200$
本文在$Re_τ=5186$下开展不可压缩槽道湍流直接数值模拟，揭示了高雷诺数壁湍流的对数律、尺度分离及谱双峰等特征。
2015-03-23 physics.flu-dyn
DNS of the very large anisotropic scales in a turbulent channel
湍流壁面流外层的大结构具有重要的物理意义，因为它们包含了流向动能和雷诺应力的相当大的一部分。然而，壁湍流的外部区域的组织在历史上受到的关注比内部区域少，因此，它仍然是许多开放的实验和理论问题的主题。为了解决其中的一些问题，我们已经进行了直接的数值模拟的湍流不可压缩流在平面通道在雷诺数185 - 550。本文介绍了一些模拟结果，侧重于统计描述的流向速度的大结构的大小和它的缩放与雷诺数。
2013-09-10 physics.flu-dyn
Statistics and spectral analysis of turbulent duct flows with flexible and rigid polymer solutions
我们提出了一个实验研究的湍流减阻与柔性和刚性聚合物解决方案。柔性聚合物是部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），刚性聚合物是黄原胶（XG）。实验在低减阻（$\%DR < 40$）、高减阻（$\%DR > 40$）和最大减阻（其中速度分布$U^+$大致匹配Virk渐近线）下进行。我们比较了速度剖面，流向和壁面法向雷诺应力和功率谱的流向速度波动测量激光多普勒测速仪（LDA）。我们的研究结果表明，XG和HPAM聚合物对湍流的影响是相似的，前提是雷诺数和$\%DR$也相似。在高水平的$\%DR$，XG和HPAM流的流向速度波动的功率谱密度显示在$-3$附近的幂律衰减，而不是在惯性范围内的$-5/3$。$-3$功率谱的斜率最近被解释为聚合物射流中弹性惯性湍流（EIT）的证据。在相对低的浓度下，我们观察到柔性聚合物溶液在降低阻力方面更有效，而XG仅在非常高的浓度下达到MDR。因此，我们假设，具有较高浓度的聚合物聚集体的形成有助于增加粘弹性，从而增加$\%DR$与XG和其他刚性聚合物溶液的粘弹性。
2022-10-19 physics.flu-dyn
Large-eddy simulation study of the logarithmic law for second and higher-order moments in turbulent wall-bounded flow
湍流边界层中平均速度的对数律长期以来为与壁面湍流的理论、模型和大涡模拟（LES）进行比较提供了有价值的和可靠的参考。最近，对高雷诺数实验边界层数据的分析表明，流向速度波动的方差和高阶矩$u'^{+}$也显示对数律。这样的实验观察激发了一个问题，即LES是否可以准确地再现方差和高阶矩，特别是它们对到壁的距离的对数依赖性。在这项研究中，我们进行LES的非常高的雷诺数壁面模拟通道流，并专注于配置文件的方差和高阶矩的流向速度波动。与实验数据一致，我们观察到LES中的方差近似对数律，“Townsend-Perry”常数为$A_1\approx 1.25$。LES也产生近似对数律的流向速度的高阶矩。良好的协议之间发现$A_p$，广义“汤森佩里”常数的时刻顺序$2p$，从实验和模拟。两者都表明流向速度波动的亚高斯行为。近壁行为的方差，对数律的有效性的范围，特别是可能的依赖性特征长度尺度，如粗糙度尺度$z_0$，LES网格尺度$Δ$，和亚网格尺度（SGS）混合长度$C_sΔ$进行检查。我们还提出了LES结果的时刻展向和壁正常波动的速度。
2014-09-03 physics.flu-dyn
A family of adverse pressure gradient turbulent boundary layers with upstream favorable pressure gradients
采用可变凸曲率的天花板，对平板湍流边界层（TBL）进行了实验研究，实验中产生了22个有利-不利压力梯度（FAPG）。我们将FAPG定义为顺气流方向的压力梯度序列，其顺序为有利的，然后是不利的，类似于翼型吸力面上的压力梯度序列。利用粒子图像测速技术（PIV）在流向壁面法向平面内研究了该构型的逆压梯度区。在这项工作中，提出并讨论了流向平均应力和雷诺应力。尽管已知有利和不利的压力梯度会引起TBL的相反反应，但未发现有利压力梯度（FPG）之后的当前不利压力梯度（APG）会“逆转”FPG的影响。相反，观察到既不是ZPG也不是APG TBL的特征的复杂反应。雷诺应力呈双峰结构，外尺度应力沿流向在$y < ~ 0.2 δ$中增强，在$y > ~ 0.2δ$中减弱，其中$y$为壁面法向坐标，$δ$为局部边界层厚度。这些是新的内层的特征，以前在颠簸/丘陵流动中观察到，由于压力梯度符号从有利变为不利而形成。在压力梯度较强的情况下，统计数据中的非典型结构和趋势更为显著，其中较强的上游FPG似乎对下游APG产生了较强的影响。当前数据集（22例）提供了FAPG配置下ZPG TBL平衡破坏的清晰图像。所有案件的统计数据都包括在辅助文件部分。
