Recent developments of turbulent emulsions in Taylor-Couette flow
乳液在许多自然和工业环境中很常见。近年来，湍流乳状液的动力学研究受到了广泛的关注。本文综述了近年来湍流Taylor-Couette流中乳状液的一些研究，主要集中在分散相的统计和系统的整体动量输运。我们首先研究了低体积分数（稀）的湍流乳液的分散液滴的尺寸分布和破碎机制。对于具有高体积分数的分散相（致密）的系统，我们解决了湍流乳液的全局传输（有效粘度）的详细响应及其与液滴统计的连接。最后，我们将讨论灾难性的相转化，这可能会发生在动态乳化过程中的分散相的体积分数超过一个临界值。最后，我们总结和展望，包括未来研究的一些开放性问题的手稿。这篇文章是主题问题的一部分“泰勒-库埃特和相关的流动泰勒的种子哲学交易文件的百年纪念”。
2022-09-01 physics.flu-dyn
The Twente turbulent Taylor-Couette (T3C) facility: Strongly turbulent (multiphase) flow between two independently rotating cylinders
本文构造了一个新的湍流Taylor-Couette系统，它由两个独立旋转的圆柱体组成。圆柱体之间的间隙高度为0.927 m，内半径为0.200 m，外半径可变（从0.279 m到0.220 m）。内圆柱体和外圆柱体的最大角旋转速率分别为20 Hz和10 Hz，以水为工作流体时，雷诺数高达3.4 x 10^6。利用该泰勒-库埃特系统，参数空间（Re_i，Re_o，η）扩展到（2.0 x 10^6，{ \pm }1.4 x 10^6，0.716-0.909）。该系统配备了气泡喷射器，温度控制，皮肤摩擦阻力传感器，和几个本地传感器研究湍流单相和两相流。内圆筒测力传感器通过扭矩测量检测皮肤摩擦阻力。透明的丙烯酸外筒允许液体流动和分散相（气泡、颗粒、纤维等）的动力学。在间隙内部，使用专门的局部传感器和非侵入式光学成像技术进行研究。该系统允许在高雷诺数制度的泰勒-库埃特流的研究，和背后的皮肤摩擦阻力改变由于气泡注射，聚合物注射，和表面疏水性和粗糙度的机制。
2011-02-23 physics.flu-dyn
Laminar-turbulent coexistence in annular Couette flow
环空库埃特流是由内圆柱的轴向平移驱动的两个同轴圆柱之间的流动。它是使用直接数值模拟在长域，重点是层流湍流共存制度发现的雷诺数的值略低。当半径比$η$从0.8减小到0.5，最后减小到0.1时，证明了三种不同的流动状态。高$η$流态的特点是螺旋形紊流斑块与层流共存，如平面剪切流。中等- $η$状态不具有任何明显的层流-湍流共存。然而，为了消除限制效应，通过人为地将方位角跨度延伸超过2 $π$来恢复适当的图案化。最后，低$η$制度的特点是局部湍流结构不同的泡芙通常遇到的过渡管流。在这种新的共存状态下，动荡的波动是令人惊讶的短期。的影响进行了讨论的相变和临界缩放。
2019-10-06 physics.flu-dyn
Intermittency at Fine Scales and Complex Singularities of Turbulent Couette Flow
精细尺度的湍流速度场，超出惯性范围和耗散范围，是高度间歇性的。有人假设，复杂的平面奇点是精细尺度不相干性背后的主要机制。本文将湍流的速度场看作是时间的解析函数。虽然该函数只适用于真实的时间值，我们提出了一种数值技术，分析继续函数的复杂的时间值，并具有足够的保真度，定位和可视化的奇点最接近的实轴。使用这种技术，我们证明了一个强大的连接时间的不稳定性和位置的奇点在复杂的平面。
2015-10-31 physics.flu-dyn
Exploring the phase space of multiple states in highly turbulent Taylor-Couette flow
通过测量整体转矩和局部速度，同时探测由内外圆柱旋转速率所跨越的相空间，研究了在$\mathrm{Ta}=10^{11}$到$9\cdot10^{12}$范围内高湍流Taylor-Couette流中多个湍流态的存在性.发现多个状态是非常稳健的，并且预期持续超过$\mathrm{Ta}=10^{13}$。旋转比是最强烈地控制流动状态之间的转换的参数;转换值仅弱地依赖于泰勒数。然而，相空间中的复杂路径是解锁多个状态的整个区域所必需的。最后，通过绘制泰勒-库埃特装置中不同旋转比的流动结构，该装置具有相等的半径比，但比以前更大的纵横比，再次观察到多个状态。在这里，他们的特点是更丰富的滚动结构的现象，包括，第一次观察到的高度湍流TC流，反对称滚动状态。
2016-04-17 physics.flu-dyn
Mean flow of turbulent-laminar patterns in plane Couette flow
本文对平面Couette流中的顺层流带状斑图进行了数值研究。这种模式在统计上是稳定的，与流向方向倾斜，并且相对于间隙具有非常大的波长。平均流量，平均时间和均匀的方向，进行了分析。在准层流区的流动不是线性的Couette轮廓，但从平流和扩散之间的非平凡的平衡的结果。这种力平衡产生了雷诺数、角度和图案波长之间关系的第一近似值。值得注意的是，平均流沿波矢方向的变化几乎完全是调和的：流可以用三个横槽剖面表示为U（x，y，z）= U_0（y）+ U_c（y）cos（kz）+ U_s（y）sin（kz）。一个模型，它涉及到跨通道的平均流量和雷诺应力的配置文件。在一个倾斜的矩形周期性计算域的角度和雷诺数的全范围内计算的制度。在其他剪切流-泰勒-库埃特，转子-定子，和平面Poiquillille-的定期观察到的层流模式进行了比较。
