Emerging mesoscale flows and chaotic advection in dense active matter
本文通过研究二维过阻尼自推进圆盘模型，发现稠密活性流体中由拥挤效应与持续推进竞争所驱动的介尺度混沌平流，揭示了一种区别于其他活性系统集体流动的新型活性湍流。
2023-06-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Frontiers of chaotic advection
这项工作回顾了目前的立场和调查未来的观点在物理学的混沌平流：该领域出现在三十年前的流体力学和非线性动力学的交叉点上，它涵盖了一系列长度范围从微米到数百公里的应用，包括各种系统，如粘性流体的混合和热处理，微流体，生物流动，以及海洋和大气流动。
2017-06-14 cond-mat.soft math.DS nlin.CD
Measures of mixing quality in open flows with chaotic advection
我们解决的混合效率的评价在开放的流动通道内的混沌混合实验。由于开放流连续地将新的流体带入有限的混合区域，因此难以定义相关的混合指数，因为流体颗粒通常经历非常不同的拉伸和混合历史。一点染料的反复拉伸和折叠导致了一个持久的图案。我们建议，该特征模式的归一化标准差是一个很好的措施的混合质量的流。我们讨论了这种措施和连续注入染料的混合之间的联系，并调查它使用一个理想化的地图。
2010-11-03 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
Turbulent-laminar patterns in plane Poiseuille flow
通过直接数值模拟，在一个倾斜的和平移的计算域中使用并行版本的伪谱代码的湍流层流带状图案在平面Poiffille流进行了研究。通过瞬时和时间平均模式的流向涡的3D可视化，以及平均速度场和湍流动能的2D可视化。雷诺数从2300下降到700的模拟表明，从均匀湍流逐渐发展到Re=1900附近的波长为20的半间隙模式，Re=1300附近的波长为40的模式，最后到Re=800附近的层流。这些转变是通过使用傅里叶变换的振幅和相位及其概率分布的诊断来定量跟踪的。流型的传播速度近似于平均通量的传播速度，并且是雷诺数的递减函数。检查的时间平均流表明，湍流带与两个反向旋转的细胞堆叠在交叉通道方向和湍流是高度集中的墙壁附近。在壁面附近，雷诺应力使流体加速通过湍流带，而粘性使其减速;层流剖面的平流作用在两个方向上。在中心，雷诺应力使流体通过湍流带减速，而层流剖面的平流使其加速。这些特征与平面Couette流中的顺层流带状图案进行了比较。
2015-01-18 physics.flu-dyn
Chaotic Advection near 3-Vortex Collapse
本文研究了由三个不同符号的点涡产生的一类流动中示踪平流的动力学和统计特性。然后，所有三个涡流都可能坍缩到一个点。示踪剂动力学分析的庞加莱截面的数值构造，并发现是强烈的混乱：平流模式的涡度中心周围的区域是由一个发达的随机海，它的增长作为涡系统接近崩溃的主导地位;在同一时间，规则运动的岛屿周围的涡，被称为涡核，收缩。根据涡核相互接近的最小距离，得到了涡核半径的估计。示踪剂运输被发现是异常的：对于所有的三个数值研究的情况下，示踪剂分布的方差增长速度比时间的线性函数，对应于一个超扩散制度。输运指数随时间的变化而变化，这意味着多重分形输运特征的存在。然而，它的值永远不会离3/2太远，表明某种普遍性。庞加莱递归的统计是非泊松的：分布有很长的幂律尾。示踪剂统计的异常性质是平流相空间的复杂结构的结果，特别是，在混沌和规则运动的区域之间的边界上的强粘性。分析了不同相空间结构在这一现象中的作用。基于此分析，动力学的描述，它考虑到不同的时间和空间尺度，通过使用分数方程。
2006-02-20 nlin.CD physics.flu-dyn
Discontinuous transition to active nematic turbulence
Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）；University of Cape Town（开普敦大学）；Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden（德累斯顿工业大学生命物理卓越集群）；Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）；Universitat de Barcelona Institute of Complex Systems (UBICS)（巴塞罗那大学复杂系统研究所）；Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA)（加泰罗尼亚研究高级学院）
研究发现无约束条件下活性取向流体的湍流过渡是不连续的，通过模拟发现活动性参数A*≈4900时出现突变，且存在双稳性和滞后效应。
2026-01-07 cond-mat.soft nlin.CD physics.bio-ph
Chaotic advection in a steady three-dimensional MHD flow
