Hessian-based Lagrangian closure theory for passive scalar turbulence
在标量场的Hessian基础上发展了被动标量湍流的自洽闭合理论。作为标量空间结构的一个原始指标,我们采用了海森到理论的核心,以适当地表征内在的标量场本身的时间尺度。由此产生的封闭模型现在被赋予了几个现实的特征,即尺度间相互作用的尺度局部性、细节保守性和记忆衰退效应。将当前的理论应用于惯性对流范围,最终导致自洽推导的Obukhov-Corrsin光谱与其通用常数与数值和实验数据一致。
2021-09-10 physics.flu-dyn
Lagrangian acceleration of passive tracers in statistically-steady rotating turbulence
用粒子跟踪测速技术研究了定常旋转湍流中被动示踪剂的拉格朗日加速度矢量的统计特性。背景旋转的直接影响是平行于(垂直)旋转轴的高加速度事件的抑制,水平加速度的高加速度事件的增强,以及垂直于旋转矢量Ω和本地速度矢量u的加速度分量的自相关的强烈放大。由Ω和u建立的平面中的加速度分量的自相关性仅略微增强。
2013-07-26 physics.flu-dyn
Lagrangian views on turbulent mixing of passive scalars
被动标量湍流的拉格朗日观点最近产生了有趣的结果和解释。本文简要评述了拉格朗日湍流在理论、实验、模拟和数据分析方面的创新。审查的一部分是密切相关的所谓的Kraichnan模型的平流的被动标量合成湍流。对更好地理解Navier-Stokes湍流中的被动标量混合的可能影响也进行了讨论。
2009-04-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A Differential Approximation Model For Passive Scalar Turbulence
本文用一个基于三阶微分近似的k空间扩散模型研究了二维被动标量湍流。傅立叶空间中的局部非线性相互作用的这种简单的描述示出了一个一般的表达式,与以前的开创性的工作,似乎是适合于各种二维湍流问题。流的谱能量密度的稳态解示出恢复Kraichnan-Kolmogorov现象的双级联,而各种被动标量谱,如Batchelor或Obukhov-Corssin谱恢复为稳态解的被动标量的谱能量密度。这些分析结果,然后证实了能量和被动标量注入和耗散的对数波数空间网格在很大的尺度范围内的时间演化问题的数值解。所获得的特定幂律谱被发现主要取决于动能和被动标量能量注入的位置。
2019-10-07 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Passive directors in turbulence
在实验和数值模拟中,我们测量了湍流中平流的小球体(“被动导向器”)的对称轴之间的角度。由于湍流应变倾向于使附近的椭球体对齐,人们可能会认为它们的相对角度很小。我们表明,这种直觉失败,一般来说,因为附近的粒子的对称轴之间的角度是非常大的。我们确定了导致这种现象的两种机制。首先,尽管流体速度在小尺度上是空间平滑的,但动力学演化为分形吸引子。其次,这种分形形成的步骤类似于随机或混沌二维映射的指向矢图案中观察到的疤痕线。
2019-02-12 physics.flu-dyn
Predictive modeling of passive scalar transfer to a wall using stochastic one-dimensional turbulence
本文将槽道湍流中的被动标量作为湍流边界层传热传质的正则问题来研究。一维湍流模型被用来数值研究施密特和雷诺数的依赖性标量转移到一个壁,由于波动的壁正常传输。首先,该模型是校准低阶速度统计。在此之后,我们保持模型参数固定,并调查低阶被动标量统计相关的施密特和雷诺数范围。我们表明,该模型一致预测的边界层结构和缩放制度,它是接近渐近一维理论。
2020-11-09 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.flu-dyn
Passive Scalar Structures in Supersonic Turbulence
本文对超声速湍流中被动标量结构进行了系统的数值研究。我们发现,在标量结构的不稳定性的程度增加,只有轻微的流动变化,从跨音速到高超声速,而速度结构变得更加间歇性。这种差异是由于在标量场中没有类似激波的不连续性造成的。标量场的结构函数由She和Lévêque [Phys.Rev.Lett. 72,336(1994)],并且发现在所有马赫数下,最强烈的标量结构都是片状的。
2011-03-28 astro-ph.GA physics.flu-dyn
A numerical investigation on active and passive scalars in isotropic compressible turbulence