2007-01-20 physics.flu-dyn
Localised edge states nucleate turbulence in extended plane Couette cells
我们研究了大区域中的平面Couette流的湍流转捩，在大区域中观察到局部扰动产生不断增长的湍流斑。扩展以前的研究层流和湍流动力学之间的边界，我们确定层流和湍流之间的中间不变的结构。在宽而短的域中，我们发现状态被定位在展向方向，并且在宽而长的域中，状态也被定位在下游方向。这些局域化的状态作为临界核过渡到湍流在空间上扩展的域。
2009-09-02 physics.flu-dyn
Ginzburg--Landau description of laminar-turbulent oblique band formation in transitional plane Couette flow
平面Couette流是指两个平行的相向运动的平面之间的流动，它是壁面有界流动的一个例子，在一定的雷诺数[R_g，R_t]范围内，壁面有界流动经历了向湍流的转变，湍流区和层流区有序共存。当纵横比足够大时，这种共存以交替的湍流和层流斜带的形式发生。当R上升到上阈值R_t时，谱带逐渐消失，为均匀的无特征湍流留下空间。这种连续的过渡在这里研究的手段下解决的数值模拟理解为一种建模方法，适合于长时间，大的纵横比的限制。系统的状态的定量特征在于使用标准的可观的（湍流分数和湍流强度内的频带）。一对复杂的序参量定义的模式，这是进一步分析内的一个标准的Ginzburg-Landau形式主义。该模型的系数原来是那些实验确定的圆柱Couette流。
2011-02-15 physics.flu-dyn
Global energy budgets in turbulent Couette and Poiseuille flows
本文通过能量通量分析比较湍流库埃特流与泊肃叶流的流量产生性能，发现库埃特流效率较低但有效性更高，归因于其更强的层流分量和大尺度结构。
2021-06-28 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
Logarithmic boundary layers in highly turbulent Taylor-Couette flow
我们提供了直接测量的边界层特性在高度湍流泰勒-库埃特流高达$\text{Ta}=6.2 \times 10^{12}$使用高分辨率粒子图像测速仪（PIV）。我们发现，在内部和外部圆柱的平均方位角速度分布可以拟合的von卡门对数定律$u^+ = \frac 1κ\ln y^+ +B$。冯卡门常数$κ$被发现依赖于驱动强度$\text{Ta}$和大$\text{Ta}$渐近方法$κ\approx 0.40$。局部方位角速度的方差分布在$y^+ \approx 12$附近具有一个通用峰值，并且当用驱动速度（而不是摩擦速度）重新缩放时会崩溃，显示出$y^+$的对数依赖性，这也适用于通道和管道流[1，2]。
2013-02-25 physics.flu-dyn
Turbulent states in plane Couette flow with rotation
流体中的剪切力和旋转力会显著改变动量的输运，本文采用绕垂直于壁面法线方向和流向的轴旋转的平面Couette流动，对剪切力和旋转力的作用进行了数值研究。使用一组逐渐增加的雷诺数Re = 5200，我们发现，对于一个给定的Re的扭矩是一个非单调的函数的旋转数，Ro。对于低到中等的湍流雷诺数，我们发现一个最大值，这是与流场，主要由下游涡和2-D涡计算捕获的最大定量。对于较高的剪切雷诺数的第二个更强的最大值出现在较小的旋转数，更接近非旋转平面库埃特流。它是由一个显着的三维结构的流动，不能捕获的二维涡研究。随着雷诺数的增加，这一最大值变得更强，并最终超过与二维流动状态相关的最大值。
2014-11-18 physics.flu-dyn
Spectral analysis on transport budgets of turbulent heat fluxes in plane Couette turbulence
近几年来，人们对壁湍流中的逐尺度能量传输进行了深入的研究，并对湍流能量在空间和尺度间的复杂传输进行了探讨。由于强化传热是湍流的一个重要方面，从工程的角度来看，它也是重要的研究如何湍流热通量的空间和尺度上的非线性多尺度相互作用的壁湍流和湍流能量。本文利用直接数值模拟的方法研究了具有被动标量传热的平面Couette湍流热通量的谱输运收支。详细研究了展向温度脉动谱和速度-温度关联的输运预算，并与相应的雷诺应力谱进行了比较。这些尺度之间的相似性和差异进行了讨论，特别侧重于尺度间传输和空间湍流扩散的作用。结果表明，温度统计量的谱输运与雷诺应力的谱输运十分相似，特别是雷诺切应力和壁面法向湍流热通量的谱输运普遍存在逆尺度间传输
2022-05-31 physics.flu-dyn
Direct velocity measurement of a turbulent shear flow in a planar Couette cell
在一个平面库埃特池中，由水组成的薄流体层在雷诺数为300至1400的透明带之间被剪切。与膜分离相比，细胞流动通道的长度较大。为了提取实验中的流速，相关图像测速（CIV）方法被用于高速摄像机记录的图像。以允许分析与膜分离尺寸相似的流型的分辨率记录流动。然后通过计算流速自相关函数来研究流体流动。在临界雷诺数Re=360以上的尺度上出现的湍流模式显示出用计算出的速度自相关函数证明的特征模式。这些模式是亚稳态的，并在整个实验中的不同位置和时间重新出现。通常，这些图案是湍流辊，其在带移动的方向的流动方向上伸长。虽然流动状态是亚稳态的，但它们与已知出现在圆形泰勒库埃特单元中的稳定泰勒涡具有相似之处。