Université de Lorraine（洛林大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；Inria（法国计算机科学与控制研究所）；IECL（洛林计算与控制实验室）
本文研究了立方腔内由洛伦兹力驱动的弱导电流体三维稳态流动，通过叠加不同环流单元并结合Poincaré截面等方法分析，发现流动叠加能产生混沌流线从而实现高效混合。
2025-11-03 nlin.CD physics.comp-ph physics.flu-dyn
Advection and diffusion in a three dimensional chaotic flow
通过整体拉格朗日坐标变换研究对流扩散方程。拉格朗日坐标的度量张量将动力系统理论严格耦合到这类偏微分方程的解中。如果流动具有混沌流线，则扩散将在临界时间处主导解，该临界时间与扩散率成比例。随后的快速扩散弛豫是在几个李雅普诺夫时间的顺序上完成的，并且扩散系数越小，它变得越各向异性。流的局部李雅普诺夫时间是有限时间李雅普诺夫指数的倒数。有限时间的李雅普诺夫指数可以用两个收敛函数来表示，这两个收敛函数是对流和扩散传输的时空复杂性的原因。这种复杂性在混沌区域中给出了一类新的扩散势垒，并且在空间和时间上都具有分形行为。在有剪切的可积流中，也存在快扩散和慢扩散。但与混沌流不同的是，由于可积流中的快速扩散被严格限制在KAM曲面内，因此KAM曲面上的标量场可以保持很大的梯度。
1998-03-18 chao-dyn math-ph math.MP
From laminar to chaotic flow via stochastic resonance in viscoelastic channel flow
本研究针对粘弹性槽道流中低强度弹性波下的层流-混沌流转变难题，发现转捩区存在两个子区域，低Wi区出现类随机共振的周期性尖峰驱动转捩，高Wi区弹性波自组织实现混沌转变，揭示了新的转捩机制。
2024-04-15 physics.flu-dyn
Measures of Chaotic Advection in Simulations of Active Nematics
University of California, Merced（加州大学默塞德分校）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
本研究通过对比两种连续介质模型，验证了增强向列相锁定（BENL）模型能更准确重现基于微管的活性向列相流体中由拓扑缺陷编织运动引起的混沌平流自混合度量。
2026-10-01 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
The distribution of "time of flight" in three dimensional stationary chaotic advection
研究了5种不同的3D稳态混沌混合器的“飞行时间”（单个流体粒子在庞加莱截面的两个交叉点之间所花费的时间）的分布。最重要的是，我们研究了这些分布的大尾巴，并表明，主要遇到两种类型的行为。在滑动壁的情况下，正如预期的那样，我们得到一个指数衰减，然而，不与李雅普诺夫指数的规模。使用一个简单的模型，我们建议，这种衰减是有关的流动的不动点的负特征值。当考虑无滑移墙时，正如模型所预测的那样，行为完全不同，具有非常大的尾部，遵循指数接近-3的幂律。
2015-07-29 physics.flu-dyn
Reacting particles in open chaotic flows
本文研究了具有混沌平流的开放流中粒子的碰撞概率$p$。我们发现，$p$尺度与颗粒大小$δ$作为幂律，其系数是由定义的平流动力学不变集的分形维数。我们还认为，这种相同的缩放也适用于活性粒子的反应速率在低密度制度。这些分析结果进行了比较，数值模拟，我们发现非常好的协议与理论预测。
2012-01-26 nlin.CD physics.flu-dyn
Chaotic Advection at the Pore Scale: Mechanisms, Upscaling and Implications for Macroscopic Transport
饱和多孔介质中溶质羽流的宏观扩散和混合最终由孔隙尺度的过程控制。虽然孔尺度的机械分散和分子扩散导致持久的流体动力学分散的传统图片是公认的，这种范式本质上是二维（2D）的，忽略了重要的三维（3D）现象。我们讨论了如何在孔隙尺度稳定的三维流动的运动学产生混沌平流，涉及指数拉伸和折叠的流体元素，它的产生机制和影响的微观混沌宏观分散和混合。由于拓扑约束，这些现象在稳定的2D流动中被禁止，由于所有3D多孔介质固有的拓扑复杂性，这些现象是普遍存在的。因此，三维多孔介质流动产生了与二维流动完全不同的流体变形和混合过程。混沌平流和广泛的过境时间分布的相互作用，可以纳入一个连续时间随机游走（CTRW）框架来预测宏观溶质混合和扩散。我们展示了如何通过流体变形的CTRW模型将这些结果推广到真实的多孔结构，从而产生宏观分散和混合的随机模型，这些模型既尊重孔隙尺度运动学，又直接取决于孔隙尺度层析成像。
2016-02-17 physics.flu-dyn
Memory effects in chaotic advection of inertial particles