本文研究了各向同性可压缩湍流中主动标量和被动标量的统计差异。在惯性范围内,动能和标量具有Kolmogorov谱,Kolmogorov常数和Obukhov-Corrsin常数分别为2.06和0.87。由二阶结构函数计算的局部标度指数对速度和主动标量存在平台,而对被动标量的局部标度指数先取最小值0.61,然后取最大值0.73。速度和被动标量的混合三阶结构函数满足4/3定律。在标度指数方面,速度与被动标量混合的标度指数介于速度与被动标量混合的标度指数之间,而速度与主动标量混合的标度指数则低于速度与主动标量混合的标度指数。在大振幅下,p.d.f.主动标量涨落的分布是超高斯分布,而被动标量涨落的分布是亚高斯分布。此外,两个标量增量的p.d.f.s分别是凹的和凸的形状,在小尺度下表现出很强的不连续性,并随着尺度的增加而接近高斯。主动标量具有“斜坡-悬崖”结构,而被动标量似乎是由稀疏和压缩。通过采用“粗粒化”的方法,我们研究标量级联。与被动标量不同,主动标量的级联主要取决于小尺度下的粘性耗散和大尺度下的压胀效应。由于稀疏区和压缩区的相互抵消,在小尺度激波附近压胀效应很大,但在空间平均后,压胀效应可以忽略不计。最后,在惯性范围内,标量的亚网格尺度通量的p.d.f.s可以坍缩到相同的分布,揭示了主动标量和被动标量统计的标度不变特征。
2015-05-11 physics.flu-dyn
Anomalous scaling of passive scalar in turbulence and in equilibrium
我们分析了多点关联函数的示踪剂在不可压缩流的尺度远远超过规模$L$的波动产生(准平衡域),并将它们与关联函数的尺度小于$L$(湍流域)。我们证明,尺度不变性可以打破平衡域和跟踪这种故障的统计积分的运动(零模式)已经做了湍流。采用Kraichnan模型的短相关速度,我们确定了新类型的零模式,打破规模不变性,并确定了一个令人不安的缓慢衰减的相关性在大尺度。
2005-01-03 cond-mat.stat-mech hep-th nlin.CD
Clustering of passive impurities in MHD turbulence
采用高分辨率数值模拟方法研究了重粒子、中性粒子或带电粒子在不可压缩电阻性磁流体动力学(MHD)湍流中的输运。观察到这种杂质的空间分布显示出强烈的偏离均匀性,无论是在耗散和惯性范围尺度。中性粒子由于其与流动的粘性阻力而倾向于聚集在相干涡面附近,导致同时存在非常集中和几乎空的区域。带电粒子的成团特征是不同的。除了阻力之外,这些还表现出洛伦兹力。由于吸引和排斥涡面的空间不均匀性的区域的变化。虽然小的电荷会增加聚集,但较大的电荷会产生相反的效果。
2009-02-18 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Statistical field theory for a passive vector model with spatially linear advection
University of Bayreuth(拜罗伊特大学)
针对小尺度湍流简化建模需求,本文以空间线性随机场平流拉伸的不可压缩被动矢量为模型,借助Hopf泛函分解非高斯统计,通过数值实现表征模型间歇性。
2026-09-21 physics.flu-dyn
Energy and flux budget closure theory for passive scalar in stably stratified turbulence
针对稳定分层湍流,发展了被动标量(非浮力和非惯性粒子或气体混合物)的能量和通量收支(EFB)封闭理论。EFB湍流闭合的物理背景是基于湍流动能和势能以及动量和浮力的湍流通量以及颗粒的湍流通量的收支方程。EFB湍流闭合是为从中性到非常稳定的分层地球物理流而设计的,它意味着在任何分层处,湍流都是由速度切变维持的。在定常状态下,导出了被动标量的湍流通量和各向异性非对称湍流扩散张量的表达式,并得到了该张量各分量的普适通量理查森数依赖关系。湍流扩散张量在垂直方向上的对角分量被强分层抑制,而在水平方向上的对角分量没有被抑制,并且它们与湍流扩散张量的其他分量相比是占主导地位的。这意味着,任何最初创建的强烈不均匀的粒子云演变成一个薄煎饼在水平面上的垂直方向上的厚度非常缓慢的增加。湍流Schmidt数随梯度理查森数线性增加。考虑到这些结果的应用程序的大气边界层湍流,理论关系推导出允许确定的湍流扩散张量作为一个函数的垂直坐标测量的单位的地方Obukhov长度尺度。所得到的关系式在模拟大气边界层湍流和自由大气湍流中的颗粒弥散方面具有潜在的应用价值。
2021-06-02 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Effective diffusivity of passive scalars in rotating turbulence
我们使用直接数值模拟来计算湍流旋转流中被动标量的湍流输运系数。在平行和垂直于旋转轴的方向上的有效扩散系数通过研究被动标量的施加的初始轮廓的扩散而获得,并且通过测量标量的平均浓度和平均空间通量作为时间的函数而计算。改变Rossby和Schmidt数以量化它们对有效扩散的影响。研究发现,旋转会降低垂直方向上的标量扩散率。垂直扩散可以使用垂直于旋转轴的特征速度和长度从混合长度参数估计。小施密特数,湍流运输减少和分子扩散变得更加显着的偏差。
2013-02-12 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Passive scalars: mixing, diffusion and intermittency in helical and non-helical rotating turbulence
