Transport of inertial spherical particles in compressible turbulent boundary layers
通过直接数值模拟研究马赫数2至6可压缩湍流边界层中惯性球形颗粒的输运，发现压缩性效应显著减弱大惯性颗粒的近壁聚集、小尺度簇聚及流向速度脉动强度，并揭示其与近壁颗粒马赫数及流体密度黏度变化有关。
2024-07-15 physics.flu-dyn
Some Unusual Properties of Turbulent Convection and Dynamos in Rotating Spherical Shells
旋转球壳中对流流体的动力学在单位阶普朗特数下由微分旋转和滚动状对流涡之间的相互作用所控制。虽然差动旋转是由涡的雷诺应力驱动的，但其剪切作用抑制了对流，并导致局部对流和湍流弛豫振荡等现象。在发电机动作的情况下，系统的响应被丰富。洛伦兹力可以完全或部分地制动地转差旋，并产生两种截然不同的发电机状态。当磁普朗特数为1时，湍流发电机存在双稳性。虽然平均磁能和动能之间的比率相差5倍或更多的两个发电机状态，平均对流热传输几乎相同。它们比没有磁场时大得多。
2009-05-22 physics.flu-dyn physics.space-ph
Simultaneous 3D measurement of the translation and rotation of finite size particles and the flow field in a fully developed turbulent water flow
我们报告了一种新的实验技术，同时在三维空间中的轨迹，平移，旋转的有限大小的惯性颗粒连同湍流测量。流场分析跟踪小荧光示踪粒子的时间演变。惯性颗粒由一种高吸水性聚合物组成，使它们的折射率和密度与水相匹配，因此不可见。通过在聚合物中的不同位置插入示踪剂颗粒来标记颗粒。平移和旋转，以及粒子周围的流场动态地从标记和示踪粒子轨迹的分析中恢复。我们应用这种技术来研究在vonKármán旋转水流中尺寸（Rp/η \approx 100）比Kolmogorov长度尺度η（Rλ \approx 400）大得多的惯性粒子的动力学。我们表明，使用混合（颗粒/流体）欧拉二阶速度结构函数，颗粒和流之间的相互作用区的发展在一个球壳的宽度为2 Rp的半径为Rp的颗粒周围。我们将此解释为粒子引起的尾流的指示。这种测量技术具有许多额外的优点，这将使其有助于解决其他问题，如粒子碰撞，非球形固体物体的动力学，甚至湿颗粒物质。
2012-07-13 physics.flu-dyn
Turbulent pipe flow with spherical particles: drag as a function of particle size and volume fraction
针对含中性浮力球形颗粒的湍流管道流动，研究结合MRV和DNS技术探究了颗粒尺寸与流量对压力降、整体阻力及颗粒分布的影响，并构建了一条比传统修正粘度方法更准确的阻力变化主曲线。
2024-11-15 physics.flu-dyn
Experimental study of forces on freely moving spherical particles during resuspension into turbulent flow
湍流再悬浮是一种利用湍流将固体颗粒从底部提升的过程，在环境和工业应用中普遍存在。该过程是一系列事件，开始于颗粒从其位置被逐出的初始运动，继续在表面上滑动或滚动，结束于颗粒从表面脱离并被提升到流动中。在这项研究中，重点是与流体的密度和直径与柯尔莫哥洛夫长度尺度可比的固体球形颗粒的再悬浮。我们在振荡网格湍流中跟踪它们的运动。我们同时测量了沿底部光滑壁面自由运动的颗粒和周围流动示踪剂的拉格朗日轨迹。根据颗粒的运动和局部流动参数估计了作用在颗粒上的不同力项。结果表明：\emph{i}）升力占主导地位; \emph{ii}）自由运动颗粒上的阻力在这种类型的再悬浮中不太相关; \emph{iii}）Basset（历史或粘性-非稳态）力是不可忽略的分量，在离地事件之前起着重要作用。虽然我们不能非常准确地估计力项的大小，但我们发现，在再悬浮期间，它们在$2\div10$乘以浮力大小的范围内。这些发现不能外推到比柯尔莫哥洛夫长度尺度小得多或比流体密度大得多的粒子。尽管如此，目前的研究结果可以帮助模拟的沉积物传输，颗粒过滤，气力输送和混合的生物反应器。
2016-05-28 physics.flu-dyn
Experimental investigation of turbulent suspensions of spherical particles in a square duct
本文报道了方形管道中球形颗粒湍流的实验观测。三种粒度，即：研究了$2H/d_{p}$ = 40、16和9（$2H$是管道全高，$d_{p}$是颗粒直径）。颗粒相对于悬浮流体几乎是中性浮力的。折射率匹配-粒子图像测速法用于测量流体速度，即使在最高的粒子体积分数（20%）下，粒子跟踪测速法用于测量两种最大尺寸粒子的粒子速度统计，而对于最小的粒子，仅报告压力测量。在最低体积雷诺数$Re_{2H}\approx$ 10000时观察到沉降效应，而在最高体积雷诺数$Re_{2H}\approx$ 27000时，颗粒几乎完全悬浮。悬浮液的摩擦系数被发现是显着大于单相管道流在较低的$Re_{2H}$调查，但是，差异减小时，增加流量和总阻力的值接近单相流在较高的雷诺数考虑。对于几乎所有的$Re_{2H}$，发现压降随着体积分数低于$ϕ$ = 10%的粒径而减小。然而，在最高的体积分数$ϕ$ = 20%，我们报告了一个奇特的非单调行为：压降首先减少，然后增加，随着颗粒尺寸。在最低体积分数下，湍流阻力随颗粒尺寸的减小与湍流的衰减有关。然而，对于$ϕ$ = 20%的两个最大颗粒尺寸，尽管湍流应力大幅降低，但仍会出现阻力增加，因此，这是由于显著的颗粒诱导应力。
2018-09-18 physics.flu-dyn
Inertial self-propulsion of spherical microswimmers by rotation-translation coupling
