Influence of the approach boundary layer on the flow over an axisymmetric hill at a moderate Reynolds number
本文用大涡模拟方法模拟了中等雷诺数下三维山丘的绕流。模拟的主要目的是研究各种流入条件（边界层厚度和层流与湍流边界层）对山丘后方气流的影响。在所有模拟中，山后气流的主要特征相似，但观察到各种差异。下壁附近表面上流线（摩擦线）的拓扑结构与规定的入流条件无关，由四个鞍点和四个节点（其中两个是焦点）组成。在所有的模拟中，都可以观察到各种各样的旋涡结构，从山脚下形成的马蹄形旋涡到山脚下形成的训练大发夹形旋涡。在模拟中，在厚层流边界层的情况下，还观察到次级涡结构（即发夹涡）在山丘两侧形成，叠加在马蹄涡的腿上。在山丘下游足够远的地方，在对称平面处，发现平均速度和速度波动的均方根变得与流入条件准无关，而朝向两侧，山丘的影响减小，速度剖面恢复到流入时的主要值。
2017-08-23 physics.flu-dyn
Exact second-order spatio-temporal structure-function relationships in non-stationary incompressible turbulent flows with Reynolds decomposition and phase averaging
本研究基于雷诺分解和相位平均，推广了KHMH方程以考虑两个时空点，详细解释了未平均与相位平均形式，并推导出适用于均匀和各向同性流动的特殊形式。
2025-03-31 physics.flu-dyn
An efficient phase-field method for turbulent multiphase flows
为了有效地用相场法模拟三维多相湍流，提出了一种新的Cahn-Hilliard方程双调和项（四阶导数项）离散格式.这种新的方案可以显着降低计算成本，同时保持相同的精度为原来的程序。我们的相场方法建立在一个直接数值模拟求解器之上，名为AFiD（www.afid.eu），由我们的研究小组开源。它依赖于铅笔分布式并行策略和基于FFT的泊松求解器。为了处理两相之间的大密度比，已将压力分裂方法[1]应用于泊松解算器。为了进一步降低计算成本，我们实现了一个多分辨率的算法，其中的离散化的纳维-斯托克斯方程和标量方程：而一个拉伸的壁解决网格用于纳维-斯托克斯方程，对于Cahn-Hilliard方程，我们使用一个精细的均匀网格。本方法显示出出色的计算性能，为大规模计算：网格高达80亿个节点和3072 CPU核心，多相流只需要略低于1.5倍的CPU时间的单相流求解器在同一个网格上。本方法是通过比较结果与以前的研究剪切流中的液滴变形的情况下，包括网格细化的收敛测试，和密度比高达1000的上升浮力气泡的破裂进行验证。最后，我们模拟了瑞利数为$10^8$的湍流Rayleigh-Bénard对流中大液滴的破碎和O（10^3）液滴的合并，观察到与理论结果很好的一致。
2021-05-05 physics.flu-dyn
Flows Over Periodic Hills of Parameterized Geometries: A Dataset for Data-Driven Turbulence Modeling From Direct Simulations
基于湍流封闭的雷诺平均纳维-斯托克斯方程的计算流体动力学模型在工程设计和分析中仍然起着重要的作用。然而，湍流模型的发展已经停滞了几十年。随着机器学习的最新进展，数据驱动的湍流模型已经成为值得进一步探索的有吸引力的替代方案。然而，数据驱动湍流模型开发的一个主要障碍是缺乏训练数据。在这项工作中，我们调查目前可用的公共湍流数据库，并得出结论，他们是不足以开发和验证数据驱动的模型。相反，我们需要更多来自系统和连续变化的流动条件的基准数据（例如，雷诺数和几何形状），并为此目的在参数空间中具有最大覆盖范围。为此，我们进行直接的数值模拟的流量周期性的山丘与不同的斜率，导致在一个家庭的流量周期性的山丘，范围从初期到温和和大规模的分离。我们通过训练一个机器学习模型来进一步演示使用这样的数据集，该模型基于一组平均流特征来预测雷诺应力各向异性。我们希望生成的数据集，以及它的设计方法和示例应用程序，将促进未来的数据驱动的湍流模型的开发和比较。
2019-10-03 physics.flu-dyn
An implicit large-eddy simulation perspective on the flow over periodic hills
周期性丘陵模拟案例是计算流体动力学求解器的一个成熟的基准，因为它的复杂特征来自于从曲面分离出的湍流。我们研究的情况下，与开源隐式大涡模拟（ILES）软件Lethe。Lethe通过应用稳定的连续有限元离散来求解不可压缩的纳维-斯托克斯方程。通过与Re = 5600的文献中的实验和计算数据进行比较，验证了结果。我们研究了时间步长，平均时间，和全球网格细化的效果。ILES方法使用比参考数值解更少的自由度，对平均速度和雷诺应力显示出良好的精度。当使用粗网格时，时间步长对精度有较大影响，而对于细网格，当使用隐式时间步长方法时，结果迅速与时间步长无关。用几种网格得到了很好的再附着点预测，随着网格的细化，该值接近实验基准值。我们还运行模拟雷诺数等于10600和37000，并观察有前途的结果ILES的方法。
2023-03-01 physics.flu-dyn
Ensemble-LES Analysis of Perturbation Response of Turbulent Partially-Premixed Flames
本文用动力系统方程研究了Sandia甲烷/空气火焰系列对小扰动的响应。在这里，桑迪亚D和E湍流部分预混火焰计算使用大涡模拟（LES）与小火焰/进展变量的方法。使用300同时LES计算每个火焰，部分李雅普诺夫频谱的流动，它提供了一组李雅普诺夫指数（LE）和李雅普诺夫向量（LV）。特殊的数值程序来处理这样大的数据集和执行矩阵运算的飞行进行了讨论。从LE，火焰的吸引子的尺寸估计，第一次，至少是5000（火焰D）和10500（火焰E）。这是一个重要的结果，表明湍流火焰的混沌性被限制在一个体积的相空间是量化的。扰动的增长发生在比基于最小应变率的时间尺度大得多但比积分尺度小的时间尺度上。此外，确定扰动响应的Lya-punov矢量表明，最强的扰动与射流击穿区域对齐，而其他LV与剪切层对齐。研究发现，熄灭/重燃过程和湍流诱导的射流运动都对火焰的混沌性有很大的贡献，但对所有的LV都不是同等重要的。这些结果提供了新的见解湍流火焰的扰动响应。更广泛地说，这种李雅普诺夫方法允许一个完整的表征与湍流火焰，这有应用程序的建模和控制这样复杂的流动的混沌动力学。
2018-06-08 physics.flu-dyn
How does flow in a pipe become turbulent?