系统地研究了历史力对重、轻粒子平流的影响。一般的关系，以确定参数区域的历史力预计是可比的斯托克斯阻力。作为一个说明性的例子，一个典型的二维流，冯卡门流。对于小的（但不是非常小的）粒子，所有研究的动力学性质都在很大程度上取决于记忆的存在，与无记忆的情况相比：历史力产生了一个相当不平凡的动力学，似乎削弱了（但不是抑制）惯性效应，它增强了粘度的整体贡献。我们探索的参数空间跨越的颗粒大小和密度比，并发现一个较弱的趋势，积累在吸引子和焦散线的形成。瞬态的李雅普诺夫指数随记忆的增加而增大。周期吸引子被发现有一个非常缓慢的，$t^{-1/2}$型收敛到渐近形式。我们发现，快照吸引子的概念是有用的，以了解这种缓慢的收敛：粒子的合奏指数快速收敛到一个快照吸引子，经历了很长一段时间的缓慢转变。
2014-07-24 nlin.CD physics.flu-dyn
Laminar gaps mirror turbulent puffs in pipe flow
Technion Israel Institute of Technology（以色列理工学院）；University of Warwick（华威大学）
该研究通过直接数值模拟发现，管道流中Re≈2900以下的层流间隙是与湍流泡类似的独特动力学状态，由剪切自调节机制稳定，寿命呈指数分布，其消失对应时空均匀湍流的起始。
2026-08-06 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Numerical simulation and analysis of mixing enhancement due to chaotic advection using an adaptive approach for approximating the dilution index
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg（埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学）；Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
本文提出了一种自适应方法用于近似稀释指数，以研究混沌对流引起的混合增强，通过分析源-汇偶极子和旋转势能混合系统，展示了混合增强与扩散的重要性。
2026-01-28 physics.flu-dyn
Speed and structure of turbulent fronts in pipe flow
采用广泛的直接数值模拟，研究了雷诺数介于$Re=2000$和$5500$之间的管流层流湍流锋面的动力学。在这里，我们调查的物理区别弱和强段塞的前都通过分析湍流的动能预算，并通过比较的下游前运动的平流速度散装湍流结构。我们的研究表明，弱下游锋的速度比湍流结构的散装和对应的衰减湍流在前面。在$Re\simeq 2900$，下游锋速度变得比平流速度快，标志着强锋的开始。与弱锋面相反，湍流涡旋是在强锋面上通过对下游层流的馈送而产生的。我们的研究还表明，在下游层流湍流锋的生产和耗散的时间波动驱动的动态开关之间的两种类型的前观察到$Re\simeq 3200$。
2017-01-05 physics.flu-dyn
Identifying efficient routes to laminarization: an optimization approach
University of Wisconsin--Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本研究提出了一种非线性优化方法，用于识别触发湍流过渡和层流化所需的最小扰动，揭示了层流化路径与混沌边缘周期轨道流形的关系。
2025-12-10 nlin.CD physics.flu-dyn
Emergent scar lines in chaotic advection of passive directors
我们研究了由二维流体流平流的细长纤维的取向的空间场。这些被动指向矢的定向场在广泛的工业和地球物理流中是重要的。在混沌流中，我们引入了作为被动指向矢取向场中主导相干结构的涌现痕线。以前的工作已经确定了疤痕线的存在，其中方向在短距离内旋转π，但随着时间的推移，被确定的线消失了。其结果是，早期的工作集中在拓扑奇点的方向领域，我们发现在很长一段时间内发挥的作用可以忽略不计。我们使用的标准映射作为一个简单的时间周期二维（2D）流，产生拉格朗日混沌。这类流动产生持久的模式，被动标量平流，我们发现，一种不同的持久模式的发展中的被动导演方向场。我们确定的机制，紧急疤痕线增长，以主导这些模式在很长一段时间内在复杂的流量。在流体元素最近的拉伸垂直于先前的拉伸的地方形成了浮现的疤痕线。因此，这些疤痕线可以用它们的年龄来标记，定义为它们的拉伸达到最大值的时间。
2017-12-04 physics.flu-dyn
Signatures of fractal clustering of aerosols advected under gravity
在混沌平流作用下的气溶胶常常接近一个奇异吸引子。它们在这个分形集上无序地运动，但在重力存在的情况下，它们有一个向下的净垂直运动。在实际情况中，可能只有在某一特定水平，例如在地面水平，才能获得观测数据。我们揭示了两个分形签名的混沌平流气溶胶重力作用下。每一个使计算的分形维数$D_{0}$的奇异吸引子管理的平流动力学仅在一个给定的水平获得的数据。我们用数值实验说明了我们的理论研究结果，并讨论了它们与气象学的可能相关性。