我们研究游泳的小球形颗粒谁调节流体流动在其表面上施加切向蠕动中风。我们推导出平移和旋转速度为任何给定的行程，这是不受轴对称通常假设。该配方包括流体和游泳者的惯性，其动机是惯性与大型团藻菌落的相关性。我们表明，惯性的贡献，平均速度来自动态之间的耦合平移和旋转，这只发生在中风，打破轴对称。值得注意的是，这种效果能够克服扇贝定理的不可能推进的时间可逆冲程。我们研究了轴对称行波的切向冲程和非对称时间可逆扑动的例子。在后一种情况下，我们发现，惯性驱动的平均速度是最佳的扑翼频率和游泳者的大小落在团藻菌落的实际物理值的范围内。我们推测，类似草履虫，大团藻可以使用时间可逆的中风惯性驱动的游泳加上他们的旋转。
2019-02-03 physics.flu-dyn
Translation of a spherical viscous drop driven by localized forcing in Stokes flow
New Jersey Institute of Technology（新泽理工学院）；Princeton University（普林斯顿大学）
本研究利用洛伦兹互易定理推导了斯托克斯流中局域力驱动的球形粘性液滴平移速度积分表达式，区分了内外力的不同响应，为构建可控远场的类squirmer液滴解奠定基础。
2026-08-25 cond-mat.soft math-ph math.MP
Bi-stability in turbulent, rotating spherical Couette flow
在外径为3 m的实验装置上研究了半径比为$η= r_\mathrm{i}/r_\mathrm{o} = 0.35$的同心球间的流动。我们已经测量了保持恒定的边界速度以及局部壁面剪应力、速度和压力所需的扭矩。在低埃克曼数$E = 2.1\times10^{-7}$和中等罗斯比数$0.07 < Ro < 3.4$时，产生的流动是高度湍流的，雷诺数（$Re=Ro/E$）超过一千五百万。当$E$固定时，$Ro$变化时，几种湍流状态是明显的。我们把我们的注意力集中在一个流动的过渡，特别是在$Ro = 1.8$和$Ro = 2.6$，其中的流动表现出的行为。对于在该范围内的$Ro$，流经历在切换范围之外的相邻$Ro$处单独观察到的状态之间的间歇性转换。这两种状态在所有测得的流量中被清楚地区分开，包括通过处于较高$Ro$的状态从内部球体要求的扭矩的显著减小。减少角动量输送似乎是与实验核心附近的快速纬向环流的发展。较低的扭矩状态表现出波，其中之一是类似于一个完整的球体已知的惯性模式，另一个似乎是一个强烈的平流Rossby型波。这些结果代表了一个新的实验室的例子重叠存在不同的流动状态在高雷诺数流动。与纬向流相关的湍流多重稳定性和输运障碍的恢复力是地球物理学和天体物理学背景下的重要课题。
2011-07-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Turbulent Rayleigh-Bénard convection in spherical shells
我们数值模拟了非旋转球壳中的Boussinesq对流，流体的单位普朗特数和瑞利数高达$10^9$。在这种几何形状中，重力加速度的曲率和径向变化产生不对称的边界层。一个系统的参数研究的各种半径比（从$η=r_i/r_o=0.2$到$η=0.95$）和重力剖面，使我们能够探索这些参数的不对称性的依赖。我们发现，平均羽间距之间的球形内，外边界表面是可比的。对平均羽流分离的估计使我们能够准确地预测这里探讨的各种球壳构型的边界层不对称性。的平均温度和水平速度剖面是在良好的协议与经典的普朗特-Blasius层流边界层剖面，提供的边界层进行了分析，在一个动态的框架，波动的本地和瞬时边界层厚度。努塞尔数和雷诺数的标度特性进行了研究，通过使用数值模型与$η=0.6$和重力成比例的$1/r^2$的热耗散率和粘性耗散率的体积和边界层的贡献分离。我们发现我们的球形模型与Grossmann \& Lohse（2000）理论的预测是一致的，并且$Nu(Ra)$和$Re(Ra)$标度与平面层结果是很好的一致。
2015-07-07 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Dynamics of finite-size spheroids in turbulent flow: the roles of flow structures and particle boundary layers
本文利用完全解析的数值模拟方法研究了流体动力学湍流中中性浮力有限大小球体的平移和旋转动力学。我们研究轴对称的形状，从扁长，和粒子的体积依赖性。我们表明，非球形惯性尺度粒子的加速度和旋转所经历的体积过滤的流体力和扭矩的结果，类似于球形粒子。然而，颗粒取向携带与周围的流动结构，这是反映在不同的轴向和横向波动的加速度和旋转速率的优先对齐的签名。即使对于体积当量直径尺寸在惯性范围内的颗粒，也不会发生取向的随机化，此处在$Re_λ=120$下高达60 $η$。此外，我们表明，流体周围的颗粒边界层的作用不能被忽略，以达到定量的理解粒子的统计动力学，因为它们影响的强度的角速度，和相对于旋转旋转翻滚的相对重要性。这项研究带来了在均匀和各向同性湍流的重要性，以及它们对中性浮力体的大小在惯性范围内的运输的影响，惯性尺度的流结构。
2022-02-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Turbulent channel flow of finite-size spherical particles with viscous hyper-elastic walls