2022-11-16 physics.flu-dyn
Circulation in turbulent flow through a contraction
本研究通过实验结合时间分辨三维拉格朗日粒子追踪技术，探究流经二维收缩段的湍流环量特性，揭示了平均应变对涡结构的作用及环量分布随尺度的变化规律。
2024-01-23 physics.flu-dyn
On the rheoscopic measurement of turbulent decay in wall-bounded flows
PMMH, CNRS, ESPCI Paris, Université PSL, Sorbonne Université, Université Paris Cité（PMHC，法国国家科学研究中心，巴黎高等物理化工学院，巴黎文理研究大学，索邦大学，巴黎西岱大学）；Department of Earth, Planetary, and Space Sciences, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校地球、行星与空间科学系）；FAST, CNRS, Université Paris-Saclay（FAST，法国国家科学研究中心，巴黎萨克雷大学）
本文通过PIV和rheoscopic可视化技术比较，揭示了壁界流中湍流衰减特征时间的差异。
2026-02-13 physics.flu-dyn
Input-output analysis of the stochastic Navier-Stokes equations: application to turbulent channel flow
在Tissot，Mémin & Cavalieri（J. Fluid Mech.，vol.912，2021，A51）基于服从随机输运的经典守恒律。一旦围绕平均流线性化并在傅立叶域中表示，该模型已证明其预测湍流槽道流中流向速度条纹结构的有效性。特别是已经证明，未解决的非相干湍流的随机传输允许通过提升机制更好地再现条纹。在本文中，我们专注于研究的流向细长结构，充满活力的缓冲层和对数层。在缓冲层中，细长的流向涡，命名为卷，被认为是由于相干波波的非线性相互作用，这已被忽略的随机线性框架。我们提出了一种方法来考虑这些相互作用的随机模型中引入一个随机强迫，取代丢失的非线性项的效果。此外，我们提出了一种迭代策略，以确保随机噪声是解相关的，如所规定的建模假设。我们探索这个更完整的模型在$Re_τ=180$，$Re_τ=550$和$Re_τ=1000$的通道流的缓冲层和对数层的预测能力。我们的预测相比，涡粘性的预解式分析，特别是在对数层的改善。
2022-07-25 physics.flu-dyn
Turbulent boundary development over an air cavity
本文利用平面PIV实验研究船舶空气润滑中空气腔上方的TBL，通过相关阈值识别动态腔形，揭示交替压力梯度、空气注入及历史效应对湍流结构的影响。
2024-12-03 physics.flu-dyn
Scaling of global properties of fluctuating streamwise velocities in pipe flow: Impact of the viscous term
我们扩展了[Basse，“Scaling of global properties of ultrasonic and mean streamwise velocities in pipe flow：Characterization of a high Reynolds number transition region，”Phys. Fluids Vol.33，065127（2021）]中概述的程序，以研究整体（即径向平均）的流向速度波动的缩放。粘性项被添加到对数律标度，这导致存在一个数学抽象，我们称之为“全球峰值”。该全局峰值的位置和幅度被表征并与内部峰值和外部峰值进行比较。确定了在摩擦雷诺数为10000阶的过渡。全球峰值缩放，长度尺度，非零渐近粘度，湍流能量产生/耗散和湍流强度缩放的后果进行了评估，包括一个额外的唤醒项的影响。
2021-10-16 physics.flu-dyn
Stochastic Model of Organizational State Transitions in a Turbulent Pipe Flow
湍流管流表现出组织状态（OS），标记的离散方位波数模式，并让人想起低雷诺数制度的行波解决方案。的离散时间演化的OS，通过立体粒子图像测速，所示的非马尔可夫数据采集进行结构分辨采样率。特别是，适当定义的时间-关联函数的OS过渡观察到有趣的幂律衰减，到一个大涡的时间范围内，超过这一点，他们以更快的速度去相关。我们能够建立，依赖于概率描述的创建和湮灭的流向条纹，一个较低级别的{ \it{Markovian} }模型的OS过渡，再现其时间相关的行为与有意义的准确性。这些研究结果表明，在统计相关的数据包的准流向涡结构沿管道分布的OS。
2023-01-13 physics.flu-dyn