2007-06-15 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Chaotic Mixing in Three Dimensional Porous Media
RMIT University（皇家墨尔本理工大学）；Spanish National Research Council (IDAEA-CSIC)（西班牙国家研究委员会（IDAEA-CSIC））
研究三维多孔介质中混沌对流与分子扩散的相互作用，揭示其对混合动力学的影响，并提出新的连续时间随机游走模型来量化微观混合过程。
2016-02-17 physics.flu-dyn
Nonlinear dynamics of a chemically-active drop: from steady to chaotic self-propulsion
单个化学活性液滴悬浮在表面活性剂溶液中，观察到自推进自发直线，螺旋形，或混乱的轨迹。为了阐明这些滴可以表现出如此惊人的不同的动力学和“决定”做什么，我们提出了一个最小的轴对称模型的球形主动滴，并表明，简单和线性的界面特性可以导致稳定的自推进液滴以及混沌行为。该模型包括两种不同的流动性机制，即，扩散电泳和马兰戈尼效应，将自生的表面活性剂浓度梯度转化为液滴表面的流动。反过来，表面驱动流启动表面活性剂平流，这是唯一的非线性机制，因此，在我们的模型中的动力学复杂性的唯一来源。对完全耦合的水动力和平流扩散问题的数值研究表明，强平流（例如，大的液滴尺寸）可以使稳定的自推进液滴不稳定;一旦不稳定，液滴自发地停止并且出现对称的可延伸流。如果平流与分子扩散相比甚至进一步加强，则液滴可以进行混沌振荡。我们的研究结果表明，这些不稳定性的阈值在很大程度上取决于扩散电泳和Marangoni效应之间的平衡。使用线性稳定性分析，我们表明，diffusiophoresis促进发病的高阶模式的单调不稳定的静止滴。我们认为，扩散电泳有一个移动的下降的不稳定性类似的效果。
2019-01-08 physics.flu-dyn
Advection-Diffusion in Lagrangian Coordinates
对流-扩散方程可以近似为拉格朗日坐标系中沿流体元素（稳定流形）的压缩方向的一维扩散方程。对于具有混沌轨迹的速度场，这个结果在任何维数下都成立，误差与扩散率的平方根成正比。一段时间后，一维方程变得无效，但到那时，标量方差的大部分已经衰减。
2003-01-27 nlin.CD physics.flu-dyn
Advection of nematic liquid crystals by chaotic flow
考虑了非均匀剪切流（包括规则和混沌）对平面几何结构中双折射液晶的影响。耦合到一个外部规定的流场的朗道-德Gennes方程是研究的基础：这是在一个周期性的空间域数值求解。重点是在一个有限的情况下，平流是被动的，这样的液晶特性的变化不反馈到方程的流体速度。用于分析结果（有和无流量）的主要工具是识别无流量的动力学方程的不动点，当引入流量时，这些不动点是相关的（在不同程度上）。固定点被分类为稳定/不稳定，并进一步分为单轴或双轴。因此，被动剪切流的各种模型进行了研究，主要集中在翻滚是从模型缺席的情况下。在这种情况下，不仅要考虑$Q$张量的平流，而且要考虑其相对于当地涡度场的共旋。因此，只有双轴固定点生存的$Q$-张量动力学的解决方案下施加的一般流场。对于某些沿轨迹的共旋效应可以有效地忽略的流动，两族固定点都存在。在这种情况下，该系统表现出粗化停滞，由此液晶域被"冻结"到流动结构中，因此其尺寸的生长受到限制。结果（双轴最终状态或两个家庭的固定点的混合物）可以理解的流动的时间和长度尺度，通过共同旋转的衍生物表现出来。一些考虑也给出了具体的情况下，翻滚是存在的，在这里，流动有很强的影响，液晶形态。
2017-07-19 physics.flu-dyn
Chaotic Mixing in a Torus Map
研究了二维环面上被动标量的平流和扩散。该映射是混沌的，并考虑了几乎均匀拉伸的极限。这允许从恒定标量方差（短时间）到指数衰减（长时间）的过渡的分析理解。这种转变体现在一个短暂的超指数衰减阶段。指数阶段的渐近状态是对流扩散算子的本征函数，其中大部分标量方差集中在小尺度上，即使大尺度模式设置衰减速率。超指数阶段的持续时间与指数衰减率的对数成正比;如果衰减足够慢，那么根本就没有超指数阶段。
2003-02-25 math.DS nlin.CD 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
A spotlike edge state in plane Poiseuille flow
本文利用边缘跟踪技术在$Re=1400$和$2180$上研究了平面泊氏流动中的层流湍流边界。对于大的计算区域，层流-湍流边界中的吸引态在展向和流向上是局部化的，并且是混沌的。
2014-08-29 physics.flu-dyn
Quenching of flames by fluid advection