我们研究单相和颗粒湍流槽道流，由两个不可压缩的超弹性壁。不同的壁弹性被认为有和没有10%的体积分数的有限尺寸的刚性球形颗粒，而弹性壁建模为新胡克材料。我们报告了一个显着的阻力增加和增强的湍流活动与增长的壁弹性单相和颗粒的情况下相比，在刚性壁的单相流。对于具有高弹性壁的颗粒情况，尽管相对于具有相同壁弹性的单相流，但获得了减阻和湍流衰减;然而，在弹性较小的壁的流动上观察到颗粒的相反效果。这是解释通过调查近壁湍流的高度弹性的墙壁，在壁法向速度波动的幅度（有利于积极的），强烈的不对称性，被发现推动颗粒向通道中心。靠近壁的颗粒层被示出通过增加壁法向速度波动来促进湍流的产生，而在没有该层的情况下，观察到较小的壁变形和湍流衰减。我们进一步解决的体积分数在一个温和的壁弹性的效果，通过增加颗粒的体积分数高达20%。从界面区域的颗粒的迁移被发现是一个进一步的湍流衰减的原因，在刚性壁的情况下，在相同的体积分数相比。然而，颗粒诱导的应力补偿了雷诺剪切应力的损失，因此，对于具有弹性壁的情况，导致更高的总阻力。壁面弹性对阻力的影响随颗粒体积分数的增加而显著减小。
2018-11-07 physics.flu-dyn
Settling of chiral particles in a turbulent flow
研究手性粒子在湍流中的沉降行为，揭示其取向动态和多种沉降模式，并通过理论模型解释其形成机制。
2026-01-05 physics.flu-dyn
Patterns of convection in rotating spherical shells
通过数值模拟研究了内热自引力旋转球壳内的对流模式。虽然湍流状态的主要兴趣在行星和恒星的应用，本文强调更经常的动力学特征在瑞利数不远高于阈值，这是类似于那些可能在实验室或空间实验中观察到的。振幅波动和对流柱的空间调制是常见的功能，在中等和大普朗特数。在低普朗特数制度赤道附着对流演化不同的瑞利数的增加，并表现出早期过渡到混沌状态。强调了完全湍流对流状态下的动力学特征与相干结构的关系。
2009-06-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Compressible Hydrodynamic Mean-Field Equations in Spherical Geometry and their Application to Turbulent Stellar Convection Data
我们提出了一个统计分析的湍流对流在我们的雷诺平均的Navier Stokes（RANS）框架内的球形几何，我们来自第一性原理。本文报道的主要结果包括：（1）一组广泛的可压缩多组分流体动力学平均场方程，以及（2）从各种模拟模型计算的相应平均场数据。还提供了一些补充的尺度分析数据。所提供的模拟数据包括：（1）23太阳质量超新星前身星氧燃烧时的壳层对流，（2）5太阳质量红巨星的包层对流，（3）氦闪光时的壳层对流，（4）1.25太阳质量恒星的氢注入闪光。这些模拟在Meakin [2006]、Meakin和Arnett [2007 a，b，2010]、Arnett等人[2009，2010]、Viallet等人[2011，2013 a，b]和Mocak等人[2009，2011]中已有部分描述。新的数据也包括在本文件中，几个新的域和分辨率配置，以及一些变化的物理模型，如对流区深度和驱动源项。这项工作的长期目标是帮助开发更复杂的模型来处理流体动力学现象（例如，湍流对流）在恒星演化领域中的应用，提供了三维模拟数据和由一维恒星演化代码模拟的平均场之间的直接联系。因此，这些数据可以用来测试以前提出的湍流模型在文献中发现，有时用于恒星建模。这些数据还可以用来测试模型构建的基本物理原理，并激发用于1D进化代码的新处方。
2014-01-21 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Importance of fluid inertia for the orientation of spheroids settling in turbulent flow
非球形颗粒在流动中如何定向在许多科学和工程问题中具有重要的实际意义。在静止的流体中，缓慢沉降的颗粒会定向，使其宽边先沉降。这是由于沉降颗粒引起的流体的对流惯性引起的扭矩的影响，其使颗粒所经历的阻力最大化。湍流倾向于使颗粒取向随机化。最近，非球形颗粒在湍流中的沉降被分析，忽略对流流体惯性的影响，但考虑到湍流流体速度梯度对颗粒取向的影响。这些研究得出了相反的结论，即杆优先以其尖端先沉降，而盘优先以其边缘先沉降，因此使颗粒上的阻力最小化。在这里，我们考虑这两种效果，对流惯性扭矩以及扭矩由于波动的速度梯度，并询问在何种情况下，一个或另一个占主导地位。为此，我们估计两个转矩的大小之比。我们的估计表明，流体惯性扭矩在高雷诺数流动中占主导地位。在这种情况下，预期非球形颗粒以最大阻力沉降。但当雷诺数较小时，则流体速度梯度引起的扭矩可能占主导地位，导致颗粒首先以其宽侧沉降。
2019-08-27 physics.flu-dyn
The effect of bubble induced turbulent structures on the mass transfer of non-spherical bubbles
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
采用前追踪方法和亚网格尺度模型模拟了Eötvös数为2、Morton数为10^-11的摇摆气泡的传质过程，发现气泡产生的涡旋结构受物性影响并改变传质，同时涡旋结构形成输运屏障阻碍尾流与液体主体的对流传质。
2026-08-24 physics.flu-dyn
Three-dimensional tracking of finite-size spheres in a turbulent boundary layer
用$Re_{τ}=700$和1300（$d^+ = 60$和120）研究了比重分别为1.003、1.050和1.150的磁性蜡球在湍流边界层中的运动。这些球体在整个表面都用点标记，以通过高速立体成像来监测它们的平移和旋转。在光滑壁面上从静止状态释放时，每个球体在接近终极速度之前，通常在一个边界层厚度的流向距离上强烈加速。具有足够的净向上力的球体一旦释放就从壁上升起，然后向壁下降。这些球体大多与壁上方的流体一起平移，经历跳跃或再悬浮，围绕所有轴的旋转最小。相比之下，释放后没有升空的球体主要沿着壁滑动。当它们向下游传播时，它们开始向前滚动，偶尔发生较小规模的升空事件。观察到的所有剥离活动仅限于缓冲层和对数层。球的平移和旋转都受到壁湍流的显著影响。
2019-09-04 physics.flu-dyn
