Analysis of vortex breakdown in an enclosed cylinder based on the energy gradient theory
对封闭圆柱内的旋涡破裂现象进行了数值模拟研究。利用能量梯度理论，考虑了离心力、科氏力、角动量和方位涡量的影响，对圆柱内的涡破裂进行了解释。研究结果表明，能量梯度函数K的大值主要位于中心线以及圆柱两侧的循环涡与中心线处的涡破裂气泡之间的区域。发现中心线处能量梯度函数K的局部峰值位置对应于涡破裂的首次发生位置。K函数在水平方向上的局部峰值位置对应于除中心线以外的速度拐点。在低展弦比情况下，涡破裂主要取决于中心线处的高K值。圆柱体两侧环流涡与中心线涡破裂气泡之间的高K值区的影响随长径比的增大而增大。对于大展弦比，圆柱体两侧的循环涡与中心线处的涡破裂泡之间的高K值区域可能影响涡破裂泡的发生和发展。
2018-08-15 nlin.CD physics.comp-ph physics.flu-dyn
Advective balance in pipe-formed vortex rings
本文用数值方法研究了在一定雷诺数$\mathrm{Re}$和冲程直径比$L/D$范围内，活塞管装置产生的轴对称涡环中的涡量分布。结果表明，在被分割流线包围的区域（称为涡环泡）内达到了一种平流平衡状态，即$ζ\equiv ω_ϕ/r \approx F(ψ, t)$。这里$ζ\equivω_ϕ/r$是方位涡度与圆柱半径的比值，$ψ$是环坐标系中的斯托克斯流函数。通过引入缩放时间$τ= νt$，可以捕获$F(ψ, t)$的时间演化中的一些但不是全部的$\mathrm{Re}$依赖性，其中$ν$是运动粘度。当为$νt/D^2 \gtrsim 0.02$时，$F(ψ)$的形状由$ψ$中的线性分量支配，二次项的系数小一个数量级。一个重要的特征是，当接近分割流线（$ψ= 0$）时，$F(ψ)$趋向于非零截距，这表现出额外的$\mathrm{Re}$依赖性。这一点和其他功能的解释由一个简单的玩具模型组成的一维圆柱扩散方程。模型中导致额外的$\mathrm{Re}$依赖性的关键因素是罗宾型边界条件，类似于牛顿冷却定律，它解释了分割流线处的边缘层。
2017-12-16 physics.flu-dyn
Vortex breakdown and its topologies in turbulent flows within a typical swirl combustor geometry
Indian Institute of Technology (ISM) Dhanbad（印度理工学院（ISM）丹巴德）；Indian Institute of Technology Delhi（印度理工学院德里分校）
本文通过大涡模拟研究旋流燃烧室中湍流中涡旋破裂的拓扑结构，确定了关键值和拓扑图以预测和解释涡旋破裂状态。
2026-02-22 physics.flu-dyn
Alteration of helical vortex core without change in flow topology
细长涡核随流动拓扑结构变化而突然膨胀通常称为涡破裂。我们提出了一个新的实验观察的螺旋涡核壁有界湍流的核心尺寸突然增长，但没有改变流动拓扑结构的改变。尽管涡核的螺旋对称性的特征参数在非均匀压力梯度的影响下从平滑的线性变化转变为不同的趋势，但螺旋对称性本身被保留，从而导致螺距增加而不改变其符号。
2019-06-14 physics.flu-dyn
Reconnections of Vortex Loops in the Superfluid Turbulent HeII. Rates of the Breakdown and Fusion processes
涡环的合并与破裂动力学是整个涡缠结动力学的重要组成部分。另一部分是个别线的运动，在存在摩擦力和施加的外部速度场（如果有的话）的情况下服从毕奥-萨伐尔定律。在目前的工作中，我们评估的重连率$A(l_{1},l_{2},l)$和$B(l,l_{1},l_{2})$的系数。数量$A$是当长度为$l_{1}$和$l_{2}$的两个循环碰撞并形成长度为$ l=l_{1}+l_{2}$的单个循环时事件的数量（每单位时间和每单位体积）。数量$% B(l,l_{1},l_{2}) $描述了当长度为$l$的单个循环分解为长度为$ l_{1}$和$l_{2}$的两个子循环时的事件速率。这些量被评估为在时刻$t$连接$ξ_{2}$和$ ξ_{1}$的环上的两个点的向量$\mathbf{S}%_{s}(ξ_{2},ξ_{1},t)$的零的平均数。单个环的统计数据取自涡旋缠结的高斯模型。PACS-number 67.40
2005-05-18 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.supr-con
Breakdown of the large-scale wind in Γ=1/2 rotating Rayleigh-Bénard flow