我们考虑一个简单的标量反应对流扩散方程的点火型非线性和讨论以下问题：什么样的速度剖面是能够淬火任何给定的火焰，提供了足够大的速度的振幅？即使对于剪切流，答案也是令人惊讶的微妙。如果速度分布在空间中变化，使得它在任何地方都是恒定的（或者如果它仅在小尺度区域中是恒定的），那么流动可以抑制任何初始数据。但是，如果速度分布在一个相当大的区域内是恒定不变的，那么随后的流动就不能熄灭足够大的火焰，不管这个速度的幅度有多大。恒定区的宽度必须大于两个层流传播波前的宽度。证明使用了一个线性偏微分方程相关的非线性问题和淬火遵循时，偏微分方程是亚椭圆。所使用的技术允许推导新的，几乎最佳的速度上的行波解决方案的界限。
2000-06-15 math.AP nlin.CD 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
Three dimensional chaotic advection by mixed layer baroclinic instabilities
通过数值模拟经历斜压不穩定的纬向通道中自由发展的混合层锋，计算了三维有限时间李雅普诺夫指数。三维FTLEs显示出复杂的结构，具有比二维（2D）FTLEs定义更少的特征，这表明搅拌不局限于涡流的边缘和沿细丝，并对混合产生显著影响。观察到的FTLEs的大小强烈地由垂直切变决定。假设热成风平衡，导出了与局部FTLE和用于初始化ML锋的非局部密度对比度相关的标度律。标度律只收敛到密度跃层内的模拟发现的值，而它显示ML内的差异，其中的不稳定性显示了大的非地转分量。二维和三维FTLE的概率分布函数被发现是非高斯在所有深度。在ML中，FTLEs波数谱显示-1斜率，而在密度跃层中，FTLEs波数谱显示-2斜率，对应于锋面动力学。近地表测地线拉格朗日相干结构（LCS）揭示了一个复杂的搅拌结构，与椭圆形结构分离的锋区。在密度跃层中，LCS能够检测到欧拉场未捕获的非线性结构。
2016-03-11 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Laminar drag reduction in surfactant-contaminated superhydrophobic channels
本文通过长波理论建立一维模型，系统分析了可溶性表面活性剂对超疏水通道层流减阻的影响，并绘制参数空间图谱以指导优化设计。
2023-03-27 physics.flu-dyn
Natural Groundwater Systems Can Display Chaotic Mixing at the Darcy Scale
虽然稳定的各向同性达西流本质上是层流和非混合的，但众所周知，通过工程泵送方案的瞬态强迫可以引起地下水中的快速混沌混合。在这项研究中，我们探讨了这种混合的倾向，出现在自然地下水系统的周期性强迫，如潮汐或季节性影响。使用传统的线性地下水流模型的潮汐强迫，我们表明，在一定条件下，这些流量产生拉格朗日运输和混合现象（混沌平流）的潮汐边界附近。我们发现，含水层的异质性，storativity，和强迫的大小造成逆转的流动方向的强迫循环，反过来，产生连贯的拉格朗日结构和混乱。这些功能显着增强流体的混合和运输，导致异常的停留时间分布，流动分离，并深刻改变反应动力学的潜力。我们定义的无量纲参数组，管理这种现象，并探讨这些群体与一组特征良好的沿海系统。在现场研究中，必须认识到拉格朗日混沌在放电边界附近存在的可能性并进行评估。
2018-08-10 nlin.CD physics.app-ph physics.flu-dyn
An elementary model for an advancing autoignition front in laminar reactive co-flow jets injected into supercritical water
本文针对高压水环境中反应性共流射流的推进自燃前沿传播问题，提出一个由扩散-吸收-对流方程构成的初等模型，并通过渐近与数值分析揭示其在熄灭临界状态下可约化为双稳态反应-扩散方程。
2023-11-16 nlin.PS physics.flu-dyn
Laminar-Turbulent Patterns in Shear Flows : Evasion of Tipping, Saddle-Loop Bifurcation and Log scaling of the Turbulent Fraction
本文用一维反应-平流-扩散模型解释剪切流层流-湍流模式，通过 Busse 气球、鞍环分岔和孤立脉冲阐明波长对数发散规律。
2024-07-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Lagrangian chaos and scalar advection in stochastic fluid mechanics
我们研究了拉格朗日流的速度场所产生的各种模型的流体力学受到白色的时间，$H^s$ -在空间随机强迫在一个周期性的盒子。我们证明了在许多情况下，这些流是混沌的，即最高李雅普诺夫指数是严格正的。我们的主要结果是关于$\mathbb T^2$上的斯托克斯方程和$\mathbb T^3$上的超粘性正则化斯托克斯方程（在任意雷诺数和超粘性参数下），在高频下受到非退化的强迫。作为应用，我们研究了在这些速度驱动下的被动标量平流-扩散方程在随机源作用下的统计平稳解。混沌拉格朗日动力学被用来证明一个版本的异常耗散的极限消失的扩散，这反过来又意味着标量满足Yaglom的标量湍流定律-模拟的Kolmogorov 4/5定律。我们的研究的主要特点是使用的工具，从遍历论和随机动力系统，即乘法遍历定理和一个版本的Furstenberg的标准，结合hypoellipticity通过Malliavin演算和近似控制参数。