Precessing spherical shells: flows, dissipation, dynamo and the lunar core
行星或卫星的岁差通过驱动流动、不稳定性和可能的发电机来影响内部液体层。这些现象所耗散的能量可以影响轨道参数，如行星的自旋速率。然而，在与行星相关的球壳几何中，还没有系统地研究这些流动，标度律的缺乏阻碍了对天体的令人信服的外推。我们已经运行了900多个受岁差影响的流体球壳的模拟，以系统地研究基本流动，不稳定性，湍流和磁场产生。我们观察到内核对不稳定性的发生没有显着影响。我们获得了粘性耗散的分析估计，主要是由于我们模拟中的边界层摩擦。我们提出了流体动力学不稳定性的理论发生，并记录了湍流波动的强度。我们将以前的进动发电机研究扩展到较低的粘度，在当今计算机的极限。在低粘度区，进动发电机依赖于大尺度涡旋的存在，表面磁场由小尺度主导。有趣的是，我们的研究结果表明，大规模的行星磁场不太可能由岁差产生，驱动发电机在一个球形的核心。但这个问题仍然开放，因为行星核心不完全是球形的，因此，流体和边界之间的耦合并没有消失在相关的限制小粘度。此外，在模拟中还没有达到完全的湍流耗散状态。2我们的结果表明，熔化的月核在其整个历史中一直处于湍流状态。3此外，从最近的实验结果来看，我们提出了更新的公式预测流体的平均旋转矢量和相关的耗散在层流和湍流制度。
2019-02-06 physics.class-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Intermittency in spherical Couette dynamos
我们研究发电机的作用在三维数值模拟的湍流球形Couette流。接近发电机动作的开始时，磁场表现出间歇性行为，其特征在于由低能量相分离的一系列短暂的磁能爆发。我们表明，这种行为对应于所谓的开-关不稳定性。这种行为在这里报告的发电机行动与现实的边界条件。我们研究了磁边界条件在这一现象中的作用。
2013-04-23 physics.flu-dyn
On the unsteady and lineal translation of a sphere through a viscoelastic fluid
本文用解析方法研究了由Johnson-Segalman和Giesekus模型描述的固体球形颗粒在粘弹性流体中的非定常线性平移。压力场、速度场以及粒子所受力的解在Weissenberg数中展开为幂级数。的动量平衡和本构方程的渐近求解一个稳定的平移粒子到二阶的粒子速度，并在频域中的压力和速度的重新缩放是用来与稳定的线性平移的解决方案，为非稳定的线性平移。在第三阶的粒子速度的不稳定力，然后计算通过应用洛伦兹互易定理，它表明，这种弱非线性的贡献力可以表示为一个Volterra级数的一部分。通过一系列的例子，它表明，截断表示的Volterra系列，它可以被操纵来描述的速度方面施加的力，是有用的分析特定的时间依赖性粒子运动。使用这种关系研究的两个例子是突然开始运动的粒子上的力和粒子对突然施加的稳定力的响应速度。此外，还计算了粒子被简谐势阱捕获后在流体中作直线运动时的弱非线性响应。这是一个模拟主动微观流变学实验，并可以用来解释弱非线性响应如何表现在主动微观流变学实验与球形探针。
2021-06-14 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Simulation of particle mixing in turbulent channel flow due to intrinsic fluid velocity fluctuation
我们结合离散元模拟与随机过程来模拟球形颗粒在湍流槽道流中的运动。利用该模型，我们研究了两种颗粒在通道中流动的混合特性。我们发现混合区的长度与管道的线性增加。研究了不同雷诺数下的流动。在泰勒微尺度下的临界雷诺数$R_{c} \approx 300$附近，混合速率强烈依赖于雷诺数。高于$R_{c}$，混合速率几乎保持恒定。
2011-02-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
A stochastic force model for a finite-size spherical particle in turbulence
本研究通过粒子解析直接数值模拟（PRDNS），针对湍流中有限尺寸球形粒子开发了一种包含平均阻力经验关联式与基于Langevin方程的随机脉动力模型，该模型仅需平均流速、湍流动能和耗散率作为输入，易于与RANS方法结合。
2025-05-28 physics.flu-dyn
Alignment of non-spherical active particles in chaotic flows
我们研究的方向统计的球形，轴对称的microswimmer，从磁盘到棒的形状，游泳在混乱的，适度的湍流。数值模拟表明，棒状活性颗粒优先与流速对齐。为了解释潜在的机制，我们通过微扰理论解决了一个统计模型。我们表明，这种对齐是由流体速度及其沿粒子路径的梯度的相关性以及由于游动和粒子非球形而导致的前后对称性破缺引起的。值得注意的是，发现对齐被认为是一个强大的运动学效应，独立的底层流的演变。我们讨论其可能的相关性水生生态。
2019-09-05 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Relative velocities in bi-disperse turbulent aerosols: simulations and theory
我们进行直接的数值模拟的双分散悬浮的重球形颗粒在强制，均匀，各向同性的三维湍流。我们计算了不同尺寸颗粒之间的相对颗粒距离和纵向相对速度的联合分布，并将结果与最近的理论预测[Meibohm et al. Phys. Rev. E 96（2017）061102]进行了比较。我们还计算了相对速度的时刻作为粒子分离的函数，并与理论预测进行比较。我们遵守良好的协议。
2018-12-20 physics.flu-dyn
The rotation and translation of non-spherical particles in homogeneous isotropic turbulence