管流中向湍流的过渡不遵循瑞利-贝纳德或泰勒-库埃特流中熟悉的情况，因为层流剖面在所有雷诺数下都是稳定的，不受无穷小扰动的影响。此外，即使当流速足够高并且扰动足够强使得建立湍流时，它也可以返回到层流状态而没有任何即将衰减的指示。在此参数范围内，扰动的寿命表现出对初始条件的敏感依赖性和指数分布。湍流似乎是由三维行波的支持，出现在流场中的瞬态。层流和湍流动力学之间的边界是由不变的混沌状态的稳定流形形成的。我们还将讨论在短期内，定期连续域的观测之间的关系，并在充分扩展喷流的动态。
2007-09-20 physics.flu-dyn
The mechanism by which nonlinearity sustains turbulence in plane Couette flow
壁边界剪切流中的湍流是由线性非正态性和非线性之间的协同相互作用引起的，其中被配置为将能量从湍流状态的外部强制分量转移到扰动分量的扰动子集的非正态增长保持扰动能量，而能量转移扰动的子集由非线性补充。虽然人们接受的是，从平均流的强迫分量和扰动之间的非线性相互作用的线性非常态介导的能量传递需要保持湍流状态，这些过程在保持湍流中相互作用的详细物理机制尚未确定。在这项工作中，基于统计状态动力学的分析进行湍流Couette流在$R=600$和DNS的比较被用来证明，在Couette流湍流的扰动分量是由一个非正态介导的参数增长过程中，波动的流向平均流量已被调整到边际Lyapunov稳定性补充。它进一步表明，非正常增长的扰动的子空间直接由扰动扰动非线性保持的替代机制并不有助于保持湍流状态。这项工作确定的参数之间的相互作用的波动流向的平均流量和流向变化的扰动的非线性相互作用的机制，保持扰动分量的湍流状态，并确定相关的李雅普诺夫向量与正能量作为结构的扰动子空间支持的湍流。
2018-01-26 physics.flu-dyn
Wall Modeling of Turbulent Flows with Varying Pressure Gradients Using Multi-Agent Reinforcement Learning
提出一种基于多智能体强化学习的大涡模拟壁面建模框架，通过调整壁面涡黏性以适应不同压力梯度的流动，并在周期性山丘和波音高斯凸起等流场验证中优于平衡壁面模型。
2024-07-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Overset LES with Application to a Turbulent Channel Flow
在这方面的贡献，我们提出了一种新的扰动方法（表示为重叠方法）的一个通用的湍流通道流的应用。推导的控制方程（非线性扰动方程扩展与波动粘性项），以及亚网格尺度建模方面的结果重叠LES（OLES）方法。的Overset方法的应用说明了一个通用的充分发展的湍流槽道流，其结果显示出良好的协议与参考直接数值模拟数据。此外，示出的溢出方法来校正不完美的背景流的能力。
2015-03-24 physics.flu-dyn
Pre-unstable set of multiple transient three-dimensional perturbation waves and the associated turbulent state in a shear flow
为了理解谱表示是否以及在多大程度上可以有效地突出不同尺度之间的非线性相互作用，有必要考虑流动中不稳定性和湍流发生之前的状态。在这种情况下，系统仍然是稳定的，但是会受到任意3D小扰动的影响。这些可以到达任何时刻，然后经历一个短暂的演变，这是排除了与Navier-Stokes线性化制剂的初始值问题。三维小扰动的集合构成了一个多个空间和时间尺度的系统，该系统受到包括在扰动纳维-斯托克斯方程中的所有过程的影响：线性化对流输送、线性化涡旋拉伸和倾斜以及分子扩散。撇开不同尺度之间的非线性相互作用，这些特征等同于湍流状态的特征。本文确定了作用在一个典型剪切流即钝体尾流上的任意纵向和横向扰动的惯性范围的指数。然后，我们比较了目前的结果与相应的发展湍流状态的指数（臭名昭著的等于-5/3）。对于纵向扰动，我们观察到在惯性范围内的衰减率为-3，通常在二维湍流中遇到。相反，对于纯3D扰动，能量以-5/3的因子减小。如果我们考虑纵向和横向扰动波的组合，对于较大的波数（[50，100]），能谱似乎有-3的衰减，而对于较小的波数（[3，50]），衰减的数量级为-5/3。我们可以得出结论，惯性范围的指数值具有更高的普适性水平，这是不一定与非线性相互作用。
2010-10-06 physics.flu-dyn
High-order gas-kinetic scheme in general curvilinear coordinate for iLES of compressible wall-bounded turbulent flows
本文发展了一种用于可压缩湍流数值模拟的一般曲线坐标系下的高阶气体动力学格式（HGKS-cur）。基于坐标变换，将Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）方程从物理空间变换到计算空间。为了处理由离散点给出的一般网格，需要通过逐维拉格朗日插值构造几何度量。在计算域中采用多维加权基本无振荡（WENO）重建，重建变量为单元平均雅可比矩阵和雅可比加权保守变量，以保证空间精度。两阶段的四阶方法，这是发展的时空耦合流动求解器，用于时间离散。无粘和层流的数值算例验证了HGKS-cur的精度和几何守恒定律。作为HGKS-cur的直接应用，本文将其应用于可压缩壁面湍流的隐式大涡模拟（iLES），包括可压缩槽道湍流和可压缩周期性起伏湍流。HGKS-cur的iLES计算结果与文献中的谱方法和高阶有限体积方法的计算结果吻合较好。HGKS-cur的性能表明其作为可压缩壁面湍流和大规模分离流数值模拟的有力工具的能力。
2021-07-19 physics.flu-dyn
On the role of laminar/turbulent interface on energy transfer between scales in bypass transition