我们使用直接数值模拟计算结构函数,标度指数,概率密度函数和湍流输运系数的被动标量在湍流旋转螺旋和非螺旋流。我们表明,螺旋度影响的惯性范围缩放的速度和被动标量旋转时,存在,与$\sim k_{\perp}^{-1.4}$的被动标量方差谱的谱法一致。这个标度律与\cite{imazio2011}中提出的旋转非螺旋流的唯象论证是一致的,该论证指出,如果能量遵循$E(k)\sim k^{-n}$定律,则被动标量方差遵循具有$n_θ=(5-n)/2$的$V(k) \sim k^{-n_θ}$定律。利用该定律得到的二阶标度指数,利用Kraichnan模型,我们得到了被动标量的反常标度指数,与数值计算结果符合得很好.间歇性的被动标量被发现是强于在非螺旋旋转的情况下,结果也证实了较强的非高斯尾场增量的概率密度函数。最后,Fick定律被用来计算在平行和垂直于旋转轴的方向上的有效扩散系数。计算表明,在旋转流中螺旋度的存在下,水平扩散减少,而垂直扩散增加。我们使用平均场参数来解释这种行为的速度场波动的幅度。
2015-03-04 physics.flu-dyn
Large-Eddy Simulation closures of passive scalar turbulence: a systematic approach
在被动标量输运的背景下,小尺度(“亚网格”)湍流的参数化的问题。我们专注于Kraichnan平流模型本身的封闭问题的分析调查。系统地导出了描述粗粒标量场演化的动力学方程。在$l/r$的最低阶近似下,$l$是定义粗粒标量场的滤波器的特征尺度,$r$是惯性距离分离,我们恢复了小尺度的经典涡扩散率参数化。在下一个领导秩序的动力学封闭。后者优于经典模型,因此是一般湍流中标量输运的亚网格模型的自然候选者。
2003-09-10 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Evolution of passive scalar mixing layers in stratified and unstratified homogeneous turbulence
University of Massachusetts Amherst(马萨诸塞大学阿默斯特分校);University of Washington(华盛顿大学)
通过高分辨率大涡模拟研究稳定分层湍流中被动标量的混合,发现横向混合在分层与未分层情况下相似但分层时稍快,而垂向混合因分层抑制大尺度搅拌而几乎停止。
2026-06-12 physics.flu-dyn
No new scaling laws of passive scalar with a constant mean gradient in decaying isotropic turbulence
在Sadeghi和Oberlack [JFM 899,A10(2020)]的研究中,声称在衰减均匀各向同性湍流中的恒定平均梯度的影响下,推导出了被动标量动力学情况下的新标度律。然而,这些标度定律并不新鲜,Bahri(2016)已经推导并讨论过。萨代吉和奥伯莱克并没有取得新颖的分析成果,他们的研究标题误导性地暗示了这一点。事实上,Bahri通过简单的量纲分析得到的已经建立的自相似标度律在应用中已经比Sadeghi和Oberlack通过过于复杂因此不必要地执行李群对称性分析得到的自相似标度律更普遍。声称它具有不是特别方法的优点是不正确的。因为李群方法不像经典方法那样使用先验的尺度集,而是必须使用先验的对称性集,也就是说,从一个无限的因而是不封闭的集合中选择正确的相关对称性。例如,选择了非物理缩放对称性,在分析过程中必须丢弃该非物理缩放对称性,因为它与模拟的数据不兼容。因此,湍流中的李群对称方法只是另一种常见的试错方法,而不是可以绕过封闭问题的第一原理方法。
2022-05-31 physics.flu-dyn
Turbulence and passive scalar transport in a free-slip surface
我们考虑二维(2D)流动在一个平坦的自由滑动表面,界定了三维(3D)的体积,其中的流动是湍流。表面二维流动的运动方程既不是可压缩的,也不是不可压缩的,而是受到表面下三维流动的强烈影响。二维表面和三维体积尺度中的速度关联函数具有相同的指数。在粘性子范围中,振幅是相同的,但在惯性子范围中,2D振幅减小到3D振幅的2/3。表面流比三维体积流具有更强的间歇性。本文利用几何标度理论导出了速度场的标度与表面上平流的被动标量的密度涨落之间的关系。
2001-04-09 nlin.CD physics.flu-dyn
Mean-field closure parameters for passive scalar turbulence
将各向同性强制均匀稳态湍流与施加被动标量浓度梯度的直接数值模拟与提供平均被动标量通量和方差演化方程的分析闭合模型进行比较。三重相关的波动出现在这些方程中描述的松弛项成比例的二次相关。三种方法被用来提取弛豫时间尺度τ_i从直接数值模拟。首先,我们将闭包插入到我们的方程中,假设平稳性,并求解tau_i。其次,我们只使用闭包分析本身,并从二次相关和三次相关的比值中获得τ_i。第三,我们去除了施加的被动标量梯度,并将指数衰减律拟合到解。我们改变雷诺数(Re)和Péclet数(Pe),同时保持它们的比例在统一和尺度分离的程度,并找到大Re公平的不同方法之间的对应关系。被动标量通量的湍流弛豫时间与湍流涡旋的翻转时间之比约为3,这与以前的工作是非常一致的。最后,我们努力提取的弛豫时间尺度相关的粘性和扩散效应。我们发现这是有效的小和大的Re,分别两个制度,但尺度分离的参数的依赖性表明,它们是不普遍的。