悬浮在环境湍流中的颗粒的运动与许多科学领域有关，从沉积物运输到生物相互作用再到水下机器人。在非常小的尺度和简单的形状下，我们能够完全数学地描述惯性粒子的运动;然而，大型非球面粒子的运动要复杂得多，目前的计算模型不足以处理大型或高分辨率的区域。因此，我们试图通过实验研究自由悬浮颗粒和环境湍流之间的耦合。更好地理解这种耦合不仅可以为工程和物理学提供信息，还可以为小型水生生物与其环境之间的相互作用提供信息。我们探讨了形状和浮力的作用，被动颗粒在湍流中的运动，并允许这些颗粒作为模型的中尺度水生生物。这项研究的结果将使我们能够更准确地预测非球形粒子的运动，为海洋碳循环，工业过程和其他重要主题提供新的见解。这项分析还将通过量化中尺度水生生物的毒性驱动行为，揭示导航，繁殖和捕食者-猎物相互作用的生物学问题，使研究人员能够筛选出行为生物中的被动与主动效应。最后，直接依赖于粒子动力学的过程（例如，沉积物运输，工业过程）将由我们的结果提供信息。
2015-06-01 physics.flu-dyn
Tumbling of small axisymmetric particles in random and turbulent flows
本文分析了非球形轴对称小颗粒在随机流和湍流中的翻滚。我们计算的Kubo数的微扰展开方面的取向动力学，并获得在拉格朗日关联函数方面的翻滚率。这些捕获流体梯度的优先采样，这反过来又可以引起盘和杆的翻滚速率的差异。我们表明，这是一个弱的影响，在高斯随机流。但是在湍流中，高涡度的持续区域导致盘状物比杆状物翻滚得快得多，如在直接数值模拟中所观察到的那样[Parsa等人，物理修订信函109（2012）134501]。对于较大的粒子（在有限的斯托克斯数下），由于旋转焦散的形成，旋转和平移惯性会影响翻滚速率和粒子碰撞的角度。
2013-12-22 physics.flu-dyn
Stochastic model for the alignment and tumbling of rigid fibres in two-dimensional turbulent shear flow
由各向异性湍流输送的非球形颗粒优先与平均剪切对齐，并且当局部应变波动时间歇地翻滚。这种复杂的行为在这里研究的惯性，棒状颗粒嵌入在一个二维的湍流均匀剪切。一个拉格朗日随机模型的杆角动力学的介绍和比较直接数值模拟的结果。该模型包括在叠加一个短期相关的随机成分的稳定的大规模平均剪切，从而可以整合分析。为了重现数值获得的单次取向统计，它被发现，一个必须正确地考虑的平均剪切的综合效果，各向异性的速度梯度波动，并为持续旋转结构的存在下，在流中的偏置拉格朗日统计。然后，该模型用于解决两次统计。通过引入杆展开角的定态概率通量，将翻滚速率的概念推广到扩散动力学。该模型被发现重现的平均剪切的平均值和方差的纤维角增量的长期影响。然而，它并没有再现在中间时间的数值中观察到的复杂行为：展开角非常类似于具有显示中间幂律尾部的增量分布的Lévy行走。
2022-12-13 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Reducing turbulent transport in tokamaks by combining intrinsic rotation and the low momentum diffusivity regime
本研究提出结合上下不对称磁面塑形与低动量扩散率区，利用内禀动量通量产生强流动剪切，从而降低球形托卡马克湍流能量输运并提升临界梯度。
2025-06-11 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Pair statistics of oblate spheroids settling in a turbulent flow
本文通过直接数值模拟研究湍流中沉降扁球体的聚集与配对统计，发现各向异性越强聚集越显著，且接近速率偏离球形颗粒极限，为云中冰晶碰撞模型提供关键输入。
2025-04-09 physics.flu-dyn
Convective overshooting and penetration in a Boussinesq spherical shell
我们研究了与湍流对流运动从对流区（CZ）延伸到位于后者下方的稳定区（RZ）相关的动力学。为此，我们已经运行了一系列的三维直接数值模拟解决纳维-斯托克斯方程的Boussinesq近似下的球壳几何。我们观察到，过冲的湍流运动到稳定的分层区域取决于三个不同的参数：RZ的相对稳定性，两者之间的过渡宽度，和湍流的强度。在所研究的情况下，这些运动管理，部分改变热分层和诱导热混合，但不那么有效地扩展标称CZ进一步向下进入稳定区域。我们发现对流区下方的动能可以用半高斯分布来模拟，其振幅和宽度可以先验地预测。我们研究不同的动态lengthscales相关的深度延伸到RZ的运动，我们发现，他们都规模非常好的lengthscale，源于一个简单的充满活力的参数。我们讨论了我们的研究结果的影响，一维恒星演化计算。
2018-10-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Finite-size effects in the dynamics of neutrally buoyant particles in turbulent flow
本文研究了由湍流输送的中性浮力颗粒的动力学特性，这些颗粒的半径为Kolmogorov耗散尺度或更大。Pasquetti等人（2008）提出的伪惩罚谱方法适用于数值积分粒子和流体的同时动力学。这样的方法给出了一个独特的处理点粒子近似的有效性的限制，这是一般用于应用场合。分析预测的基础上，这样的模型进行比较，非常好地解决直接数值模拟的结果。得到的证据表明，Faxen校正给占主导地位的有限尺寸的修正粒子直径的速度和加速度波动高达四倍的柯尔莫哥洛夫尺度。具有较大直径的粒子的动力学由惯性范围物理学主导，并且与从量纲分析获得的预测一致。
2009-09-30 physics.flu-dyn