2014-03-12 physics.flu-dyn
Couette-Poiseuille flow experiment with zero mean advection velocity: Subcritical transition to turbulence
我们提出了一个新的实验装置，创建一个剪切流与零平均平流速度通过抵消非零流向压力梯度移动边界，产生平面Couette-Poiffille流。我们进行了第一次实验结果，在过渡制度，这种流动。使用流动可视化，我们的特点是亚临界过渡到湍流的Couette-Poiffille流，并显示存在的湍流点产生的永久扰动。由于基本廓线的平均平流速度为零，这些湍流结构几乎是静止的。我们区分两个区域的湍流斑：活跃的，湍流的核心，其特征在于类似于行波的条纹的波纹度，和周围的区域，其中还包括弱未受干扰的条纹和斜波在层流湍流界面。我们还研究了这两个区域的大小对雷诺数的依赖关系。最后，我们表明，行波在下游（Poietille）。
2017-04-09 physics.flu-dyn
Experimental studies of turbulent Taylor-Couette flows: single phase and liquid-liquid dispersions
本文研究了在两个反向旋转的同轴圆柱体之间产生的湍流Taylor-Couette流中的液-液分散。在纯水和反向旋转中，雷诺数可达1.4 × 10^5。我们使用的液体是低粘度油和纯水或具有与油相匹配的折射率的碘化钠溶液，以获得透明的分散体。我们首先描述的单相流，在过渡到湍流的阈值，缩放的扭矩和测量的平均流量和雷诺应力的立体PIV。然后，我们研究了两相流中耗散的增加，发现单位质量的扭矩可以是单相流扭矩的两倍。长期行为也有报道。
2008-06-19 physics.flu-dyn
Spectral analysis on dissimilarity between turbulent momentum and heat transfers in plane Couette turbulence
湍流中不同尺度间的非线性相互作用导致了湍流能量的尺度间和空间输运，这种尺度间的相互作用在湍流传热机制中的作用从工程角度看也具有重要的实际意义。在本研究中，我们调查了一个湍流平面Couette流与被动标量传热在普朗特数0.71，为了解决速度和温度场的尺度相互作用之间的相似性/差异。采用等温差边界条件，使平均速度和温度廓线相似，然后比较了尺度间和空间输运对湍流能量谱输运预算和温度统计的作用。我们发现，湍流传热发生在相对较小的流向长度尺度相比，动量传递，虽然分子扩散是更显着的温度场的普朗特数小于1。对温度相关谱的输运收支的详细分析表明，温度场中的尺度相互作用比速度场中的尺度相互作用为小尺度提供了更多的能量。这种显著的温度级联导致小尺度下更强的温度涨落，最终导致湍流热传递和动量传递谱的不相似。
2022-04-06 physics.flu-dyn
Invariant Solution underlying Oblique Stripe Patterns in Plane Couette Flow
当亚临界剪切流转变为湍流时，层流和湍流常常在空间中共存，从而产生顺-层流流型。最突出的是具有大规模周期性和倾斜方向的规则条纹图案。斜条纹是一种强有力的现象，在实验和流动模拟中观察到，但它们的起源仍不清楚。我们证明了完全非线性三维纳维-斯托克斯方程的不变平衡解的存在性，它类似于平面Couette流中的斜向层流条纹。我们揭示了条纹平衡的起源，并展示了它是如何从研究的Nagata平衡通过两个连续的分叉。
2018-09-08 physics.flu-dyn
A Streamwise Constant Model of Turbulence in Plane Couette Flow
流向和准流向细长结构已被证明在湍流剪切流中起着重要作用。我们使用纳维-斯托克斯方程的流向常数投影来模拟完全湍流平面Couette流的平均行为。这导致二维三速度分量（$2D/3C$）模型。我们首先使用一个稳态版本的模型，以证明其非线性耦合提供的数学机制，形状的湍流速度分布。模拟的$2D/3C$模式下的小振幅高斯强迫的横流组件进行比较DNS数据。结果表明，纳维-斯托克斯方程的流向常数投影反映了低雷诺数下完全湍流平面Couette流动的显著特征。一个系统的理论方法是用来证明存在大的输入输出放大通过强制$2D/3C$模型。正是这种放大与适当的非线性相结合，使$2D/3C$模型能够在本研究中采用的小振幅强迫下产生湍流行为。
2010-11-25 physics.flu-dyn
Large scale flows in transitional plane Couette flow: a key ingredient of the spot growth mechanism
利用粒子图像测速技术（PIV）在一个新的实验平面Couette流中，研究了湍流斑侵入原层流的动力学行为。我们的实验证据第一次在这种几何形状的大规模流动的存在。层流和湍流区域共存时，这些流动就出现了。谱分析被用来研究这些大尺度以及与湍流相关的小尺度的动力学演化。我们表明，大规模的流量增长之前，湍流斑点的发展，我们指出他们发挥的关键作用的增长机制，也可能在出现有组织的模式。
2015-02-03 physics.flu-dyn
Modeling transitional plane Couette flow