2018-09-18 math.AP math.DS math.PR
Quantification of the performance of chaotic micromixers on the basis of finite time Lyapunov exponents
混沌微混合器，如Stroock等人开发的交错人字形混合器，通过重复拉伸和折叠流体界面，即使在低雷诺数下也能有效混合流体。流体充分混合的能力取决于混合器中发生“混沌平流”的速率。混合器几何形状的优化是一项重要的任务，通常通过耗时且昂贵的试错实验来执行。在本文中，提出了一种算法，适用于有限时间李雅普诺夫指数的概念，以获得一个定量测量的混沌平流的流动，因此微混合器的性能。通过对混合器几何结构内的流动进行格子Boltzmann模拟，引入无质量和无相互作用的示踪粒子并遵循它们的轨迹，可以计算有限时间的李雅普诺夫指数。通过对改进后的交错人字形混合器几何结构与现有文献数据的比较，证明了该方法的适用性。
2011-12-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech 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
Interaction of a monopole vortex with an isolated topographic feature in a three-layer geophysical flow
在一个$f$平面地球物理流的三层准地转解析模式的框架内，讨论了由涡旋与孤立地形相互作用引起的拉格朗日平流。我们感兴趣的是两种不同的情况下，无论是在上层或中层的位置。在底层，有一个三角洲功能的地形特征，它产生了一个封闭的回流区，在其附近，由于背景流。这个回流区一直延伸到中层和上层，起着地形涡的作用。湍流和地形涡旋之间的相互作用导致复杂的，包括混乱的，流体粒子的平流。我们发现，模式的参数，即地形涡和地形涡的强度和初始位置，层的深度和密度是负责不同的平流模式。虽然模式相当复杂，但是，人们可以挑出两个主要过程，它们主要控制流体粒子平流。第一个是系统的相空间结构随时间的变化，使得在地形涡旋的封闭区域内，出现周期性的不封闭颗粒路径，颗粒通过该路径离开地形涡旋。第二种是混沌平流，这是由于对流层与地形相互作用的非平稳性引起的。
2012-09-27 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Laminar-Turbulent Patterning in Transitional Flows
在雷诺数R（自然控制参数）的一定范围内，壁面边界流动经历了一个向湍流的过渡，其特征是层流和湍流区域共存。这种过渡状态发生在上阈值Rt和下阈值Rg之间，在上阈值Rt之上，湍流是均匀的（无特征的），在下阈值Rg之下，任何形式的湍流都可能在过长的混沌瞬态结束时衰减。最具代表性的情况下，沿平板流动过渡到/从湍流根据这种情况进行审查。共存通常是以带的形式，交替层流和湍流，并相对于总的流动方向倾斜定向。在Rg处的能带的最终衰减指出了定向渗流和临界性在物理学相变意义上的相关性。在Rt的过渡带的形式的性质仍然有些神秘，并不容易适合在层流背景下增加控制参数的图案形成不稳定性的计划。与此相反，带出现在Rt出一个均匀的湍流背景在一个减少的控制参数。一个可能的理论层流湍流图案的成分进行了讨论。
2017-06-30 nlin.PS physics.flu-dyn
High Schmidt-Number Turbulent Advection and Giant Concentration Fluctuations
我们考虑了热噪声对湍流粘性耗散区高施密特数混合的Batchelor-Kraichnan理论的影响。利用低马赫数下二元流体混合物的波动流体动力学，我们证明了在耗散范围内确定性Navier-Stokes解的线性化。对于后者的解决方案，我们采用标准的Kraichnan模型，并推导出渐近高施密特极限方程的浓度场，其中的热速度波动准确地表示为高斯随机速度，这是白色的时间。我们得到的浓度谱在这个高施密特限制模型的精确解，表明在粘性对流范围内的巴彻勒预测是不变的。热噪声显着重整裸扩散率在这个范围内，但效果是相同的层流，因此隐藏的现象。然而，在低于巴彻勒长度的尺度（通常为微米尺度）的粘性扩散范围内，基于确定性纳维-斯托克斯方程的预测被热噪声急剧改变。而经典理论预测迅速衰减的光谱在粘性扩散范围内，我们得到一个$k^{-2}$幂律谱开始低于巴彻勒长度。该光谱对应于非平衡巨浓度波动，这是由于实验上观察到的静态流体中的热速度波动平流强加的浓度变化。在较高的波数下，由于平衡分子波动，浓度谱变为$k^2$均分谱。我们对水-甘油和水-荧光素混合物进行了详细的预测。最后，我们讨论了广泛的影响，湍流和新的应用程序，我们的方法实验访问层流。