2011-12-20 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Resolvent-based design and experimental testing of porous materials for passive turbulence control
一个扩展版本的解决方案制定用于评估使用各向异性多孔材料作为被动流量控制装置的湍流通道流。这些多孔基板的效果被引入到通过广义版本的达西定律的控制方程。模型预测表明,具有高流向渗透率和低壁面法向渗透率($ϕ_{xy} = k_{xx}/k_{yy}\gg1$)的材料可以抑制类似于高能近壁循环的预解模式。基于这些预测,两个各向异性多孔基板与$ϕ_{xy} > 1$和$ϕ_{xy} < 1$的设计和制造的实验在台式水槽实验。采用粒子图像测速技术(PIV)测量湍流的平均统计特性,并通过快照本征正交分解(POD)提取相干结构。基于雷诺剪切应力分布的摩擦速度估计值并未显示出在相同的整体雷诺数下,相对于光滑壁面流,使用$ϕ_{xy}>1$的流向优先基底上可辨别的摩擦减少(或增加)的证据。在具有$ϕ_{xy} < 1$的基底上观察到摩擦的显著增加。这种摩擦力的增加与类似开尔文-亥姆霍兹涡的展向滚柱的出现有关。通过POD分析提取的相干结构与模型预测定性一致。
2020-09-25 physics.flu-dyn
The Universality of Dynamic Multiscaling in Homogeneous, Isotropic Turbulence
我们系统地研究了被动标量和流体湍流的不同模型中的时变结构函数的动态多尺度性。我们表明,通过适当的归一化这些结构函数,我们可以消除它们的依赖于我们开始测量的时间的起源,这些归一化的结构函数产生相同的线性桥关系,涉及统计稳定湍流的动态多尺度和等时指数。我们分析表明,无论是被动标量湍流Kraichnan模型和它的壳模型模拟,和数值计算,流体湍流的GOY壳模型和被动标量湍流的壳模型,这些指数和桥梁关系是相同的统计稳定和衰减湍流。因此,我们为动态普遍性提供了强有力的证据,即,动态多尺度指数不依赖于湍流是衰减还是统计稳定。
2007-10-30 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Eulerian spatio-temporal correlations in passive scalar turbulence
本文通过数值模拟研究了三维被动平流标量场的时空两点关联函数,证实了小时间延迟下的高斯衰减以及大时间延迟下与泛函重整化群分析一致的指数衰减,并揭示了两种状态间的交叉。
2021-04-26 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Comparing velocity and passive scalar statistics in fluid turbulence at high Schmidt numbers and Reynolds numbers
本文通过纳入施密特数高达512的文献数据,反驳了先前关于高雷诺数和施密特数下速度与被动标量统计量趋同的结论,证明两者本质差异始终存在。
2023-02-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A Novel Flow-induced Motion Energy Harvesting with Coupled Mechanism of Time-varying Stiffness and Passive Turbulence Control
受章鱼触手启发,本文提出将被动湍流控制与时变刚度耦合的流致振动能量采集机制,在特定配置下实现效率翻倍、最高提升57%,并降低起始频率、提高瞬时功率与振幅。
2024-11-25 physics.flu-dyn
Early Transient Period in the Evolution of the Area of a Passive Front Propagating in a Strong Turbulence
统计平稳,均匀,各向同性湍流的被动自传播前的平均面积上的影响,因此,对流体消耗率的前进行了分析的情况下,渐近高湍流雷诺数$Re_L$和渐近高比率的Kolmogorov速度恒定速度$u_0$的前。通过考虑锋面演化的早期阶段,分析确定了平均(在所研究的早期阶段)锋面面积和消耗速度$\bar{u}_T$。分析表明,平均$\bar{u}_T$是成比例的均方根湍流速度,其特征在于大规模的湍流涡,即使在前区的瞬时率的增加主要是由最小的柯尔莫哥洛夫涡控制。平均面积或$\bar{u}_T$对柯尔莫哥洛夫速度、长度和时间尺度的直接依赖性由于以下物理机制而消失。在高$Re_L$,湍流拉伸所产生的小尺度涡流增加的前端面积随时间呈指数,而体积的前沿和后缘的边界增长显着放缓。因此,在短时间之后,体积被前部紧密地填充,并且相对的前部元件之间的平均距离相对于柯尔莫哥洛夫长度尺度变小。随后,这种前部元件碰撞,从而减小前部面积并限制平均$\bar{u}_T$。
2018-06-26 physics.flu-dyn
Dynamic Nonlocal Passive Scalar Subgrid-Scale Turbulence Modeling
针对标量湍流小尺度反常扩散与间歇性导致的亚网格建模难题,提出基于滤波玻尔兹曼方程的动态非局域大涡模拟范式,通过分数阶拉普拉斯项表征超扩散特性,结合数据驱动算法与动态过程实时估计模型参数,先验与后验测试均优于传统模型,适用于强各向异性的粗化模拟及环境应用。
2022-03-07 physics.flu-dyn