本文用Galerkin方法导出了一个实际的平面Couette流模型，该模型是由几个横流模的振幅随时间和空间变化的偏微分方程组组成的。数值模拟表明，它再现了典型的这种流动的全球次临界行为。特别是，从湍流到层流衰减时的湍流瞬变统计与实验结果显示出惊人的相似性。
2008-11-22 physics.flu-dyn
Catastrophic phase inversion in high-Reynolds number turbulent Taylor--Couette flow
乳液在食品工业、医疗保健和化学合成中无处不在。在这封信中，亚稳油-水乳状液的动力学在高度湍流（$10^{11}\leq\text{Ta}\leq 3\times 10^{13}$）泰勒-库埃特流，远离平衡，进行了研究。通过改变水包油空隙率，可以触发水包油和油包水乳液之间的灾难性相转化，显著改变混合物的形态（包括液滴尺寸和流变性质）。这些不同的状态的表现是通过结合全局扭矩测量和局部原位激光诱导荧光（LIF）显微镜成像。尽管湍流状态的流动和动态平衡的油-水混合物，系统的全球扭矩响应被发现是，如果流体是牛顿的，和混合物的有效粘度被发现是几倍大或小比它的成分。
2020-12-09 physics.flu-dyn
Finite-sized rigid spheres in turbulent Taylor-Couette flow
我们报告的修改阻力中性浮力球形颗粒在高度湍流泰勒-库埃特流。这些颗粒可以用来解开的影响，尺寸，变形能力，和体积分数的阻力，对比时，气泡流的阻力。我们发现，刚性球几乎没有改变系统的阻力超出平凡的粘度效应所造成的取代工作流体与颗粒。颗粒的大小对阻力有边际影响，较小直径的颗粒仅显示出略微较低的阻力。增加颗粒体积分数显示净阻力增加，因为流体的有效粘度也增加。增加颗粒体积分数的阻力的增加是通过执行激光多普勒风速仪，我们发现，湍流速度波动也随着体积分数的增加而增加。与刚性球相比，气泡的有效减阻也随雷诺数的增加而增加。气泡在减少整体阻力方面也更有效。
2018-04-19 physics.flu-dyn
Torque Scaling in Turbulent Taylor-Couette Flow with Co- and Counterrotating Cylinders
本文分析了独立旋转的外圆柱和外圆柱在强湍流区的Taylor-Couette流的整体输运特性，内圆柱和外圆柱的雷诺数分别达到Re_i = 2 x 10^6和Re_o = 1.4 x 10^6。对于所有Re_i、Re_o，无量纲扭矩G作为泰勒数Ta的函数缩放（其与内圆柱体和外圆柱体的角速度之间的差的平方成比例），具有通用有效标度律G \propto Ta^{0.88}，对应于表征内圆柱体和外圆柱体之间的角速度传输的努塞尔数的Nu_omega \propto Ta^{0.38}。指数0.38对应于类似瑞利-贝纳德系统的最终状态标度。对于沿相空间中的对角线的反向旋转情况，传输是最有效的，其中ω_0 \approx -0.4 ω_1。
2011-02-10 physics.flu-dyn
Dynamics of particle-laden turbulent Couette flow. Part1: Turbulence modulation by inertial particles
在载有颗粒的湍流中，对于高于$10^{-4}$的体积分数，载体流体相中的湍流受到分散颗粒相的影响，因此反向耦合或双向耦合在该体积分数范围内变得相关。在Muramulla $et.al.^1$最近的一项研究中，对于临界体积分数O（$10^{-3}$），在垂直的载有颗粒的湍流槽道流中观察到湍流强度的不连续降低。湍流强度的崩溃是湍流能量产生率灾难性下降的结果。从机理上讲，固液耦合在固粒湍流库埃特流中不同于在封闭槽道流中。本文通过双向耦合DNS研究了惯性颗粒对Couette流湍流的调制作用，其中颗粒体积分数（$ϕ$）从$1.75\times10^{-4}$变化到$1.05\times10^{-3}$，基于半通道宽度的雷诺数（$δ$）和基于壁面速度的雷诺数（$U$）（$Re_δ$）为$750$。粒子是重点粒子，具有基于流体积分时标的$St\sim367$，由$δ/U$表示。在超过临界体积分数$ϕ_{cr}\sim7.875\times10^{-4}$后，流体湍流强度、均方速度和雷诺应力均出现不连续的下降。湍流剪切产生的急剧减少和湍流动能的粘性耗散的减少是发生类似槽道流的不连续转捩的两个重要现象。逐步粒子注入和逐步去除的研究证实，这是粒子的存在，这主要是在这个不连续的过渡。
2022-04-01 physics.flu-dyn
Periodic orbits near onset of chaos in plane Couette flow
我们跟踪了平面Couette流中相干态的二次分叉，并表明它们经历了一个不完全的周期性加倍级联，以危机分叉结束。我们引入了一个符号动力学的轨道，并表明，存在的落入所描述的大都市，斯坦和斯坦单峰映射的普遍序列。周期轨道覆盖了大部分的湍流动力学，因为它们的时间演化在投影到由能量产生和耗散跨越的平面上时与湍流运动重叠。
2013-11-01 physics.flu-dyn
Scale invariance at the onset of turbulence in Couette flow
层流-湍流不稳定性是管道、槽道、边界层和库埃特流等多种流体流动的过渡区的固有特性。在后一种情况下，湍流点可以生长并形成连续的条纹，但在条纹法线方向上，它们仍然被层流散布。我们进行了直接的数值模拟，在一个狭长的域，并观察到个别的湍流条纹是瞬态的。与最近在管流中的观察结果一致，我们发现，一旦空间扩散超过固有的衰减过程，湍流就会在一个明显的临界点持续下去。通过求解接近临界的渐近尺寸分布，我们可以首次证明湍流开始时的尺度不变性。