2022-06-02 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Persistent localized states for a chaotically mixed bistable reaction
我们描述了一个封闭的二维混沌层流中的双稳态化学反应从局部初始扰动的演化。当流体混合足够慢时，扰动可能扩散并最终占据整个流体域。相比之下，快速混合倾向于稀释初始状态，从而消除扰动。这种二分法是众所周知的。然而，我们在这里报告一个迄今为止显然未被注意到的中间情况下，一个持续的高度本地化的干扰。当达姆克勒数大到足以维持热点，但又不至于导致全球扩散时，就会出现这种局域态。我们发现，这样的扰动位于附近的不稳定的周期轨道的流量，我们描述了一些有限的方面，其行为使用减少，层状模型。
2006-08-15 nlin.CD nlin.PS physics.flu-dyn
Thermally-Targeted Adsorption And Enrichment In Micro-scale Hydrothermal Pore Environments
微尺度约束下的混沌平流的独特能力，直接沿加速动力学途径的化学过程早已被认识到。但实际应用一直缓慢出现，因为最佳的结果往往是反直觉地实现的流动，似乎具有不希望的高度混乱。在这里，我们展示了如何在这些微环境中的热致混沌现象能够建立一个连续的输送机运输化合物从散装固体边界上的目标位置，在那里他们变得非常丰富。这些发现有趣地表明，微尺度混沌平流可能提供了一个新的机制来解释出现的生物分子复杂性从稀释的有机前体在生命起源的一个关键的未回答的问题，在益生菌环境。我们进一步展示了如何合理地设计和利用这些流来执行大量的生化过程，具有以前认为无法实现的鲁棒性水平。
2016-06-02 physics.flu-dyn
Irregular dependence on Stokes number and non-ergodic transport of heavy inertial particles in steady laminar flows
本文研究稳态层流Taylor-Green流中重惯性颗粒的输运，发现其动力学和有效扩散率随Stokes数呈非规则、非单调甚至不连续变化，并揭示非遍历行为及混沌、被困和弹道弥散等多样运动模式。
2023-04-19 physics.flu-dyn
Improving the Robustness of Control of Chaotic Convective Flows with Domain-Informed Reinforcement Learning
本文提出利用领域知识增强的强化学习（RL）智能体控制混沌对流流动，通过在奖励函数中引入鼓励Bénard胞合并的项，显著提升了泛化能力和样本效率，在层流和混沌状态下分别降低33%和10%的热输运，优于传统控制器。
2025-10-31 cs.LG physics.flu-dyn
Method to measure efficiently rare fluctuations of turbulence intensity for turbulent-laminar transitions in pipe flows
管流中湍流强度在临界雷诺数附近的波动是很难研究的，但却很重要，因为它们与湍流-层流转变有关。在这里，我们提出了一个稀有事件采样方法来研究这种波动，以有效地测量过渡的时间尺度。该方法由两部分组成：（i）典型波动的测量（累积概率函数的主体部分）和（ii）罕见的波动的测量（概率函数的尾部）通过采用动态的雷诺数的闭环控制。我们将这种方法应用于巴克利提出的湍流喷流的混沌模型，并确认湍流衰减的时间尺度即使对于高雷诺数Re = 2500，也是超指数增长的，其中通过蛮力计算获得足够的统计数据是困难的。该方法使用一个简单的程序，甚至可以应用到实验中改变雷诺数。
2017-12-15 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Intermittent flow in yield-stress fluids slows down chaotic mixing
本文介绍了用旋转搅拌棒法对牛顿流体和屈服应力流体进行混沌混合的实验结果。我们展示了如何混合的屈服应力流体的混沌平流相比，牛顿流体的混合减少，并解释我们的结果带来光的相关机制：流体的存在，只流动间歇性，增强的屈服应力的现象，和外围区域的重要性。这一发现通过数值模拟得到证实。当不同搅拌元件的同步导致相同流体颗粒的缓慢拉伸重复时，观察到异常缓慢的混合。
2013-10-01 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
The role of advection in phase-separating binary liquids
以对流Cahn-Hilliard方程为模型，阐明了对流在二元液体相分离中的作用。平流速度要么是规定的，或者是由一个演变方程，占浓度梯度反馈到流中。在这里，我们专注于被动平流的混沌流，耦合Navier-Stokes卡恩-希利亚德流在薄的几何形状。我们的方法是基于功能分析技术和数值分析的组合。此外，我们比较和对比的Cahn-Hilliard方程与其他模型的聚集，这使我们调查的取向Holm-Putkaradze模型。我们证明了在这个系统中，我们解释为磁性粒子的形成奇异的解决方案的出现。使用基本动力系统参数，我们分类这些粒子的相互作用。