本文利用KHMH方程和条件平均方法研究旁路转捩中湍流斑界面在尺度间能量传递中的作用，发现下游界面逆级串更强，并证明湍流斑与完全湍流区在两点统计上具有动力相似性。
2022-07-26 physics.flu-dyn
Network broadcast analysis and control of turbulent flows
我们提出了一种基于网络的模态分析技术，确定关键的动态路径，沿其扰动放大随时间变化的基流。这种分析是建立在卡茨中心，它揭示了流动结构，可以有效地传播扰动的时间演变网络的涡流相互作用的基础流量。受Katz函数的预解形式的启发，我们对所得到的通信矩阵进行奇异值分解，补充了流体流动的预解分析。右奇异向量，被称为广播模式，给出了对敏感区域的见解，在这些区域中，引入的扰动可以在随时间演变的整个流体流动网络上有效地传播和放大。我们将这种分析应用到二维衰减各向同性湍流。广播模式揭示了涡旋偶极子是传播扰动的重要结构。通过扰动流的主要广播模式，我们证明了效用的见解，从目前的分析，有效地修改湍流的演变。目前的网络启发的工作提出了一种新的使用网络分析，以指导流量控制的努力，特别是随时间变化的基本流量。
2020-10-29 physics.flu-dyn
Constitutive theory of inhomogeneous turbulent flow based on two-scale Lagrangian formalism
针对非均匀湍流发展了一种封闭理论，该理论可以在不依赖任何经验参数的情况下系统地推导湍流本构关系。在对流坐标系中，基于平均流进行重正化摄动近似，成功地将对流积分以一般协变的方式结合起来。
2019-02-26 physics.flu-dyn
Trigger turbulent bands directly at low Reynolds numbers in channel flow using a moving-force technique
我们展示了一种方法，直接数值模拟，直接触发和维持湍流带在低雷诺数通道流。关键是施加一个移动的局部力，它会引起具有足够强的弯曲不稳定性的局部流动。利用该方法，我们可以在雷诺数低至$Re \simeq 500$时触发和维持湍流带。更重要的是，我们可以生成具有所需相对位置和方向的任何条带模式。通常的扰动方法诉诸于在较高雷诺数下模拟的湍流场、随机噪声或局部涡扰动，这既不能保证在低雷诺数下成功生成带，也不能控制所生成带的方向。精确控制湍流带的位置和方向对于研究所有可能类型的带相互作用和理解低雷诺数下通道流的转捩是重要的。
2020-07-17 physics.flu-dyn
Interfacial instability of turbulent two-phase stratified flow: Multi-equation turbulent modelling with rapid distortion
我们调查的线性稳定性的一个平坦的界面，从一个充分发展的湍流气体流分离的液体层。在这种情况下，线性稳定性分析涉及到一个小振幅波的界面上的动态研究，我们开发了一个模型，描述波引起的扰动湍流应力（PTS）。我们证明了PTS在两种情况下的系统的稳定性的影响：层流薄膜，深水波。在第一种情况下，我们发现PTS对波的增长率几乎没有影响，尽管它们确实影响扰动速度的结构。在第二种情况下，PTS提高了最大增长率，虽然色散曲线的整体形状不变。此外，PTS修改速度场的结构，特别是在较长的波长。最后，我们展示了一种参数调整，使生产的薄膜（慢）波在深水设置。
2009-08-12 physics.flu-dyn
Superposition of system response in modulated turbulent plane Couette flow
本文通过直接数值模拟湍流平面库埃特流，发现在特定剪切Reynolds数下，只要调制小于基础流场，其对调制扰动的响应即可用Fourier模态线性叠加和层流模型有效描述，揭示了湍流中线性叠加的持久性。
2024-07-30 physics.flu-dyn
Mechanism of Roll-Streak Structure Formation and Maintenance in Turbulent Shear Flow
在壁面剪切流动中，主要拟序结构是流向滚纹（R-S）。在没有相关不稳定性的情况下，R-S被归因于平均流和扰动之间的非正态介导的相互作用。这种相互作用可以直接由于瞬态增长扰动的激发而发生，也可以间接由于湍流雷诺应力引起的R-S不稳定而发生。直接机制和间接机制之间的一个基本区别是，在直接机制中，R-S本身就是增长结构，而在间接机制中，R-S作为自组织结构出现。在突现R-S理论中，基本机制是由雷诺应力条纹组织起来的，这些条纹被配置成通过提升过程来支持其相关的滚动。这需要条纹组织湍流扰动，例如产生被配置为加强条纹的雷诺应力。在本文中，我们提供了详细的分析，解释物理为什么这种正反馈发生，是一个普遍的性质，湍流剪切流。DNS数据从相同的湍流中使用的理论研究（Poisseullle流在R=1650）也进行了分析，验证这种机制在DNS中运行。
2022-05-16 physics.flu-dyn
A Deep Learning Approach For Epistemic Uncertainty Quantification Of Turbulent Flow Simulations
针对湍流模拟中传统特征空间扰动法不确定性区间过大的问题，提出用卷积神经网络学习流动特征与模型误差的映射以控制扰动量，提升了认知不确定性量化效果。
2024-05-13 physics.flu-dyn
The phase-locked mean impulse response of a turbulent channel flow
我们描述了第一个DNS为基础的测量的完整的平均响应的湍流通道流到小的外部扰动。在一个通道壁处施加空间-时间脉冲扰动，并且线性响应描述了它们作为空间和时间分离的函数对流场的平均影响。湍流响应不同于层流响应，湍流平均速度曲线作为基流。
2006-11-21 physics.flu-dyn
Minimal seeds for turbulent bands