2013-04-19 physics.flu-dyn
Unstable periodic orbits and heteroclinic connections in plane Couette flow
管道、槽道和平面库埃特流的平衡解、行波解和周期轨道解现在可以在雷诺数高于湍流开始时精确计算。这些不变的解决方案捕获壁有界的卷和条纹的复杂动力学，并提供了一个框架，了解低雷诺数湍流剪切流动的动力系统。我们目前的流体动力学视频平面Couette流说明周期性轨道，一个密切的通过湍流的周期性轨道，和不稳定平衡之间的异宿连接。
2008-10-10 physics.flu-dyn
A Molecular Dynamics Simulation of the Turbulent Couette Minimal Flow Unit
对平面Couette流动进行了分子动力学（MD）模拟。在一个单一的故障和再生周期的演变进行比较，计算流体动力学（CFD）模拟。定性相似的结构观察和湍流统计表现出良好的定量协议。提出了壁面的分子尺度定律，其中粘滑分子壁-流体相互作用取代了无滑移条件。网格分辨率的影响进行了探讨，所观察到的结构被认为是依赖于平均时间和长度尺度。动能谱显示分子系统中存在一定范围的尺度，并且谱内容取决于所采用的网格分辨率。亚网格速度的分子相比，使用联合概率密度函数的空间平均速度。分子轨迹，扩散和拉格朗日统计。次网格尺度的重要性，相关的Kolmogorov长度尺度和分子湍流的影响进行了讨论。
2015-08-04 physics.flu-dyn
Computational Study of Turbulent-Laminar Patterns in Couette Flow
采用最小流动单元法对平面Couette流动中转捩区附近的湍流-层流流型进行了模拟。计算域在两个方向上是最小的，但在第三个方向上是大的。长向可以相对于流向以任何规定的角度倾斜。三种类型的模式化状态被发现和研究：周期性，本地化，和间歇性。这些密切对应于大纵横比实验中的观察结果。
2004-03-30 nlin.PS 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
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
Physical mechanisms governing drag reduction in turbulent Taylor-Couette flow with finite-size deformable bubbles
通过将气泡注入湍流载流流体中而引起的减阻现象已经被人们知道很长时间了;然而，对支配控制参数和基本物理学还没有很好地理解。在本文中，我们使用三维数值模拟揭示的影响，变形的气泡注入湍流泰勒-库埃特流的总阻力经历的系统。我们考虑两种不同的雷诺数的载体流，即$Re_i=5\times 10^3$和$Re_i=2\times 10^4$ ;通过韦伯数的范围内变化的$We=0.01 - 2.0$的气泡的变形性进行控制。我们的数值模拟表明，增加气泡的变形能力，$We$导致减阻增加。我们看看不同的物理效应，有助于减阻和分析他们的个人贡献，增加气泡变形能力。局部角速度通量的分布表明，在气泡的存在下，湍流增强的内筒附近，而在本体和外筒附近衰减。我们连接的阻力减少的增加，减少耗散的高度变形的气泡附近的内圆筒的尾流。
2018-05-10 physics.flu-dyn
How does turbulence spread in plane Couette flows?
本文研究了平面库埃特流中侵入层流的紊流斑沿展向的增长。采用直接数值模拟的方法跟踪光斑生长过程中条纹形核的过程。实验和直接数值模拟使我们能够研究斑点的前锋和观察到的旋涡在斑点的边缘的速度。所有这些结果表明，两种机制参与时，湍流斑增长：以前提出的局部增长发生在斑展向尖端，但也在可比的比例，全球增长引起的大规模平流在本工作中确定。
2015-12-11 physics.flu-dyn
On the self-sustained nature of large-scale motions in turbulent Couette flow
壁面湍流中的大尺度运动常被解释为小尺度结构的聚集过程。在这里，我们探讨了另一种可能性，这种大规模的运动本身是自我维持的，并没有从缓冲层中激活的小规模湍流运动中汲取能量。为此，它首先表明，大规模的运动在湍流Couette流在Re=2150自我维持，即使在较小尺度的活动过程被人为地通过增加Smagorinsky常数Cs在大涡模拟淬火。这些结果与压力驱动湍流通道的早期结果一致。我们进一步研究了大尺度相干运动的性质，通过计算上，下分支的非线性稳态解的过滤（LES）方程与牛顿-克雷洛夫求解器，并发现它们是由鞍结分岔在大值的Cs。过滤后的大尺度运动的上分支的解决方案计算雷诺数Re=2187使用特定的路径在Re-Cs参数平面和大尺度相干运动相比。继续到Cs = 0揭示了这些滤波方程的大尺度定常解与纳维-斯托克斯方程定常解的Nagata-Clever-Busse-Waleffe分支有关。相比之下，我们发现它不可能连接到缓冲层运动通过一个延续到更高的雷诺数在最小的流量单位。
2015-09-15 physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulation of turbulent Taylor-Couette flow