2008-05-08 physics.flu-dyn
Patterns in transitional shear turbulence. Part 1. Energy transfer and mean-flow interaction
本文研究平面 Couette 流低 Reynolds 数转捩中的湍流—层流模式，通过物理与谱能量预算揭示平均流由自相互作用和湍流向大尺度传能维持，并比较均匀湍流及随 $Re$ 的变化。
2023-06-02 nlin.PS physics.flu-dyn
Isogeometric Hierarchical Model Reduction for advection-diffusion process simulation in microchannels
本文针对S形微通道中被动标量输运模拟，验证了分层模型降阶（HiMod）方法的可靠性，该方法将三维问题转化为一维耦合问题，在未知数大幅减少的同时保持了与高保真模型相当的精度。
2022-05-17 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Boundary Condition Induced Passive Chaotic Mixing in Straight Microchannels
该研究提出在直微通道底部设置非对称疏水滑移边界，以拉伸折叠与混沌平流强化低雷诺数被动混合，并显著缩短混合长度。
2021-11-06 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.comp-ph
Scalar signatures of chaotic mixing in porous media
稳态层流通过多孔介质自发产生拉格朗日混沌在孔隙尺度上，与一系列的运输，反应和生物过程的定性影响。在这些不透明的环境中的混合动力学的表征和理解是一个突出的挑战。我们解决这个问题，通过开发一种新的技术的基础上产生的推拉流通过多孔介质样品的标量签名的高分辨率成像。由于混沌流中颗粒轨迹的快速去相关，在多孔材料外部测量的标量图像代表了原位混合动力学。我们提出了一个理论框架，估计的李雅普诺夫指数的基础上扩展的拉格朗日拉伸理论的相关聚集。这种方法提供了一个完整的表征混沌混合动力学在一个大类的多孔材料。
2020-11-23 physics.flu-dyn
Laminar boundary layers in convective heat transport
我们研究了高瑞利数和高普朗特数区域的瑞利-贝纳德对流，即，我们考虑容器中的流体，其在没有惯性效应的情况下暴露于底部的强加热和顶板的冷却。虽然在散装动力学的特点是由一个混乱的对流热流，在水平容器板的边界层基本上是导电的，因此流体是静止的。因此，平均温度在边界层中呈现线性分布。在这篇文章中，我们严格调查的平均温度和振荡的边界层通过当地的边界上的温度场。此外，我们推断，温度分布确实是基本上线性接近水平容器板。我们的结果是一致的系统参数（如瑞利数）的对数校正项。在我们的分析中，一个重要的工具是一个新的Hardy型估计的对流速度场，它可以用来控制流体运动的层。借助于对流-扩散方程的局部极大正则性估计，导出了温度场的界。
2012-12-12 math.AP nlin.CD physics.flu-dyn
On the generation of drift flows in wall-bounded flows transiting to turbulence
尽管最近的进展，层流-湍流共存过渡平面壁边界剪切流仍然没有得到很好的理解。与湍流斑块内的混沌流动在局部（最小流动单元）尺度上持续的过程相比，通常沿共存范围观察到的控制层流-湍流界面的湍流度的机制仍然是神秘的。Waleffe方法[Phys.Fluids9（1997）883- 900]的一个扩展被用来表明，在局部尺度上，打破问题展向对称性的漂移流仅仅是通过稍微失谐涉及自我维持过程的模态而产生的。这为理论化层流湍流模式的形成开辟了前景。
2017-12-14 nlin.PS physics.flu-dyn
From temporal to spatiotemporal dynamics in transitional plane Couette flow
实验结果表明，当雷诺数R变化时，在平面Couette流中存在着由层流和湍流交替形成的斜带。许多以前的理论和数值工作的问题都认为小的纵横比系统受到周期性的边界条件，而实验对应于相反的限制大的纵横比。在这里，通过完全解决的直接数值模拟的纳维-斯托克斯方程在减少R，我们仔细检查过渡从时间到时空行为的系统中的中间尺寸。我们证明存在L_x~70- 80 h量级的流向交叉尺寸（其中2 h是驱动流动的板之间的间隙），超过该间隙，PCF中向/从湍流的转变无疑是一个时空过程，具有典型的场景“[湍流]->[筛状区]->[倾斜模式]->[层流区”，而低于该大小，则更像是一个时间过程，可以用具有"[混沌流]->[层流]“（通过混沌瞬变）场景的有限维动力系统来描述。在交叉区域，“[斜模式]”阶段被跳过，这使我们建议，在实验中观察到的模式的适当渲染需要一个忠实的帐户在尺度上的流向相关性至少该交叉大小的顺序。
2011-01-27 nlin.PS physics.flu-dyn