在这项工作中，非线性变分优化用于获得最小的种子形成的湍流带在槽道流。使用非线性优化与能量二分法，我们已经发现，获得空间模式化的湍流尺度与$Re^{-8.5}$的最小能量阈值为$Re>1000$。最小种子是由一个局部的斑点状结构所包围的低振幅的大规模四极结构填充整个域。层流的这种最小能量扰动在流向和展向方向上的主要波数分别等于$0.15$和$4$，当雷诺数增加时，其特征是更明显的空间局部化。在$Re \lesssim 1200$，最小种子随时间演变，产生孤立的斜带。而对于$Re\gtrsim 1200$，观察到几乎展向对称的演化，产生两个不同的带。在低$Re$的非最小最优扰动也发现了类似的演变。这突出了两种不同的机制，在通道流中的湍流带的形成，取决于雷诺数和初始能量的扰动。这两种机制中的一种的选择似乎受到新产生的条纹的衰减概率的影响，该衰减概率随时间而增加，但随雷诺数而减小。
2021-07-21 physics.flu-dyn
Uncertainty Quantification For Turbulent Flows with Machine Learning
本研究提出物理约束机器学习框架，用于调节特征空间扰动方法，以改进湍流模型不确定性量化的校准。
2023-10-17 physics.flu-dyn
Experimental investigation of laminar turbulent intermittency in pipe flow
在剪切流中，湍流首先以被层流包围的局部结构（喷/点）的形式出现。我们在这里调查这种空间上的间歇性流动的管道实验表明，湍流泡芙有一个明确的相互作用的距离，它设置的最小间距泡芙以及最大可观察到的湍流分数。这里采用了两种方法。从层流开始，可以通过局部喷射流体射流穿过管壁来产生抽吸。当扰动周期性地施加在低频率，如预期的那样，观察到一个规则的序列的喷烟，其中喷烟间距是由平均流速的比值扰动频率。另一方面，在大频率下，发现喷流相互作用并相互湮灭。改变扰动频率，可以确定相互作用距离。在第二组实验中，雷诺数突然从充分发展的湍流降低到间歇状态，由此产生的流动重新组织成一系列恒定尺寸的喷流，这些喷流与Couette和Taylor Couette流动不同，是随机间隔的。湍流斑之间的最小距离与喷烟相互作用长度相同。在平面Couette和Taylor-Couette流动中，烟团相互作用长度与规则条纹和螺旋图案的波长非常一致。我们建议，相同的相互作用机制是存在于这些流量。
2011-03-31 physics.flu-dyn
Minimum-dissipation model for large-eddy simulation in OpenFoam -A study on channel flow, periodic hills and flow over cylinder
本文在OpenFOAM中对槽道流、圆柱绕流和周期性山丘绕流应用最小耗散（QR）模型，发现静态QR模型在降低计算成本的同时表现媲美动态模型，且对称保持离散与中心差分格式结合能取得最佳预测效果。
2023-09-08 physics.flu-dyn
Lyapunov spectrum of forced homogeneous isotropic turbulent flows
为了更好地理解湍流偏离平衡的情况，表征湍流的动力学特性而不是湍流的统计特性是有意义的。为此，李雅普诺夫理论通过对扰动动力学的研究，提供了一个有用的描述湍流。本文计算了强迫均匀各向同性湍流的李雅普诺夫谱。利用不同雷诺数下的流的李雅普诺夫指数，首次通过直接计算得到了三维均匀各向同性流（HIT）混沌吸引子维数的标度.对得到的Gram-Schmidt矢量（GSV）进行了分析。对于研究的条件范围内，它被发现，该流的混沌响应与区域的大速度梯度在较低的雷诺数和拟能在较高的雷诺数，但不符合区域的大动能。此外，随着雷诺数的增加，流动对扰动的响应越来越局部化。最后，GSV的能量谱计算和示出几乎是不敏感的李雅普诺夫指数。
2019-10-25 physics.flu-dyn
Efficient prediction of turbulent flow quantities using a Bayesian hierarchical multifidelity model
针对高雷诺数下湍流高保真模拟成本过高的问题，提出贝叶斯分层多保真度模型，可结合不同精度数据校准参数，仅用少量DNS样本就能准确预测湍流量并给出置信区间，在三个工程湍流案例中验证了其有效性。
2022-10-26 physics.flu-dyn
Richtmyer-Meshkov mixing layer growth from localized perturbations
本文研究了具有空间局域扰动的初始表面上的Richtmyer-Meshkov混合层的生长。我们使用两种对称形式的初始补丁，它允许模拟数据被平均，以生成三维湍流的二维统计表示。我们发现，随着混合层的增长，湍流结构往往形成从表面分离的离散数据包，与材料夹带到他们为主的层流夹带流从周围地区的表面原本是光滑的。卷吸似乎是由出现在初始扰动区域边界处的涡对的传播控制的。这表明，RM混合从孤立的功能，如可能会发现在制造的惯性约束聚变胶囊的增长，有一个相当不同的机制比RM混合层的增长时，扰动是均匀的。这可能对现有的一些工程模型是一个挑战。
2019-08-07 physics.flu-dyn
Data-driven oscillator model for turbulent flows with multiple dominant frequencies
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Institute of Science Tokyo（东京科学大学）
本文提出基于振荡器的数据驱动框架，用于建模多频湍流的动力学，通过训练自动编码器提取代表性振荡器，并利用神经网络预测湍流的多频振荡行为，验证了该模型对湍流腔体流动的长期预测能力。
2026-10-12 physics.flu-dyn
Stochastic modelling of a noise driven global instability in a turbulent swirling jet