本文描述了完全湍流状态下Taylor-Couette流动的直接数值模拟（DNS）。数值方法扩展了Quadrio和Luchini（Eur. J. Mech. B / Fluids，v.21，pp.413--427，2002），并且基于使用混合空间离散化（均匀方向上的谱方案，以及径向方向上的四阶、紧凑显式有限差分方案）的并行计算机代码。本文首次用DNS方法模拟了湍流状态下的Taylor-Couette流动。统计量的计算，以补充现有的实验信息，以期比较它的平面，压力驱动的湍流在相同的雷诺数值。平面流和曲壁流之间的流量统计差异的主要来源是由于曲率效应产生的大规模旋转结构的存在。
2007-11-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Dynamics and proliferation of turbulent stripes in plane-Poiseuille and plane-Couette flows
本研究对比平面泊肃叶流与平面库埃特流中湍流条纹的动力学与增殖机制，发现二者因对称性和内部生长差异，形成截然不同的条纹产生与分裂模式，揭示了平面剪切流转捩过程的核心差异。
2023-11-06 physics.flu-dyn
Mutual coherent structures for heat and angular momentum transport in turbulent Taylor-Couette flows
在这项研究中，我们报告的数值结果的热$Nu$和角动量$ν_{t}/ν$在泰勒-库埃特（TC）流受到径向温度梯度的湍流传输。直接数值模拟在TC单元中进行，半径比$η=0.5$和纵横比$Γ=8$为两个瑞利数（$Ra=10^5$，$10^6$）和两个普朗特数（$Pr=0.7$，$4.38$），而雷诺数$Re$在$0 \le Re \le 15000$的范围内变化。随着$Re$的增加，流动经历了两个不同的转变：第一个转变是从对流为主的制度的过渡制度，与大规模的纬向环流演变为螺旋涡;第二个转变发生在旋转为主的制度时，泰勒涡从弱非线性状态变成湍流状态。特别是，当流动由湍流泰勒涡控制时，我们发现这两个传输过程都表现出幂律标度：$Pr=4.38$的$Nu\sim Re^{0.619\pm0.015}$，$Pr=0.7$的$Nu\sim Re^{0.590\pm0.025}$和两个$Pr$的$ν_{t}/ν\sim Re^{0.588\pm0.036}$。这些标度指数表明，热和角动量的径向传输的类似机制，这是进一步证明了湍流粘度与扩散率的比率是独立的$Re$的事实。为了说明湍流输运的基本机制，我们通过分析热通量和动量通量密度的空间分布来提取相干结构。我们的研究结果揭示了相互湍流结构，通过该结构，热量和角动量被有效地传输。
2021-11-24 physics.flu-dyn
On the dynamics of laminar-turbulent patterns in plane Couette flow
在较宽的雷诺数R范围内，平面Couette流动在低雷诺数R_t时的全局稳定基流剖面之间呈现规则的斜向层流流型<R_g and a uniformly turbulent regime at sufficiently large R>。数值模拟，我们已经进行了一个模式显示波长调制的松弛，该调制与人们所期望的标准方法在扩展的几何耗散结构方面，虽然结构发展的湍流背景。一些后果进行了讨论。
2016-03-19 nlin.PS physics.flu-dyn
Velocity profiles in strongly turbulent Taylor-Couette flow
本文导出了一般情况下独立旋转圆柱体在强湍流Taylor-Couette流中的速度分布。该理论基于适当（圆柱）几何形状的纳维-斯托克斯方程。特别是，我们推导出轴向和角速度轮廓作为与气缸壁的距离的函数，并发现两者都遵循对数轮廓，并具有向下弯曲的曲率修正，与轴向速度轮廓相比，角速度轮廓更明显，并且随着内圆柱半径和外圆柱半径之间的比率$η$的减小而强烈增加。相反，方位角速度不遵循对数律。然后，我们比较的角速度和方位角速度的配置文件与最近测得的配置文件在（非常）大的泰勒数的最终状态。虽然{ \em定性}趋势是相同的--对于大的壁距离和（适当移位和无量纲化）角速度剖面$ω^+(r)$比（适当移位和无量纲化）方位角速度剖面$u^+_φ(r)$更接近对数律--对于大的壁距离发现{ \em定量}偏差。我们将这些差异归因于泰勒辊和高度依赖的配置文件，这两者都没有被认为是在理论上的方法。
2013-10-23 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
Characterizing the turbulent drag properties of rough surfaces with a Taylor--Couette setup
壁面粗糙度在有壁面限制的湍流中引起额外阻力。由于缺乏对蒙皮-摩擦阻力的精确和直接测量，将任何给定的粗糙几何形状映射到其流体动力学行为受到阻碍。Taylor-Couette（TC）系统提供了一个机会，因为它是一个封闭的系统，并允许直接和可靠地测量皮肤摩擦。然而，壁曲率潜在地使壁摩擦和壁粗糙度特性之间的连接复杂化。在这里，我们调查的影响，流体动力学充分粗糙表面上的高度湍流，内圆筒旋转，TC流。我们发现，流体动力学完全粗糙表面对TC湍流的影响，其中粗糙高度k比Obukhov曲率长度Lc小三个数量级（其表征曲率对湍流的影响，参见Berghout等人arXiv：2003.03294，2020）类似于完全粗糙表面对平板湍流边界层（BL）的影响。因此，表征粗糙表面的阻力特性的等效砂粒高度ks的值类似于在平板BL中的可比较砂纸表面所发现的值。接下来，我们得到的扭矩（皮肤摩擦阻力）的雷诺数的依赖性，为给定的壁面粗糙度，其特征在于ks，并发现与实验结果在5%以内的协议。我们的研究结果表明，在TC设施的全球扭矩测量是非常适合可靠地推断壁阻力性能的任何粗糙表面。