Lagrangian model for passive scalar gradients in turbulence
本文提出一个基于RDGF闭合的拉格朗日模型,用于各向同性湍流中被动标量梯度的预测,通过纳入轨迹历史信息修正误差,在泰勒雷诺数约500以内与DNS数据高度吻合。
2022-10-31 physics.flu-dyn
The Batchelor spectrum of passive scalar turbulence in stochastic fluid mechanics at fixed Reynolds number
在1959年,巴彻勒预测,在具有小扩散率$κ$的流体中平流的被动标量的定态统计应该沿着包含在流体模型的粘性对流范围内的惯性范围显示$|k|^{-1}$功率谱。这种预测已经过广泛的实验和数值测试,是被动标量湍流的核心预测。在这篇文章中,我们提供了一个严格的证明的一个版本的巴彻勒的预测在$κ\to 0$极限时,标量受到一个空间光滑,白色的时间随机源和平流的二维斯托克斯方程或三维超粘性斯托克斯方程在$\mathbb{T}^d$迫使充分经常,非退化随机强迫。虽然我们的结果适用于任意雷诺数的流体,但该值始终是固定的。我们的结果依赖于我们最近的工作中建立的拉格朗日混沌和被动标量混合的定量理解。此外,在$κ\to 0$限制,我们获得统计平稳,弱解$H^{-ε}$的随机强迫平流问题没有扩散。这些解决方案几乎肯定不是局部可积的分布与非零的平均异常流量,并满足Batchelor谱在所有足够小的尺度。我们还证明了一个Onsager型临界性结果,这表明没有这样的耗散,弱解的规则性多一点可以存在。
2020-12-23 math.AP math.DS math.PR
Dynamics of a Passive Droplet in Active Turbulence
本文数值研究了活性湍流中被动可变形液滴的运动,发现其均方位移从扩展弹道区过渡到正常扩散区,并揭示了该过渡与液滴尺寸及周围活性介质速度关联尺度的关系。
2023-07-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Passive aerodynamic robustness reduces disturbance amplification in flight
J. C. Wu Center for Aerodynamics, School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学航空航天学院空气动力学中心);Commercial Aircraft Corporation of China, Ltd.(中国商用飞机有限责任公司)
研究揭示鸟类翅膀通过被动方式减少气动扰动放大,提升飞行稳定性,但牺牲了气动效率,揭示了效率与鲁棒性之间的权衡。
2026-06-05 physics.flu-dyn
Statistics and geometry of passive scalars in turbulence
本文对中等雷诺数(10 =< R_λ=< 42)和施密特数大于1(2 =< Sc =< 32)时被动标量的混合进行了直接数值模拟(DNS)。模拟分辨率低于Batchelor比例高达四倍。平流湍流是均匀的和各向同性的,并保持稳定的随机强迫在低波数。被动标量通过一个方向上的平均标量梯度而呈现静止。本文研究了标量场的几何和统计性质与其梯度之间的关系。雷诺数和施密特数是不是足够大的Kolmogorov缩放或巴彻勒缩放的发展,并不奇怪,我们发现没有分形缩放的标量水平集,或等值面,在中间粘性范围。等值面的面积-体积比反映了标量涨落的近似高斯统计。由标量梯度幅值的条件概率密度函数(PDF)确定的等值面上的标量通量,具有朝向尾部的拉伸指数分布。对于小振幅和大振幅,标量耗散的PDF明显偏离对数正态分布。研究了标量及其耗散率的联合统计量,以及标量耗散的平均条件矩。我们研究粗粒化的概率密度的影响,以模拟测量中的不良探头分辨率的影响。
2005-10-21 astro-ph nlin.CD physics.flu-dyn
Quantum many-body framework for passive-scalar turbulence
State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences(中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室);School of Engineering Sciences, University of Chinese Academy of Sciences(中国科学院大学工程科学学院)
该研究提出非厄米玻色子框架,统一被动标量湍流的等时与多时间统计,揭示观测时间序列如何传播空间间歇性结构。
2026-09-22 physics.flu-dyn quant-ph
Data-Driven Fractional Subgrid-scale Modeling for Scalar Turbulence: A Nonlocal LES Approach