本文提出了一种从极限环振荡的测量数据估计湍流中整体流体动力不稳定性的方法。为此目的，流动动力学分离的确定性的贡献代表的全球模式和随机的贡献代表的内在湍流强迫。随机模型的开发，占两者之间的相互作用，并允许确定从静态数据的流的动态特性。确定性的贡献是由一个振幅方程，它描述了振荡动力学的不稳定性，并在第二种方法中的平均场模型，它另外捕获的不稳定性和平均流校正之间的相互作用。随机贡献被认为是色噪声强迫，代表随机湍流扰动的谱特征。该方法适用于一个占主导地位的全球模式的湍流旋转射流。进行PIV测量以确保模式是最主要的相干结构，并且进一步的压力测量为模型校准提供长时间序列。超临界Hopf分岔确定从线性增长率的全球模式和测量和估计的统计数据之间的良好协议表明，该模型捕捉到相关的动态。这项工作表明，唯一的观察极限环振荡是不足以确定湍流的稳定性，因为随机扰动掩盖了实际的分歧点。然而，所提出的分离的动态模型中的确定性和随机性的贡献，允许识别的流动状态从静态测量。
2020-07-15 physics.flu-dyn
High-order projection-based upwind method for implicit large eddy simulation
我们评估的能力，三种不同的方法的基础上高阶间断伽辽金方法来模拟欠分辨湍流。质量守恒混合应力方法作为结构分辨大涡模拟求解器的能力进行了检查。变分多尺度模型无模型或隐式模型方法的比较，通过数值结果。此外，我们提出了一种新的方法，在有壁流动的湍流建模。这种新技术提供了一个更准确的表示在近壁区域的实际亚网格尺度，并给出了有前途的结果高度欠解决的流动问题。在本文中，湍流槽道流和周期性的山丘流问题被认为是我们的模拟基准。
2023-01-04 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Clustering of particles falling in a turbulent flow
通过湍流下落的相同颗粒的空间聚集增强了下落颗粒之间的碰撞率，这是气溶胶科学中的重要问题。我们分析这个问题，使用微扰理论在一个无量纲的参数，所谓的久保数。这使我们能够得到一个分析理论量化的空间聚类。我们发现，在不可压缩的随机速度场的小颗粒的聚类可能会减少或增强重力的影响（取决于斯托克斯数的颗粒），并可能是强烈的各向异性。
2014-03-28 physics.flu-dyn
Non-Linear Super-Stencils for Turbulence Model Corrections
针对DNS高计算成本与传统湍流模型局限导致的湍流模拟难题，本文提出非线性超模板（NLSS）方法，通过全连接神经网络学习流场到修正力项的映射以增强RANS模型，在周期性山丘案例验证了其跨几何和雷诺数的泛化准确性。
2025-02-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
The role of entropic-instabilities in laminar-turbulent transition on a blunted flat plate
本文用线性和非线性方法研究了马赫数~ $4$下熵不稳定性对钝头平板层流-湍流转捩动力学的影响。线性波包分析揭示了放大倾斜的第一模式以及平面和倾斜的熵层扰动。熵不稳定性的感受性被认为是最大的驱动种子在熵层，相应的线性演变的特点是在壁面法向平面的强化，再加上流向倾斜。的过渡过程中所产生的熵层波相互作用通过斜击穿机制进行了详细研究。倾斜的熵层扰动相互非线性地相互作用，并在边界层中引起流向条纹。这些经历进一步的不稳定下游，通过提升和奥尔样机制的组合，导致湍流的发病。由熵扰动引起的正弦次谐波振荡是主要的条纹不稳定性。在温度扰动中观察到倾斜的钩状结构，并归因于熵层中的类Orr机制。此外，温度扰动放大的熵层中的低速条纹的波峰，并通过三元相互作用产生扰动。这些扰动有助于将扰动能量转移到附面层中，最终导致展向均匀化和近壁条纹的产生。接近击穿区的末端，伴随着边界层中惯性子范围的出现的光谱增宽表明流动接近湍流。
2022-10-11 physics.flu-dyn
A critical layer model for turbulent pipe flow
基于模型的描述湍流管流中的湍流波动的缩放和径向位置，并用于照亮非常大的尺度运动的缩放行为。该模型是通过处理的扰动方程（涉及雷诺应力）作为一个未知的强迫，产生的速度场响应和这种非线性之间的线性关系的非线性。我们不假设小的扰动。我们检查传播模式，允许我们的结果与实验数据进行比较，并确定了稳定的组成部分的速度场，只在壁法线方向的湍流平均轮廓的变化。“最佳”强迫形状，给出了最大的速度响应，被假定为导致模式，将占主导地位，因此在湍流管流中观察。在一个给定的波数-频率组合的最放大的速度响应的调查揭示了临界层状的行为，让人想起中性稳定的解决方案的Orr-索末菲方程在线性不稳定流。在流动中，粘度的影响变得重要的两个不同的区域可以被识别，即与$R^{+1/2}$成比例的壁层和与管流中的$R^{+2/3}$成比例的临界层，其中传播速度等于局部平均速度。这个框架似乎是一致的几个缩放结果在壁湍流，并揭示了一种机制，通过这种机制，粘度的影响可以远远超出壁附近。
2010-01-18 physics.flu-dyn
Evolution of localized magnetic field perturbations and the nature of turbulent dynamo
本文提出将任意磁场分布视为局部扰动叠加的方法，揭示了三维湍流惯性区内磁场呈指数增长的发电机机制，并解释了二维缺失与三维高效性的差异。
2021-03-24 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Bubbles in Turbulent Flows: Data-driven, kinematic models with memory terms