圆柱形样品中旋转Rayleigh-Bénard对流的实验和模拟表明，随着旋转速率的增加，热传输增加。这种热传输的增强是密切相关的过渡在湍流结构从一个政权占主导地位的大尺度环流（LSC），由一个单一的对流卷，在没有或弱旋转的政权占主导地位的垂直排列的旋涡在强旋转。对于具有纵横比Γ= D/L = 1（D是样品直径，L是其高度）的样品，两种状态之间的过渡由LSC强度的强烈降低指示。相比之下，对于r = 1/2，Weiss和Ahlers [J. Fluid Mech. { \bf{688} }，461（2011）]揭示了在临界旋转速率之外存在类似LSC的侧壁温度特征。他们认为，这可能是由于形成了双涡状态，其中一个涡从底部垂直延伸到样品内部并带来温暖的流体，而另一个涡从顶部带来冷流体;这种流场将产生类似于LSC的侧壁温度特征。在这里，我们通过直接数值模拟（r = 1/2）和允许与实验直接比较的参数表明，对流单体中垂直排列的旋涡结构的空间组织确实产生（对于时间平均值）侧壁附近温度的正弦变化，如实验中所发现的。这也是与Γ=1样本的本质和重要差异，其中垂直对齐的涡流随机分布。
2012-11-15 physics.flu-dyn
Generation and Breakdown of Surface Streaks in Wind-Driven Aqueous Flow
本文用一个随时间发展的具有加速表面漂移速度的边界层模式分析了风应力驱动水流中的旁路转捩方案。模型的参数被选择为模仿波浪水槽实验，参考风速为5 m/s。为了研究孤立的边界层过程，采用了一个平坦的自由表面，它抑制了波浪的产生。首先，首选的初始扰动，其中边界层是最敏感的使用线性非正常增长理论。这些扰动被布置为位于自由表面附近的流向恒定涡对。随后，直接数值模拟初始化这些最佳扰动和流向条纹的产生。高速条纹渗透到更深的水层，并经历蜿蜒的不稳定性，让人想起在壁面有界流动中低速条纹上发展的不稳定性。条纹不稳定性引起的横向波动在自由表面，这非常类似的染料图案在风浪池实验波发病前。本分析提供了这些实验观察的理论背景。
2020-12-20 physics.flu-dyn
Stability of vortex lattices in rotating flows
CNRS-CONICET-UBA, Institut Franco-Argentin de Dynamique des Fluides pour l’Environnement (IFADyFE)（法国-阿根廷环境流体动力学研究所）
本研究通过数值模拟探索三维旋转流动中涡旋晶格的动力学稳定性，发现其稳定性为无记忆随机过程，平均寿命敏感依赖系统参数，可形成类似临界系统的长寿命亚稳态，为行星大气涡旋模式提供见解。
2025-10-07 physics.flu-dyn
From vortices to forces - a data-driven framework for unsteady lift generation in three-dimensional vortex-dominated flows
本研究针对高雷诺数三维涡主导流动中涡结构与瞬态力的因果关联难题，以突启动转子叶片为对象，结合直接数值模拟与力分解方法提出量化涡对升力影响的指标，构建了非定常力归因的数据驱动框架。
2025-07-30 physics.flu-dyn
Modeling of Hydroacoustic Noise from Marine Propellers with Tip Vortex Cavitation
本研究通过大涡模拟与空化模型及声类比，研究船用螺旋桨梢涡空化湍流，发现空化增强水下辐射噪声，尤其下游方向声压级增加达20分贝。
2024-05-24 physics.flu-dyn
Vortex interaction with a rough wall formed by a hexagonal lattice of posts
本文报道了一个直径为D（ReΓ= 3000）的层流涡环与由高度h*=0.068的圆柱组成的类法克尔表面的迎头碰撞的实验研究。六边形和随机分布的柱的晶格（层中的平均孔隙率e = 0.94）相对于普通壁彼此进行比较。在碰撞前，涡环发展出不同模态数N=5-7相互竞争的自然方位不稳定性的早期状态。当与粗糙壁碰撞时，观察到次级环被向外推，并且不像在平壁碰撞中那样缠绕在初级环周围。在两个相反符号的涡环之间，诱导了强烈的流体反弹。六角晶格导致进一步的二次涡结构的快速增长，在一个规则的模式数N=6的安排在主环的外边缘的形式的六个瓣，这是对齐的优先途径在层中的取向。在叶片的外尖端处产生径向壁射流。围绕撞击中心旋转苦行僧几何形状也相应地旋转射流的位置和方向。具有相同平均数密度的柱的随机晶格的表面不能重复该观察，并且在环完全破裂之前看不到规则的二次流动图案。结果表明，定制的安排，这样的职位，可用于近壁流动控制时，在职位层中的首选路径的模式锁定与现有的不稳定模式，如在冲击射流或湍流边界层流。
2018-02-17 physics.flu-dyn
Speaker-wire vortices in stratified anabatic Prandtl slope flows and their secondary instabilities