在湍流输运的大涡模拟(LES)中,对被动标量输运方程进行滤波,产生了与不可分辨标量通量相对应的封闭项。了解和尊重亚网格尺度(SGS)通量的统计特征是LES的鲁棒性和可预测性的关键点。在这项工作中,我们调查的内在非局部行为的SGS被动标量通量通过研究其两点统计从过滤的直接数值模拟(DNS)数据中获得的被动标量输运均匀各向同性湍流(HIT)。真实SGS标量通量的长程相关性的存在促使我们超越传统的局部闭合模型方法,这种方法不能预测被动标量中湍流输运的非高斯统计特征。在这里,我们提出了一个适当的统计模型,考虑到过滤玻尔兹曼输运方程(FBTE)的被动标量的微观SGS运动。在FBTE中,我们近似的过滤平衡分布与$α$稳定的Levy分布,基本上结合了幂律行为,类似于所观察到的非局部统计SGS标量通量。通用的整体平均这样的FBTE让我们制定一个连续的水平封闭模型SGS标量通量出现在分数阶拉普拉斯算子,这是固有的非本地。通过数据驱动的方法,我们推断出我们的SGS模型的最佳版本,使用高保真数据的SGS标量通量和过滤标量梯度之间的两点关联函数,稀疏线性回归。在\textit{a priori}测试中,最优分数阶模型在再现滤波标量方差的SGS耗散的概率分布函数(PDF)方面产生有希望的性能,与从滤波DNS数据获得的其真实PDF相比。
2021-07-09 physics.flu-dyn
Assessing passive scalar dynamics in bubble-induced turbulence using DNS
本研究通过DNS分析气泡诱导湍流中的被动标量,发现标量谱从k^-5/3到k^-3的转变,并揭示其机制与气泡直径尺度相关,同时探讨了对流扩散率的影响。
2023-05-04 physics.flu-dyn
varRhoTurbVOF: a new set of volume of fluid solvers for turbulent isothermal multiphase flows in OpenFOAM
流体体积(VOF)法是一种常用的多相流模拟方法。开源计算流体动力学(CFD)软件OpenFOAM实现了各种基于VOF的求解器,并为用户提供了广泛的湍流模型。由于VOF框架下的等温多相流属于变密度不可压缩流范畴,OpenFOAM中基于VOF的等温求解器无法使用正确的湍流模型。varRhoTurbVOF旨在解决这个问题,并希望在未来取代所有相应的现有求解器。通过面向对象的范例,varRhoTurbVOF保证了代码的可用性、可重用性和可维护性。除了湍流建模之外,原始解算器中的所有其他功能都保留在varRhoTurbVOF中。
2019-08-30 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Collapse of turbulence in optimised curved pipe flow
Institute of Fluid Mechanics (LSTM), Friedrich–Alexander–Universität (FAU) Erlangen–Nürnberg(埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学流体力学研究所)
通过增加流体轴向曲率和改变横截面形状,主动降低湍流摩擦,实验显示在Re_D=10000和20000时,湍流被抑制,压力损失减少53%和36%。
2026-04-25 physics.flu-dyn
Passive scalar transport in rotating turbulent channel flow
采用直接数值模拟的方法研究了展向系统旋转条件下槽道湍流中标量输运问题。雷诺数$Re = U_b h/ν$固定为$20\,000$,旋转数$Ro = 2 Ωh/U_b$在0至1.2之间变化,其中$U_b$是整体平均速度,$h$是半通道间隙宽度,$Ω$是旋转速率。标量值是恒定的,但在两个壁不同,导致稳定的标量输运通过通道。旋转导致不稳定的通道侧具有相对较强的湍流和湍流标量输送,以及稳定的通道侧具有相对较弱的湍流或层流,弱湍流标量输送,但大的标量波动和陡峭的平均标量梯度。在稳定通道侧的某些$Ro$处观察到的不同的顺磁层流模式在标量梯度场中诱导类似的模式。研究的主要结论是,旋转降低了标量和速度场之间的相似性,标量动量输运的雷诺类比不适用于旋转湍流槽道流。这是由速度和标量波动之间的相关性降低,并强烈减少湍流普朗特数小于0.2的不稳定通道侧远离壁在较高的$Ro$。在不稳定通道一侧,标量尺度变得比湍流尺度更大,根据光谱和湍流标量通量矢量变得更一致的平均标量梯度由于旋转。预算中的标量能量和标量通量的控制方程,以及其他相关的湍流建模统计。
2017-10-30 physics.flu-dyn
Object-oriented Pseudo-spectral code TARANG for turbulence simulation
在本文中,我们描述的设计和实现的TARANG,一个伪谱代码来模拟流体中的湍流,磁流体动力学(MHD),对流,被动标量等,我们使用C++的面向对象的功能来抽象的模拟中涉及的操作。TARANG已被验证并用于解决对流和MHD问题。
2011-03-13 nlin.CD physics.flu-dyn
Clustering of vertically constrained passive particles in homogeneous, isotropic turbulence
我们分析了小颗粒的动力学垂直限制,通过线性回复力,在一个水平的流体板在三维(3D)均匀各向同性湍流速度场移动。我们介绍和研究的模型可能是对小型水生生物动态的最简单描述,由于游泳,对其浮力的主动调节或任何其他机制,它们保持在海洋或湖泊自由表面以下的浅水平层中。通过改变回复力的强度,我们能够控制颗粒可以在其中移动的流体板的厚度。这使我们能够分析系统的统计特征,从完全3D不可压缩流(对应于无限制的情况)到对应于二维切片的极端限制的情况。背景三维湍流速度场的演变完全解决直接数值模拟的手段。当存在某种水平的垂直约束时,颗粒轨迹偏离流体示踪剂的轨迹,并且颗粒经历有效可压缩的速度场。在这里,我们已经量化的压缩性,颗粒的优先浓度,并通过改变回复力的强度的关联维数。主要的结果是,存在一个特定的值的力常数,对应于一个平均板深度约等于几倍的柯尔莫哥洛夫长度尺度,最大限度地提高颗粒的聚类。