我们提出了数据驱动的运动学模型的气泡在高Re湍流流动的基础上与长期短期记忆增强的递归神经网络。该模型扩展了经验关系，如Maxey-Riley（MR）及其变体，当气泡尺寸较大或流动非常复杂时，其适用性有限。递归神经网络的训练上获得的气泡的轨迹的直接数值模拟（DNS）的纳维-斯托克斯方程的两个组成部分的不可压缩流模型。长短期记忆元件利用气泡沿其轨迹遇到的流场的时间历史，并且通过对其结构施加旋转不变性来进一步增强网络。我们首先训练和验证制定的模型使用DNS数据湍流泰勒-格林涡。然后，我们研究模型的预测能力和它的推广雷诺数是不同的基准问题的训练数据，包括一个稳定的（希尔的球形涡）和不稳定的（高斯涡环）流场。我们发现，开发的模型的预测显着改善相比，由MR方程得到的。我们的研究结果表明，数据驱动的模型与历史条款是非常适合捕捉气泡的轨迹在湍流。
2019-10-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Effect of confinement on the transition from 2D to 3D fast rotating flows
本文通过直接数值模拟研究大尺度摩擦约束下快速旋转二维湍流的三维线性失稳，揭示离心型与参数型不稳定性阈值、模态标度及纵横比影响。
2023-05-20 physics.flu-dyn
Surface effects and turbulent pressure. Assessing the Gas-$Γ_1$ and Reduced-$Γ_1$ empirical models
由于对类太阳恒星最上层的不适当建模及其对建模频率的影响，使恒星地震学的全部潜力难以发挥。我们对这些\emph{surface effects}的了解由于使用了三维流体动力学模拟而得到了改善，但本征频率的计算依赖于描述湍流压力的拉格朗日扰动的经验模型：简化的$Γ_1$模型（RGM）和气体- $Γ_1$模型（GGM）。从完全可压缩的湍流方程出发，我们推导了GGM和RGM模型，并使用封闭来模拟湍流动能通量。结果表明，这两种模型都源于两个方面：由于振荡产生的压缩和湍流压力通量的发散引起的湍流压力源。它也表明，它们都是相容的绝热近似，但也意味着一些有问题的假设，主要是关于模式物理。在其他假设中，必须忽略湍流动能耗散为热的拉格朗日摄动和浮力功的拉格朗日摄动。
2021-01-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Using Physics Informed Neural Network (PINN) and Neural Network (NN) to Improve a $k-ω$ Turbulence Model
Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）
本文通过PINN和NN改进$ k-ω $湍流模型，解决湍流扩散建模不足问题，提升通道流和平板边界层流动预测精度。
2026-05-16 physics.flu-dyn
The influence of initial perturbation power spectra on the growth of a turbulent mixing layer induced by Richtmyer-Meshkov instability
本文研究了不同的宽带扰动对马赫数为1.84的激波穿过密度比为3：1的扰动分离气体界面所引起的Richtmyer-Meshkov湍流混合层演化的影响。在一系列精心设计的数值模拟网格分辨率高达$3.2\times10^9$细胞的界面扰动模式的带宽，以及它们的相对振幅，是不同的。三种不同的扰动被认为是由功率谱的形式$P(k)\propto k^m$，其中$m=-1$，$-2$和$-3$。混合层的生长强烈依赖于初始条件，与生长速率指数$θ$被发现是$0.5$，$0.63$和$0.75$的每个值的$m$在最高的网格分辨率。的分子混合分数$Θ$的渐近值也示出与$m$显着变化，在最新的时间考虑$Θ$是$0.56$，$0.39$和$0.20$分别。湍流动能（TKE）也分析了在时间和光谱域。TKE的时间衰减率被发现不匹配的预测值的$n=2-3θ$，这是由于随时间变化的{归一化耗散率$C_ε$ }。在谱空间中，数据在低波数下遵循$k^{(m+2)/2}$的理论标度，在高波数下分别趋向于横向和法向速度分量谱的$k^{-3/2}$和$k^{-5/3}$标度。这些结果是对以前关于宽带初始扰动引起的Richtmyer-Meshkov不稳定性的研究的一个重要扩展，并为今后的研究提供了有用的基准。
2020-03-18 cs.CE 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
Laminar-turbulent boundary in plane Couette flow
我们应用迭代边缘状态跟踪算法研究Re=400时平面Couette流中层流和湍流动力学之间的边界。扰动不足以成为完全湍流，也不足以弱到再层化倾向于在状态空间中的双曲相干结构，称为边缘状态，这似乎是唯一的明显的连续移位对称性。结果表明，当不动点只有一个不稳定方向时，对于面内Couette流的下分支解，迭代边缘跟踪算法收敛于此状态.他们还表明，初始状态的选择并不重要，基本上任意的初始条件可以用来找到边缘状态。
2008-05-07 physics.flu-dyn
The role of the `monopole' instability in the evolution of 2D turbulent free shear layers
不稳定性的作用，在一个二维的增长，时间上不断变化的，“湍流”的自由剪切层进行了分析，使用涡气体模拟，冷凝所有的动力学的Biot-Savart关系的运动学。定涡层中扰动的初始演化与Rayleigh的线性稳定性理论是一致的。然后有一个相干结构的非普适演化阶段，它不是由瑞利稳定性理论近似的，而是由单极子的卡门-鲁巴赫-兰姆线性不稳定性近似的，直到相邻的相干结构合并。在几次合并之后，该层最终演变为自我保护的反向级联，其特征在于由Suryanarayanan等人（Phys.Rev.E 89，013009，2014）发现的普适扩散率和结构的主要间距（$Λ_f$）与层厚度（$δ_ω$）的比率的普适值。在这个普遍的，自我保护的状态下，局部放大的扰动振幅准确地预测由瑞利理论为本地存在的“基”流。Morris等人的模型（Proc.Roy.Soc. A 431，219-243，1990.），然而，其通过平衡平均流损失的能量与扰动模式的能量增益（根据瑞利理论的应用计算）来计算层的生长，被示出为提供具有依赖于初始条件的扩展速率和频谱的非通用渐近状态。这是因为对于具有相干结构的流态，Rayleigh不稳定性的预测仅在普适自保持状态下达到的特殊值$Λ_f/δ_ω$时才有效。