2020-09-14 physics.flu-dyn
Statistics of turbulent fluctuations in counter-rotating Taylor-Couette flows
本文研究了Taylor-Couette湍流速度脉动的统计特性。在保持泰勒数固定为$1.49 \times 10^{12}$（$\mathcal{O}(\text{Re})=10^6$）的同时改变内筒和外筒的旋转速率。使用激光多普勒测速仪（LDA）测量的流量的方位角速度分量。对于每个实验，获得并仔细分析$5\times10^6$数据点。使用扩展自相似（ESS）\cite{ben93b}的纵向结构函数指数提取，并发现弱依赖于旋转速率的比率。对于只有内筒旋转的情况，结果与Lewis和Swinney \cite{lew99}使用热膜风速仪测量的结果非常一致。功率谱显示出对于中间角速度比$-ω_o/ω_i \in \{0.6, 0.8, 1.0\}$的明显的-5/3标度，对于$-ω_o/ω_i \in \{0.2, 0.3, 0.4, 2.0\}$的大约-5/3标度，并且对于$-ω_0/ω_i = 0$没有发现明显的标度律（仅内部圆柱旋转）;谱的局部标度指数具有强的频率依赖性。我们将这些意见的概率密度函数的方位角速度和存在的中性线的形状。
2013-08-16 physics.flu-dyn
Growth and decay of isolated turbulent band in Plane-Couette flow
该研究通过大计算域数值模拟揭示平面 Couette 流中孤立湍流带在不同 Reynolds 数下的衰减规律及三种生长分裂方式。
2022-12-27 physics.flu-dyn
High Reynolds number Taylor-Couette turbulence
Taylor-Couette流--两个同轴同向或反向旋转的圆柱之间的流动--是流体物理学中的典型系统之一。（无量纲）的控制参数是雷诺数的内部和外部的圆筒，圆筒半径的比率，和纵横比。系统的响应是保持恒定角速度所需的扭矩，其可以与通过间隙的角速度传输相关联。在上世纪80年代和90年代，低雷诺数区域已经得到了很好的研究，而在完全湍流区域，主要的研究活动只是在最近十年才发展起来。在本文中，我们回顾了这一最新进展，在我们的理解充分发展的泰勒-库埃特湍流，从实验，数值和理论的角度来看。我们将集中在参数依赖的全球扭矩和当地的流动组织，包括速度剖面和边界层。接下来，我们将讨论不同（湍流）流动状态之间的转换。我们还将详细说明这个系统与天体物理盘（开普勒流）的相关性。最后，对未来湍流泰勒-库埃特流研究的挑战进行了总结。出版于ARFM：Annu. Rev. Fluid Mech.48：53-80（2016）。
2019-03-30 physics.flu-dyn
Rough wall turbulent Taylor-Couette flow: the effect of the rib height
在这项研究中，我们结合实验和直接的数值模拟研究的横向肋的高度在湍流泰勒-库埃特流的整体和局部流动特性的影响。我们通过在大范围的肋高度上将多达6个轴向障碍物连接到圆柱体表面来创建肋粗糙度，最多阻塞间隙宽度的25%。在渐近极限状态下，输运与粘性无关，我们发现$Nu_ω \propto Ta^{1/2}$标度的前因子（对应于阻力系数$C_f(Re)$为常数）与肋数$N_r$和肋高$h^{1.71}$成比例。这背后的物理机制是，对扭矩的主要贡献来自作用在肋上的压力，该压力与肋高度成比例。测量的$N_r h^{1.71}$比例关系略小于预期的$N_r h^2$比例关系，可能是因为肋骨不能被视为完全孤立，而是相互作用。在具有光滑壁的反向旋转区域中，湍流泰勒涡增加了动量输送。我们发现，也在横肋的存在下，这些涡持续存在。在反向旋转的制度，即使是大的粗糙度高度，动量传输增强这些涡。
2018-05-02 physics.flu-dyn
Sodium chloride inhibits effective bubbly drag reduction in turbulent bubbly Taylor-Couette flows
使用泰勒-库埃特几何，我们实验研究盐对流动中存在的气泡引起的减阻效果。我们将扭矩测量与光学高速成像相结合，将气泡尺寸与流动所经历的阻力相关联。以前的研究结果表明，一小部分空气（4%）可以导致显着的阻力减少（40%）。与以前主要使用淡水的实验室实验不同，我们将改变淡水的盐度到海水的平均盐度。我们发现，随着盐浓度的增加，减阻越来越受到抑制;从淡水的40%到海水的15%。存在于工作流体中的盐抑制聚结事件，导致流动中的较小气泡，并且由此降低减阻。在临界盐度以上，增加盐度对流中的气泡尺寸没有进一步的影响，因此对流所经历的阻力没有进一步的影响。我们的新发现证明了NaCl对气泡减阻机制的重要性，并将进一步挑战海军建筑师在海洋船舶上实施有前途的空气润滑系统。
2022-10-28 physics.flu-dyn
The Effect of Modulated Driving on Non-rotating and Rotating Turbulent Plane Couette Flow