How do the finite-size particles modify the drag in Taylor-Couette turbulent flow
实验研究了Taylor-Couette（TC）湍流中具有不同长宽比的中性浮力有限尺寸颗粒对阻力的影响。当前雷诺数$Re$的范围为$6.5\times10^3$至$2.6\times10^4$，颗粒体积分数$Φ$最高为$10\%$。使用具有三种纵横比$λ$的颗粒：$λ=1/3$（扁）、$λ=1$（球形）和$λ=3$（扁长）。与气泡TC流的情况下，我们发现，悬浮的有限尺寸的颗粒增加TC系统的阻力，而不管它们的纵横比。此外，归一化摩擦系数$c_{f,Φ}/c_{f,Φ=0}$随$Re$的增加而减小，原因可能是在当前低体积分数下，湍流应力在较高的$Re$下变得占主导地位。随着$Re$的增加，颗粒在整个系统中的分布更加均匀，这是由于在较高的$Re$下，颗粒的湍流强度更大，有限尺寸效应更明显。此外，还发现颗粒长径比的变化导致不同的颗粒聚集效应。悬浮的球形颗粒倾向于聚集在壁面附近并形成颗粒层，显著地影响边界层并导致最大阻力修改。最小的阻力修改被发现在扁圆的情况下，其中的颗粒优先集群在散装区域，因此颗粒层是不存在的。基于光学测量结果，可以得出结论，在低体积分数范围内（这里是$Φ=0.5\%$和$Φ= 2\%$），较大的阻力修改与近壁颗粒聚集有关。目前的研究结果表明，颗粒形状起着显着的作用，在阻力修改。
2021-12-23 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
Symmetry reduction of turbulent pipe flows
我们提出并应用基于傅立叶的对称性约简方案，以消除或商，流向的平移对称性的激光诱导荧光测量湍流管流被视为动力系统在高维状态空间。本文还解释了泰勒假设与湍流轨道在状态空间中的同动标架速度$U_{d}$之间的关系。特别是，在物理空间中，我们观察到变形的流动结构，因为它们平流下游的速度，显着不同的$U_{d}$。实际上，在雷诺数$\mathfrak{\mathsf{Re}}=3200$下平面染料浓度场的对称性约化分析揭示了高浓度峰平流的速度$u$大约是$U_{d}$的1.43倍。在物理上有意义的简化的坐标系中，超速度$u-U_{d}\approx0.43U_{d}$可以根据与状态空间中的轨道相关联的所谓几何相速度$U_{g}$来解释。“自推进速度”$U_{g}$是由被动标量结构的形状变化动力学引起的，在低雷诺数下观察到的被动标量结构类似于游泳者。
2015-07-05 physics.flu-dyn
Statistical model for the orientation of non-spherical particles settling in turbulence
小的各向异性颗粒在湍流流体中沉降的方向决定了悬浮液的一些基本性质。我们发现，通过湍流沉降的小重球体的取向分布可以准确地预测一个简单的高斯统计模型，考虑到粒子的惯性，并提供了一个定量的理解时，流体惯性可以忽略不计的问题参数的取向分布。我们的研究结果开辟了一条道路的冰晶在云中的分布参数化，并可能导致辐射反射，或粒子聚集通过碰撞在云中的更好的理解。
2017-07-27 physics.flu-dyn
Symmetry-reduced Dynamic Mode Decomposition of Near-wall Turbulence
数据驱动的降维方法，如适当的正交分解（POD）和动态模式分解（DMD）已被证明是有用的探索复杂的现象在流体动力学和超越。这些技术的一个众所周知的挑战是由连续的对称性，例如平移和旋转，所考虑的系统中的漂移的数据占主导地位的模态扩展，而不提供洞察的动态问题。在本研究中，我们解决了这个问题，在矩形通道中的流体流动，制定了一个连续的对称性减少的方法，同时消除了在流向和展向方向的平移。我们证明了我们的方法，通过计算从过渡平面Couette和湍流平面Poiffille流模拟获得的数据的滑动窗口的简化动态模式分解（SRDMD）。在前一种情况下，SRDMD捕获附近的平移对称性，即行波和相对周期轨道的不变解的动态，而在后者中，我们的计算揭示了湍流时间演化的情节，可以近似为一个低维线性膨胀。
2022-11-28 nlin.CD physics.flu-dyn
A comparative study of immersed boundary method and interpolated bounce-back scheme for no-slip boundary treatment in the lattice Boltzmann method: Part II, turbulent flows
在本研究的第一部分中，我们比较了两类无滑移边界处理的性能，即，在一系列的层流模拟中的格子玻尔兹曼方法内插反弹格式和浸没边界方法。在这第二部分中，这些边界处理在具有复杂几何形状的湍流的模拟中被进一步比较，以提供对这些方案的下一级评估。两个非平凡的湍流问题，充分发展的湍流管流在低雷诺数，和衰减的均匀各向同性湍流充满了大量的解决球形颗粒。本研究揭示的浸入边界法的主要问题是它无法计算扩散界面内的局部速度梯度，这可能会导致显着低估耗散率和粘性扩散局部附近的颗粒表面。另外，这两类无滑移边界处理能够提供准确的结果，为大多数的湍流统计在载体和分散相，提供足够的网格分辨率被使用。
2019-06-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Attenuation of turbulence in a periodic cube by finite-size spherical solid particles
为了研究由于添加球形固体颗粒而导致的周期性立方体中湍流的衰减，我们使用浸没边界方法进行直接数值模拟，并解决每个颗粒周围的流动。对固定体积分数的$Λ$系统地改变颗粒直径和Stokes数的数值结果表明，颗粒尾流中的附加能量耗散率决定了湍流动能的衰减程度。在此基础上，提出了描述湍流强度衰减条件和衰减程度的公式。结果表明，当$γ$和$Λ$一定时，颗粒尺寸与$λ/\sqrtγ$成正比（$λ$和$γ$分别为颗粒与流体的泰勒长度和质量密度比）的颗粒对湍流发展的影响最大.