2020-08-15 physics.flu-dyn
Scatterless interferences: Delay of laminar-to-turbulent flow transition by a lattice of subsurface phonons
University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；Centre Internacional de Mètodes Numèrics en Enginyeria (CIMNE)（国际工程数值方法中心）；Universitat Politècnica de Catalunya（加泰罗尼亚理工大学）
通过引入亚表面声子晶格，利用无散射干涉机制抑制流动扰动，延迟层流到湍流转捩，并通过Bloch波单元分析和直接数值模拟验证。
2025-07-09 physics.flu-dyn
Spatiotemporal evolution of asymmetries in turbulent trailing vortices
本文研究了引入到轴对称湍流中的非对称性向外传播的问题，并以高雷诺数和任意旋流数的三维Batchelor涡为例进行了研究。众所周知，添加到2D轴对称流的扰动（不对称性）径向向外传播，以便使涡流重新轴对称化，但是在临界距离处停止行进，该临界距离被称为停滞半径。我们利用直接数值模拟（DNS）和无粘性模型开发的线性化的动量和涡量输运方程周围的基础（未扰动）流在螺旋坐标证明，与2D的情况下，3D涡使无界的径向传播的不对称性。我们进一步将Wenzel-Kramers-Brillouin（WKB）分析应用到线性模型中，将扰动作为紧波包处理，将线性模型的偏微分方程转化为几个常微分方程。然而，气候科学界已经表明，WKB方法普遍预测停滞半径和高度的扰动引入三维气旋样涡，在这里，我们确定了一个狭窄的参数范围内，WKB分析也支持无限制的传播扰动。最后，利用线性快速畸变理论和数值模拟，阐明了不同阶段和不同位置的动量输送机制，从而促进了扰动的向外平流。由于完整的纳维-斯托克斯方程的DNS可以快速稳定到层流状态，因此我们也对线性化的输运方程和无基流干扰的非线性控制方程进行了DNS，以揭示扰动增长和径向传播的主要机制以及在固定旋数下导致增长停滞的非线性过程。
2022-03-30 physics.flu-dyn
Model form uncertainty quantification of Reynolds-averaged Navier-Stokes modeling of flows over a SD7003 airfoil
众所周知，Boussinesq湍流粘性假设在涉及复杂流动特征时，例如层流-湍流转变时，可能产生不准确的预测。研究的重点是探索基于物理的不确定性量化（UQ）方法的能力，以量化Selig-Donovan（SD）7003翼型层流-湍流过渡流的雷诺平均Naiver-Stokes（RANS）模拟的模型形式的不确定性。这种方法扰动的建模雷诺应力张量的动量方程，扰动注入到振幅，特征值和特征向量的各向异性雷诺应力张量进行了本征分解。在这项研究中，我们的分析集中在振幅扰动。我们观察到一个单调的行为的大小预测的不确定性界限的不同数量的利益。高阶回归的基础上的湍流动能差异被用来开发一种新的开关标记函数Mk引入扰动在不同区域的域基于先验知识的模型的局限性的非均匀的方式。重要的是，Mk和特征值扰动的复合效应显示出协同行为，例如，显著增加的不确定性界限，以解释RANS预测中的差异; Mk函数有效地避免了对各向异性雷诺应力张量幅度的过度扰动。在这种情况下，基于回归的各向异性雷诺应力张量的振幅扰动作出了新的贡献，RANS UQ方法在翼型过渡流的模拟，这显示出非常令人鼓舞的结果。
2022-07-28 physics.flu-dyn
Deep Learning-based Algebraic Reynolds Stress Closures for RANS Simulations of Turbulent Flows
Mathematical Institute, University of Oxford（牛津大学数学研究所）；Aerospace and Mechanical Engineering, University of Notre Dame（诺特丹大学航空航天与机械工程系）
提出一种物理驱动的深度学习闭合模型DARSM，通过神经网络映射流动不变量到隐式代数雷诺应力方程中的经验参数，并结合伴随方程实现端到端优化，在方形管道和周期性山丘基准测试中平均速度误差降低2-4倍。
2026-11-10 cs.LG physics.flu-dyn
Comparative study and critical assessment of phase-field lattice Boltzmann models for laminar and turbulent two-phase flow simulations
针对相场格子玻尔兹曼模型性能比较有限的问题，本研究系统分析四类代表性模型，通过典型两相流问题评估其多方面性能，发现保守型Allen-Cahn模型在多维度下平衡表现最优。
2025-11-14 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Separation between coherent and turbulent fluctuations. What can we learn from the Empirical Mode Decomposition?