对平板速度周期性调制的无旋和有旋平板Couette湍流流动进行了直接数值模拟，研究了调制强迫对湍流剪切流动的影响。时间平均剪切雷诺数固定为$Re_S = 3 \cdot 10^4$，这导致摩擦雷诺数约为$Re_τ\approx 400$。调制频率在$Wo\in(20,200)$范围内变化，而调制振幅保持固定在剪切速度的$10\%$，只是为了证明改变该参数变化很小。由此产生的剪切板被发现是独立的强迫频率，并等于非调制的基线。对于非旋转模拟，可以看到两个清晰的流动区域：遵循斯托克斯理论解的近壁区域，以及行为类似于斯托克斯解但具有增加的有效粘度的本体区域。对于高驱动频率，振幅响应遵循von der Heydt \emph{et al.}（Physical Review E 67，046308（2003））的调制湍流的标度律。气旋旋转没有发现修改系统的行为在很大程度上，但反气旋旋转显着改变系统的响应周期性强迫。我们发现，温和的反气旋旋转引入的持久的轴向不均匀性使得它不可能充分测量调制的传播，而更强的反气旋旋转创建调制瞬间旅行的区域。
2022-05-23 physics.flu-dyn
Marginally stable and turbulent boundary layers in low-curvature Taylor-Couette flow
边缘稳定性参数被用来描述泰勒-库埃特（TC）流的扭矩的旋转数依赖于半径比$η\geq 0.9$和剪切雷诺数$Re_S=2\times 10^4$。用分段线性函数近似表示的平均轮廓，其特征在于在内部和外部圆柱体的边界层厚度和在中心的角动量，轮廓和扭矩提取的要求，即边界层代表边际稳定TC子系统和扭矩在内部和外部圆柱体一致。然后，该模型将扭矩中的宽肩解释为$R_Ω\approx 0.2$附近旋转数的函数。对于旋转数$R_Ω< 0.07$，TC稳定性条件预测剪切雷诺数非常大的边界层。假设TC不稳定性被一些剪切不稳定性绕过，出现第二个最大扭矩，与数值模拟非常一致。结果表明，尽管边际稳定性理论在其他情况下存在不足，但它能定量地解释转矩随转速的非单调变化，无论是在宽极大值还是窄极大值情况下。
2016-09-02 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
A doubly-localized equilibrium solution of plane Couette flow
我们提出了一个平衡解的平面Couette流是指数本地化的展向和流向方向。该解决方案是类似的大小和结构，以前计算的湍流斑点和本地化，混乱游荡的边缘状态的平面Couette流。对纳维-斯托克斯方程中主要项的线性分析表明，指数衰减率和流向尾翼的壁面法向悬垂剖面是如何受雷诺数和展向主波数的控制的。扰动的解决方案沿其领先的本征函数导致快速中断的内部辊条纹结构和形成的湍流斑，其增长或衰减取决于雷诺数和扰动的选择。
2014-05-21 physics.flu-dyn
Turbulence decay towards the linearly-stable regime of Taylor-Couette flow
Taylor-Couette（TC）流被用来探测天体物理学中吸积盘的流体动力学稳定性。关于TC亚临界稳定性的实验数据与湍流的存在相矛盾（参见。Ji等人，Nature，444，343-346（2006）和Paoletti等人，A $\&$ A，547，A64（2012）），差异归因于终板效应。在本文中，我们数值模拟TC流与轴向周期性边界条件，探讨存在亚临界过渡到湍流时，没有端板。我们在不稳定状态下以完全湍流状态开始模拟，并通过突然开始（稳定）外圆柱旋转进入线性稳定状态。湍流初始状态的剪切雷诺数为$Re_s \sim10^5$，半径比为$η=0.714$。这种稳定性使系统表现为阻尼振荡器，相应地，湍流衰减。的扭矩和湍流动能的演变进行了分析和周期性和阻尼的振荡被量化和解释为剪切雷诺数的函数。虽然最初的湍流状态衰减，令人惊讶的是，系统被发现在此衰减过程中吸收能量。
2013-11-11 physics.flu-dyn
Drag reduction in boiling Taylor-Couette turbulence
我们创建了一个高度受控的实验室环境，可进行全球和本地监测，以分析湍流沸腾流，特别是统计稳定状态下的剪切应力。也就是说，通过精确监测强湍流泰勒-库埃特流（两个同轴旋转圆柱之间的流动，雷诺数$\textrm{Re}\approx 10^6$）从非沸腾到沸腾的过渡过程中的阻力，我们表明，直观的预期，即几个体积百分比的蒸汽气泡将相应地改变几个百分点的整体阻力，是错误的。相反，我们发现，在这些条件下，发生了高达45%的显着的全球阻力减少。我们将这个全球性的结果，我们的本地观测，表明，主要减阻的蒸汽泡变形是至关重要的，对应于韦伯数大于一。我们将我们的研究结果与气泡湍流的结果进行了比较，气泡遵循与蒸汽气泡非常不同的物理学。尽管如此，我们还是发现了显著的相似之处，并对它们进行了解释。
2019-09-09 physics.flu-dyn
Influence of global rotation and Reynolds number on the large-scale features of a turbulent Taylor-Couette flow
对同轴独立旋转圆柱间的湍流流动进行了实验研究。我们确定了在不同的角速度比（旋转数）的雷诺数与扭矩的比例，以及在高雷诺数下改变旋转数时壁面剪应力的行为。我们比较的曲线与PIV分析的平均流量，并显示出独特的作用，完美的反向旋转的出现有组织的大尺度结构的平均部分，这非常湍流，出现在一个平稳和连续的方式：过渡类似于超临界分岔的二次平均流量。
2010-01-25 physics.class-ph physics.flu-dyn