2015-05-04 physics.flu-dyn
Profile of a coherent vortex in two-dimensional turbulence at static pumping
本文研究了在静态抽气情况下,有限箱中二维湍流逆级联的相干涡的速度分布。我们表明,在被动制度的平坦的速度分布实现,在抽运短时间相关的情况下。然而,在静态的情况下,大尺度的能通量取决于系统参数。我们证明了它与$f^{4/3}$成正比,其中$f$是激发湍流的特征力。
2017-11-07 physics.flu-dyn
Anomalous Dissipation in Passive Scalar Transport
本文研究了被动标量中流体动力学湍流的反常耗散。我们的主要结果产生了一个不可压缩的$C^\infty([0,T)\times \mathbb{T}^d)\cap L^1([0,T]; C^{1-}(\mathbb{T}^d))$速度场,明确表现出异常耗散。因此,该示例还示出了具有不可压缩的$L^1([0,T]; C^{1-}(\mathbb{T}^d))$漂移的输运方程的解的非唯一性,其除了在一个时间点处是平滑的。我们还提供了三个充分条件的反常耗散提供的解决方案的无粘方程成为奇异的控制方式。最后,我们讨论连接到Obukhov-Corrsin单分形理论的标量湍流以及其他潜在的应用。
2020-02-02 math.AP physics.flu-dyn
Mixing in modulated turbulence. Analytical results
最近的数值结果表明,如果标量混合的周期性强迫湍流,平均混合率直接影响强迫频率相比,积分湍流频率小。我们阐明这一点的分析研究,使用简单的湍流模型的光谱传输。在速度场的强迫作用上增加一个大的振幅调制,增强了能量传递,同时减少了标量传递。因此,将调制添加到随机搅拌方案将负面地影响混合速率。我们进一步推导出低和高强迫频率的被动标量在同一流动中的响应的渐近行为。
2016-11-03 physics.flu-dyn
An effective correction method for droplet volume conservation in direct numerical simulation of droplet-laden turbulence
Shandong University(山东大学);North University of China(中北大学);Southern University of Science and Technology(南方科技大学);Shandong Scitech Innovation Group Co., Ltd.(山东科创集团股份有限公司)
本文提出了一种改进的相场方程,通过引入曲率依赖的反扩散校正,实现液滴体积在湍流条件下的统计守恒,避免了传统方法的诸多问题。
2026-02-03 physics.flu-dyn
Fractal iso-contours of passive scalar in smooth random flows
本文研究了一个被动标量场在抽运、扩散和平流作用下的拉格朗日混沌光滑流。我们提出的理论论据表明,标量统计是不共形不变的,并制定新的有效的半解析算法来模拟标量湍流。然后,我们进行了大量的被动标量湍流的数值,重点是节线的统计。的分布轮廓的大小和周长被证明既不依赖于流量的实现,也不依赖于分辨率(扩散)规模$r_d$的规模超过$r_d$。在大于或小于抽运尺度$L$的尺度上,标量等值线是分形/光滑的。我们通过Löwner映射的驱动函数描述了长等值线弯曲的统计特性,表明它的行为类似于扩散,扩散率与分辨率无关,但最令人惊讶的是,依赖于速度实现和标量演化的时间。
2011-08-04 math-ph math.MP nlin.CD
Structure of coherent vortices generated by the inverse cascade of two-dimensional turbulence in a finite box
本文讨论了有限盒内二维湍流中逆叶栅产生的相干涡的结构和几何特征。我们表明,普遍的速度分布,建立以前,对应于被动制度的流量波动。我们发现的涡核半径和涡的大小,并认为,在盒子中产生的涡量取决于系统参数。
2015-11-10 nlin.CD physics.flu-dyn
Active turbulence and spontaneous phase separation in inhomogeneous extensile active gels
我们报告的非均匀的溶致性和可伸展的活性凝胶的流体力学的数值结果。通过模拟耦合的Cahn-Hilliard,Navier-Stokes和Beris-Edwards方程的组成,流动和取向顺序的一个活跃的星系的演变,我们问组成变化是否是重要的,以确定其紧急物理。正如在均匀组成的活性凝胶中一样,我们发现增加活性或降解趋势(例如,总的活性物质浓度)触发各向同性钝化相和活性二氢黄酮之间的转变。我们发现,组成的不均匀性是很重要的,在后一阶段,我们发现三种类型的可能的动力学制度。首先,我们观察到有缺陷和旋涡的规则图案:这些存在于被动-主动转变附近。第二,对于较大的活动,或更深的在α相,我们发现活跃的湍流,如在活性凝胶的组成均匀,但具有非常大的组成变化。在第三个政权,这是唯一与不均匀性,并发生大的反相趋势和低活性,我们观察到自发的微相分离成主动和被动域。微相分离制度是值得注意的,鉴于没有一个明确的分层长期在底层的自由能,我们使用,我们提供了一个理论分析的基础上的公切线建设,解释其存在。我们希望这种机制可以在未来进行实验探索。