2022-09-17 physics.flu-dyn
Statistics of relative velocity for particles settling under gravity in a turbulent flow
我们研究了联合概率分布的分离，$R$，和径向分量的相对速度，$V_{\rm R}$，颗粒沉降在重力下的湍流。我们还获得了这些分布的矩，并使用球谐函数分析它们的各向异性。我们发现，联合分布的定性性质仍然是相同的，没有重力的情况下。对于固定的$R$值，$V_{\rm R}$的分布在一定范围内对$V_{\rm R}$呈幂律依赖，幂律指数依赖于重力。重力的影响也表现在以下方面：（a）分布的矩是各向异性的;各向异性的程度取决于粒子的斯托克斯数，但不取决于$R$为小值的$R$。(b)两个粒子之间的碰撞的平均速度对于具有相等斯托克斯数的粒子减小，但是对于具有不同斯托克斯数的粒子增大。对于后者，碰撞速度由它们的沉降速度之差决定。
2020-01-08 physics.flu-dyn
An investigation of anisotropy in the bubbly turbulent flow via direct numerical simulations
本文通过界面解析DNS结合CLSVOF方法，研究通道内泡状湍流在不同气泡数量、流动方向和Eotvos数下的各向异性特征，揭示气泡近壁聚集或中心聚集对湍动能收支和雷诺应力平衡的影响机制。
2024-06-06 physics.flu-dyn
Sedimentation of finite-size spheres in quiescent and turbulent environments
分散固体相的沉降在应用和环境流动中广泛遇到，然而对于均匀各向同性湍流中有限尺寸颗粒的行为知之甚少。为了填补这一空白，我们进行直接数值模拟的沉降在静止和湍流环境中使用浸没边界法占分散的刚性球形颗粒。所考虑的固体体积分数为0.5 - 1%，而固体与流体的密度比为1.02。粒子半径被选择为大约6个Komlogorov长度尺度。结果表明，平均沉降速度是较低的，在一个已经湍流比在静止的流体。对于所研究的两种体积分数，相对于静止流体中的单个颗粒的减少约为12%和14%。粒子速度的概率密度函数在湍流中几乎是高斯分布的，而在静止流体中则显示出较大的正尾。这些尾巴与颗粒对在拖曳-亲吻-翻滚运动中的间歇性快速沉降有关。颗粒横向分散在湍流中更高，而令人惊讶的是，垂直分散由于在静止流体中观察到的高度间歇性行为而具有相当的量级。使用的平均相对速度的概念，我们估计的平均阻力系数的经验公式，并表明，非平稳的影响，有关的旋涡脱落，解释在湍流环境中的平均沉降速度的减少。
2015-11-18 physics.flu-dyn
Large Scale GPU Based Simulations of Turbulent Bubbly Flow in a Square Duct
本文给出了周期性垂直方管内气水两相湍流泡状流的数值研究结果。该研究是使用一种新的数值技术，利用流体体积法的接口捕获和夏普表面力的方法精确表示的表面张力力。在求解界面方程时，采用了三维几何构造法，保证了气液两相之间的绝对质量守恒和清晰界面。整个算法在多个图形处理单元（GPU）上以数据并行模式实现，利用了大量的可用内核。我们研究了一群球形气泡与向上的湍流共同流动的动力学，并与空载湍流的结果进行了比较。空载$Re_τ$的摩擦雷诺数为360，足以维持湍流。在平均流中，我们观察到了由湍流驱动的二次流，以及复杂的瞬时湍流涡结构。这些二次流与向上上升的气泡的相互作用是非常复杂的，并导致瞬时和时间平均流场的显着变化。给出了沿壁面、角平分线和壁面平分线的平均含气率分布、平均速度、纵向和横向湍流强度。观察到在壁附近的空隙率分布中的峰值，代表气泡向管道的优选部分的迁移。讨论了湍流驱动的二次流和瞬时大涡对气泡优先浓度的影响。分散的气泡打破了通常在空载湍流中观察到的细长湍流结构。
2022-12-24 physics.flu-dyn
Simulations of the kinematic dynamo onset of spherical Couette flows with smooth and rough boundaries
数值研究了不可压缩导电流体填充两个同心球间隙时的发电机相变。在第一系列模拟中，流体由光滑内球通过无滑移边界条件的旋转驱动，而外球是静止的。在第二个系列中，旨在模拟粗糙表面的体积力在厚度为间隙宽度的十分之一的层内驱动靠近内球的流体。本文研究了湍流区边界层厚度对发电机阈值的影响。模拟结果表明，模拟粗糙表面的边界强迫降低了所需的旋转速率，这可能有助于改善球形发电机实验。
2012-06-21 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Buoyant finite-size particles in turbulent duct flow
本文采用粒子图像测速技术（PIV）和粒子跟踪测速技术（PTV）研究了水平方管湍流中比载流稍重的有限尺寸球形粒子的动力学行为。界面解析直接数值模拟（DNS）也进行了浸没边界法（IBM）在相同的实验条件下，散装雷诺数$Re_{2H}$ = 5600，管道高度颗粒尺寸比$2H/d_p$ = 14.5，颗粒体积分数$Φ$ = 1%和颗粒流体密度比$ρ_p/ρ_f$ = 1.0035。在两相的总压降、浓度分布和湍流统计方面，实验和模拟之间已经观察到了很好的一致性。在相同的$Re_{2H}$下，报告了考虑两种粒度$2H/d_p$ = 14.5和9以及多个$Φ$ = 1、2、3、4和5%的附加实验结果。对于上述参数，压降随体积分数单调增加，几乎是线性的，几乎与颗粒尺寸无关。然而，尽管相似的压降，微观图像，流体速度统计，显着不同的颗粒大小。模拟和实验之间的这种一对一的比较扩展了复杂的湍流多相流中的界面分辨DNS的有效性，并突出了实验在相当详细的情况下调查这种流动的能力，即使在局部体积分数相对较高的区域。
2018-11-28 physics.flu-dyn
Long rigid fibres in a turbulent channel flow: comparison between experiments and simulations
CNRS（法国国家科学研究中心）；INPHYNI（物理化学与纳米材料研究所）；Inria（法国国家计算机科学与自动化研究所）
研究湍流通道流中长刚性纤维动力学，通过实验和模拟对比，用基于离壁距离的统计表征纤维长度等因素影响，发现实验与模拟在取向、翻滚吻合好，平移速度差异大，突出模型未完全体现的沉降等影响。
2026-07-22 physics.flu-dyn
Slip-velocity of large neutrally-buoyant particles in turbulent flows