一种新的数据处理技术，即经验模态分解的性能进行了评估上充分发展的湍流速度信号扰动的数值强迫模仿长周期扑动。首先，我们引入了一个“相似性”的标准来区分污染和未污染的模式提取的扰动速度信号的经验模式分解算法。然后设计了一个抑制程序，在某种程度上起到高通滤波器的作用，以便从扰动信号中推断出原始速度信号。在“单分量”扰动（正弦波）的情况下，通过改变扰动的幅度和频率，对这种恢复过程的质量进行了广泛的评估。恢复和参考速度信号之间的一个很好的协议被发现，即使观察到一些差异时，扰动频率重叠的频率范围对应的能量包含涡强调的能量谱和结构功能。最后，我们的恢复过程中成功地进行了时间相关的扰动（线性啁啾），覆盖了广泛的频率范围。
2010-11-19 physics.data-an physics.flu-dyn
Two-dimensional Turbulence in Symmetric Binary-Fluid Mixtures: Coarsening Arrest by the Inverse Cascade
我们研究二维（2D）二元流体湍流进行了广泛的直接数值模拟（DNS）的强迫，统计稳定的湍流耦合Cahn-Hilliard和Navier-Stokes方程。在没有任何耦合的情况下，我们选择导致（a）旋节分解和畴生长的参数，其特征在于Cahn-Hilliard序参数$ϕ$的时空演化，以及（b）能谱$E(k)$中的逆能量级联制度的形成，其中能量朝向小于湍流流体中的能量注入尺度$k_{inj}$的波数$k$级联。我们表明，Cahn-Hilliard-Navier-Stokes耦合导致逮捕的相位分离在一个长度尺度$L_c$，我们从$S(k)$，$ϕ$的波动谱评估。我们证明，（a）$L_c \sim L_H$，Hinze规模，从平衡惯性和界面张力，和（b）$L_c$是独立的，误差线内，扩散率$D$。我们阐明了这种耦合如何修改$E(k)$通过阻止逆能量级联在波数$k_c$，我们显示是$\simeq 2π/L_c$。我们比较我们的工作与这个问题的早期研究。
2015-06-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Two- and Three-Dimensional Simulations of Rayleigh-Taylor Instabilities Using a Coupled Cahn-Hilliard / Navier-Stokes Model
我们报告了不混溶流体中Rayleigh-Taylor不稳定性的二维和三维数值模拟。一个扩散界面模型，结合的Cahn-Hilliard方程，控制的体积分数的一种流体的演变，和纳维-斯托克斯方程，控制的体积速度和压力，被使用。由于使用Boussinesq近似，该研究仅限于低阿特伍德数。该代码是基于伪谱方法。首先在瑞利-泰勒不稳定的二维情况下进行线性分析，以确认该模型很好地捕捉到这种现象的情况下，无粘或粘性流体。定量研究了与Cahn-Hilliard方程相关的热力学参数（界面厚度和迁移率）对体系的影响。三维结果的瑞利-泰勒不稳定性的粘性流体，然后显示这种建模的可能性。我们观察到的粘度和初始单模扰动的质量输运在非线性政权的波长的效果。
2020-12-11 cond-mat.soft nlin.PS physics.flu-dyn
Turbulent transition in a truncated one-dimensional model for shear flow
我们提出了一个简化的模型过渡到湍流的剪切流，是足够简单的承认一个彻底的数值调查，同时允许时空动态，大大比那些允许在以前的模式截断更复杂。我们的模型允许比较的动态从初始扰动，局部化在展向方向与正弦扰动所产生的。对于展向局部化的初始条件的亚临界过渡到一个“湍流”状态（一）发生更突然，层流和“湍流”之间的边界似乎是少得多的“结构化”和（二）结果在时空混乱的制度内，时空复杂的瞬变的寿命更长，甚至更敏感的初始条件。展向局部化初始扰动激发混沌瞬态所需的最小初始能量$E_0$与雷诺数$E_0 \sim Re^p$和$p \approx -4.3$具有幂律标度。指数$p$仅弱依赖于局部扰动的宽度，并且低于通常在以前的低维模型中观察到的，其中通常为$p \approx -2$。结果表明，在一定雷诺数下，混沌瞬态的寿命分布符合指数分布。
2011-07-04 nlin.CD nlin.PS physics.flu-dyn
Physics-informed neural networks for solving Reynolds-averaged Navier$\unicode{x2013}$Stokes equations
University of Tehran（德黑兰大学）；KTH Royal Institute of Technology（瑞典皇家理工学院）
物理信息神经网络（PINN）是用于求解和识别偏微分方程（PDE）的成功机器学习方法。我们采用PINN求解不可压缩湍流的雷诺平均Navier $\unicode{x2013}$ Stokes（RANS）方程，而不需要任何特定的湍流模型或假设，并且只需要域边界上的数据。我们首先通过求解Falkner $\unicode{x2013}$ Skan边界层来证明PINN求解层流Navier $\unicode{x2013}$ Stokes方程的适用性。然后，我们将PINN应用于四种湍流情况的模拟，即，零压力梯度边界层、逆压力梯度边界层和湍流在NACA 4412翼型和周期性山丘上的流动。我们的研究结果表明，PINN的层流与强压力梯度，预测误差小于1%，可以得到很好的适用性。对于湍流，我们也得到了很好的精度模拟结果，即使是对螺栓应力分量。
2021-07-22 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