2022-12-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Velocity statistics inside coherent vortices generated by the inverse cascade of $2d$ turbulence
本文分析了有限箱中二维($2d$)湍流中由于逆叶栅而产生的相干涡内的速度脉动。正如我们在\cite{16KL}中所证明的,在\cite{14LBFKL}中建立的通用速度剖面对应于流动波动的被动状态。利用该性质可以计算普适区域中速度涨落的关联函数。我们目前的计算结果表明,一个非平凡的缩放的结构功能。此外,计算还揭示了结构函数的强各向异性。
2016-09-04 physics.flu-dyn
Logarithmic scaling for fluctuations of a scalar concentration in wall turbulence
在壁湍流中,存在一个子层,在该子层中,平均速度和速度波动的方差随离壁的高度而变化。这种对数标度对于被动标量的平均浓度也是已知的。通过在实验室湍流边界层实验中使用热作为标量,本文证明了标量浓度波动方差的对数标度的存在。它是由附着在墙上的含能涡流模型再现的。
2017-11-16 physics.flu-dyn
Elastic turbulence in a curvilinear channel flow
我们报告了高分子量聚丙烯酰胺在高粘度水-糖溶剂中的稀聚合物溶液中的曲线槽流中的弹性湍流的详细定量研究。对平均速度和均方根速度以及速度梯度剖面的详细研究揭示了与弹性应力在通道上的不均匀分布有关的边界层的出现。特征边界宽度与Weissenberg数Wi无关,与通道宽度成比例,这是我们早期对不同流动几何形状的弹性湍流中的边界层的研究得出的。的外观的速度和速度梯度场的速度和速度梯度的关联函数中的边界层宽度的顺序的特征空间尺度的体积流表明,罕见的和强大的包裹过多的弹性应力,集中在边界层,喷射到体积流类似于被动标量混合中观察到的射流。最后,实验结果表明,尽管弹性湍流理论很好地解释了速度功率谱的急剧衰减,但它的主要预言之一,即弹性湍流整体流中归一化均方根速度梯度的饱和,在定性和定量上都与实验观测相矛盾。实验结果要求进一步发展的理论弹性湍流在有界容器中,类似于被动标量问题。
2011-08-19 nlin.CD physics.flu-dyn
Parametric Hamilton's equations for Lagrangian model for passive scalar gradients
在随机系统的瞬子方法中,本文对Hamilton方程的弧长参数化作了一个修正,使之能考虑任意的瞬子速度。本文的主要结果是:(1)将参数化的Hamilton方程推广到任意速度。(ii)修正了哈密顿量很小但有限的情况下的参数作用,以及它如何调整到概率密度函数(pdf)。(iii)利用噪声和传播子重整化改进了概率密度函数的瞬子近似。作为上述设置的应用,我们预测了湍流的拉格朗日模型中的被动标量梯度的统计,即标量梯度最近流体变形闭合(sgRFD)。
2020-05-19 physics.flu-dyn
Distributed chaos and isotropic turbulence
分布混沌的功率谱可用指数函数的加权叠加来表示,其收敛于拉伸指数$\propto \exp-(k/k_β)^{β}$。为了估计各向同性湍流的$β$值,发展了一种渐近理论。已发现该值为$β=3/4$。不仅对速度场,而且对无源标量、能量耗散率和磁场的直接数值模拟的数据,在这个理论和数据之间建立了极好的一致性。我们可以得出结论,各向同性湍流出现的分布混沌。
2016-01-11 nlin.CD 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
Chaos and turbulence in bubbly flows
直接数值模拟和实验室实验的结果已被用来表明,浮力驱动的泡状流在高气体体积分数混合的确定性混沌与典型的指数谱的液体动能,而在中小气体体积分数下,则是分布混沌(湍流或伪湍流)由螺旋度分布的三阶和二阶矩控制,具有动能的拉伸指数谱。从这个观点出发,结合压水堆的应用,讨论了气泡与各向同性(在主动网格后面)和近壁湍流的相互作用。
2022-04-28 physics.flu-dyn
Geometric features of the mixing of passive scalars at high Schmidt numbers
被动标量的混合减少扩散,平流在每种情况下由相同的三维Navier-Stokes湍流,进行了研究。随着扩散率的降低,混合变得更加各向同性。最陡的负和正标量梯度附近的局部流动一般是不同的,其行为进行了研究的标量扩散率的各种值。混合接近单分形性质,扩散性逐渐减小。我们认为这些结果的背景下,可能的奇异性的标量耗散。
2003-09-04 astro-ph nlin.CD physics.flu-dyn