我们讨论了描述大颗粒和湍流之间的相对运动的随机滑移速度的可能定义。这个定义是必要的，因为当颗粒尺寸落在环境湍流的惯性子范围内时，标准阻力模型中使用的滑移速度失效。我们提出了两个定义，选择部分是因为它们的简单性：它们不需要过滤的流体相速度场，也不需要建设的条件平均粒子的位置。这种简单性的一个关键好处是，这里提出的随机滑移速度可以同样很好地计算实验室，现场和数值实验。随机滑移速度允许定义雷诺数，该雷诺数应指示湍流中的大颗粒是否表现为（a）被动示踪剂;（b）速度场的线性滤波器;或（c）速度场的非线性滤波器。我们计算的随机滑移椭球和球形颗粒（泰勒微尺度的大小）在实验室均匀各向同性湍流测量的值。所得的雷诺数是显着高于1的颗粒形状，和速度统计表明，颗粒运动是一个复杂的非线性函数的流体速度。我们进一步研究的非线性关系，通过比较粒子和流体相的脉动速度的概率分布。
2013-09-09 physics.flu-dyn
Lumley Decomposition of the Turbulent Round Jet Far-field. Part 1 -- Kinematics
目前的工作提出了Lumley分解（LD）的张量公式，它是由Lumley（1967 b）以其原始形式引入的，允许在曲线坐标系中分解湍流场。LD在他的形式示出，使半解析分解的自相似湍流在一般坐标系。分解应用于充分发展的湍流轴对称射流的远场区域，其表示在拉伸球坐标系中，以利用流的自相似性质，同时确保LD积分的自伴性。从LD积分推导出流向方向的最佳特征函数为拉伸振幅衰减傅立叶模（SADFM）。在矢量空间定义中引入一个流向衰减的权函数，从LD积分中得到SADFM。傅立叶模式的波长在流向方向上线性增加，其幅度随着与虚拟原点的距离的-3/2幂而衰减。SADFM重新组合的流向演变逆转了表面波已知的波浪变浅。从这些SADFM获得的能量谱和交叉谱分别显示出-5/3和-7/3斜率区域，正如均匀和恒定剪切流中规则傅立叶模式所预期的那样。在这项工作中引入的方法可以扩展到其他流承认平衡相似性，这样，沿不均匀的流动方向可以进行基于傅立叶分解。
2019-09-04 physics.flu-dyn
Distributed chaos tuned to large scale coherent motions in turbulence
直接数值模拟和实验结果表明，在各向异性非均匀湍流中，分布混沌往往被调谐为大尺度相干运动。所考虑的例子是：充分发展的湍流边界层（相干范围：$14 < y^{+} < 80$）、湍流热对流（在水平圆柱体中）和Cuette-Taylor流。本文介绍了两种调谐方法：一种是通过基频（波数），另一种是通过次谐波（倍周期）。对于第二种方式，大尺度相干运动是分布混沌的自然组成部分。在所有考虑的情况下，空间平移对称性的自发破缺都伴随着反射对称性破缺。
2016-05-16 nlin.CD physics.flu-dyn
Buoyant Motion of a Turbulent Thermal
通过引入一个等效的静磁学和浮力运动方程，我们推导出孤立的密度异常，a.k.a.的加速度的解析表达式。热气流特别是，我们调查浮力加速度，定义为阿基米德浮力$B$和相关的扰动压力梯度的总和。对于均匀球形热的情况，异常流体在$2B/3$加速，将固体球的诱导质量的教科书结果扩展到流体球的情况。对于一个更一般的椭球热，我们表明，浮力加速度是一个简单的分析函数的椭球的纵横比。这些理想化的均匀密度的结果，湍流热气流的相关性进行了探讨，通过分析直接数值模拟的热气流在$\textit{Re}=6300$。我们发现，我们的研究结果充分表征热的初始运动的距离相当于它的长度。在这种浮力主导的制度之外，热发展成椭圆形涡旋环流，并开始夹带环境流体。我们的分析表达式不描述这个成熟的热的总加速度，但仍然准确地将浮力加速度与热的平均阿基米德浮力和纵横比。因此，我们的解析公式提供了一个简单而直接的手段来估计湍流热气流的浮力加速度。
2018-09-23 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A Spherical Plasma Dynamo Experiment
我们提出了一个等离子体实验，用于研究天体物理发电机的基本性质。高传导性、快速流动的等离子体将使实验者能够探索磁雷诺数比液态金属实验大一个数量级的系统。等离子体被限制使用一个环尖策略，并受到一个环形差动旋转外边界条件。作为原则的证明，我们提出了磁流体动力学模拟所提出的实验。当一个冯卡门型边界条件被指定，和磁雷诺数是足够大的，发电机行动观察。在不同值的磁普朗特数和雷诺数的模拟演示层流或湍流发电机的行动。
2009-04-07 astro-ph.EP astro-ph.GA physics.flu-dyn
Effect of turbulent fluctuations on the drag and lift forces on a towed sphere and its boundary layer
采用高分辨率直接数值模拟方法研究了湍流脉动对流体作用于拖曳球形颗粒的力的影响。测量进行了使用一种新的计划，以整合的颗粒和不可压缩的周围流体流动保持在高雷诺数湍流制度之间的双向耦合。其主要思想是将流体的傅立叶伪谱方法与浸入边界技术相结合，在颗粒表面施加无滑移边界条件。基准测试的代码显示出良好的协议与其他团体的实验和数值测量。本文还报道了球下游湍流尾流的研究。的平均速度赤字表现为从粒子的距离的倒数，从经典的相似性分析预测。这一法律是重新解释的“永久性的大涡”的原则，涉及红外渐近自相似性的均匀湍流的能量衰减规律。开发的方法，然后用来攻击的上游流，是在一个发达的湍流制度的问题。结果表明，平均阻力的增加作为湍流强度和颗粒雷诺数的函数。这种增加明显大于基于层流上游流的标准阻力相关性所预测的。结果表明，相关参数是粘性边界层厚度与环境湍流耗散尺度的比值。小尺度湍流脉动改变了球体周围的平均速度和压力分布，从而增强了阻力。
2013-01-28 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Particle resolved simulation of sediment transport by a hybrid parallel approach
采用混合并行粒子模拟方法研究了可蚀性河床上的泥沙输移问题。为了克服传统区域分解法在泥沙输运中遇到颗粒分布高度不均匀时负荷不平衡的挑战，提出了Darmana等的并行方法。（2006）最初是为点粒子模拟开发的，被修改并实现为粒子分辨模拟。提出了一种新的内存优化技术，以减少相同大小的球形粒子的混合方法的内存需求。在具有超过一百万个球形颗粒的具有挑战性的沉积物输运测试案例中，本混合并行方法显示出良好的可扩展性和高并行效率。我们的代码进行了验证，通过几个基准的情况下，结果显示出良好的协议与文献中的实验和计算数据。此外，还模拟了可蚀性泥沙床面上的湍流。提出了一种区分跃移和滚动颗粒的提取方法，并提取了颗粒-移动床相互作用的冲击和反弹信息。给出了冲击和反弹过程中速度、角度和展向角速度等跃移参数的概率分布函数。建立了湍流中颗粒-移动床相互作用的飞溅函数，这一实验研究较少，有助于模拟湍流中复杂的颗粒-床相互作用。
2022-07-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