静止的纵向涡卷出现在下降和上升普朗特斜坡流由于流剪切的浮力的法向分量的优势。在这里，我们进一步确定这些纵向辊的自配对作为一个独特的流动结构。反向旋转涡对的拓扑结构与扬声器线有着惊人的相似之处，它们之间的相互作用是流场进一步不稳定和分解成更小结构的前兆。就其本身而言，扬声器线涡流保持其独特的拓扑结构，而没有任何涡流重连或分裂。对于一个固定的倾斜角$α=3^{\circ}$和在一个恒定的普朗特数，我们分析了扬声器线涡的饱和状态，并进行了双全局线性稳定性分析的基础上，他们的平稳状态。我们建立的基础和次谐波二次不稳定性依赖于扬声器线涡的基态的流通和横向波长的存在。相对于基本模式的次谐波模式的优势，有助于解释一个单一的涡对的相对稳定性相比，在存在两个或偶数对的涡动力学。这些不稳定模式是必不可少的弯曲和合并的多个扬声器线涡，打破，导致更多的动态不稳定状态，最终铺平了道路过渡到湍流。通过直接数值模拟，我们能够跟踪这些不稳定性的非线性时间演化证明了这个过程。
2022-06-03 physics.flu-dyn
Rather than drafting, vortex capture dictates efficiency in three-hydrofoil schools
Lehigh University（利哈伊大学）；University of Virginia（弗吉尼亚大学）；Brown University（布朗大学）；University of California, Riverside（加州大学河滨分校）
研究通过三维实验探讨三片水翼学校集体推力与效率提升机制，发现紧凑结构中涡旋捕获效应显著，而非传统划桨策略，且需主动控制维持高效性能。
2026-04-22 physics.flu-dyn
Tip-leakage-flow excited unsteadiness and associated control
本研究采用分区大涡模拟探究涡轮机械叶尖泄漏流自激非定常性的机理，揭示其由涡分离、泄漏射流与主流相互作用诱发，提出微偏移叶尖设计可有效抑制该非定常性及相关压力脉动。
2024-05-16 physics.flu-dyn
Characterizing Intraventricular Flow Patterns via Modal Decomposition Techniques in Idealized Left Ventricle Models
本研究通过CFD模拟结合POD、HODMD模态分解技术，分析两种理想化左心室几何结构的舒张期涡环演化，揭示几何形态对血流动力学及数据驱动分析工具有效性的影响，助力心血管疾病诊疗相关的流动指标研究。
2025-07-29 physics.flu-dyn
Connecting shear-flow and vortex array instabilities in annular atomic superfluids
本研究通过构建反向旋转的原子超流构型，观测到剪切层演化为量子化涡旋阵列再卷绕成团簇的过程，验证了不同超流体系下不稳定性增长率的统一标度关系，建立了涡旋阵列与剪切流不稳定性的关联，为量子非平衡现象研究提供了新途径。
2024-04-15 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.flu-dyn
Filamentary Surface Plasma Discharge Flow Length and Time Scales
纳秒表面介质阻挡放电（ns-SDBD）是一类等离子体致动器，其利用两个表面安装的电极之间的纳秒持续时间的高压脉冲来产生空气的电击穿以及快速加热。这些致动器在高脉冲频率下工作时通常会产生多个细丝，并且快速加热会导致激波和复杂流场的形成。在这项工作中，我们复制了一个单一的细丝的ns-SDBD和特征的诱导流使用粒子图像测速和密度测量从背景导向纹影的速度测量。放电是由丙烯酸基底上的两个铜电极之间的高压电脉冲产生的。热气核表征了靠近电极形成的流场，其随着时间的推移而膨胀和冷却，以及涡环，其远离表面传播，同时夹带冷的环境流体。内核内的气体密度赤字随时间呈幂律衰减。根据观测结果，我们建立了一个基于涡驱动冷却的简化理论模型，并进行了标度分析，以获得诱导流长度和时间尺度。结果表明，冷却过程的时间尺度与涡环的环流时间尺度相对应，核的长度尺度与涡环半径相对应。这些研究结果可以指导选择最佳的灯丝间距和脉冲频率的设计，部署和操作的纳秒表面介质阻挡放电（ns-SDBDs）的流量控制。
2020-10-16 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Solitary wave structure of transitional flow in the wake of a sphere
Faculty of Mechanical Engineering, Zhejiang Sci-Tech University（浙江理工大学机械工程学院）；School of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power（浙江水利水电学院机械工程学院）；School of Mechanical Engineering, Hangzhou Dianzi University（杭州电子科技大学机械工程学院）
研究过渡流中孤立波结构的形成与演化，通过数值模拟发现其在湍流过渡早期以波包形式出现，并在雷诺数增加时达到最大振幅，与边界层湍流现象有相似之处。
2026-04-08 astro-ph.GA math.AP nlin.CD
