Energy partition in magnetohydrodynamic turbulence
本文通过分析 MHD 湍流能量方程，给出动能与磁能分配关系，指出其由最大涡旋的磁长度尺度和速度长度尺度之比决定。
2025-06-07 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
A correction term for the asymptotic scaling of drag in flat-plate turbulent boundary layers
本文提出通过流体方向平均速度对数定律推导修正项，修正平板湍流边界层阻力渐近尺度的理论模型。
2021-04-06 physics.flu-dyn
On the turbulent energy cascade in anisotropic magnetohydrodynamic turbulence
基于非线性相互作用的弱性和级联能量在波矢空间的各向异性，用唯象理论讨论了太阳风等离子体中Alfvénic湍流能量级联的发生问题.在这里，这个悖论是审查通过正式推导的Yaglom关系从各向异性磁流体动力学方程。Yaglom关系式涉及由速度和磁场计算的三阶矩，并涉及两个Elsässer矢量场，就湍流的航天器观测而言，特别有用。
2010-03-02 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Spectral Modeling of Magnetohydrodynamic Turbulent Flows
基于涡阻尼拟正态马尔可夫近似，提出了一种用于不可压磁流体动力学方程大涡模拟的动力学谱模型。该模型扩展了经典的频谱大涡模拟的纳维-斯托克斯方程，将一般（非Kolmogorovian）的频谱以及涡噪声。我们推导出MHD模型，并表明，引入一个新的涡流阻尼时间的频谱张量的动力学之间的速度和磁场均分的情况下，导致更好的协议与直接的数值模拟，发电机计算的一个重要点。
2008-03-31 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Substantial drag reduction in turbulent flow using liquid-infused surfaces
实验演示了如何液体注入表面可以显着减少泰勒-库埃特流的湍流阻力。测试液体是水，测试表面由尺寸为100 $μ$ m至800 $μ$ m的方形微观凹槽组成，填充有粘度为水的0.3至1.4倍的烷烃液体。我们实现了阻力减少超过35\%，四倍以上，比以前报道的液体注入表面在湍流。减阻水平随粘度比、槽宽、流体面积分数和雷诺数的增加而增加。利用$w^+ \approx 35$给出了最佳槽宽。
2017-06-29 physics.flu-dyn
Drag reduction by polymer additives from turbulent spectra
本文推广了G. Gioia，P. Chakraborty和N. Goldenfeld（GCG）（G. Gioia和P.Chakraborty，Phys.Rev.Lett. 96，044502（2006），N. Goldenfeld，Phys. Rev. Lett. 96，044503（2006））到通过聚合物添加剂降低阻力的情况。
2010-11-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Superhydrophobic surfaces to reduce form drag in turbulent separated flows
作用于在流体中运动的物体上的阻力有两个分量，即由于流体粘性引起的摩擦阻力和由于物体后面的流动分离引起的形状阻力。当存在时，形状阻力通常是两者之间最重要的，并且在许多应用中，流线型有效地减少或防止流动分离。正如这里所研究的，当工作流体是水时，一种很有前途的减阻技术是用超疏水表面修饰物体的壁。这些表面在其粗糙度中捕获气泡，避免液体与壁的直接接触。超疏水表面已经被广泛研究用于减少摩擦阻力。我们表明，它们在减少湍流中的流动分离方面也是有效的，因此在减少形状阻力方面也是有效的。通过研究钝体上的湍流的数值模拟，证明了它们的概念有效性，钝体由通道内的凸起表示，其被修改为不同的超疏水表面。这里所示的方法有助于新的和强大的技术，为减少阻力的钝体。
2022-05-08 physics.flu-dyn
Additive Equivalence in Turbulent Drag Reduction by Flexible and Rodlike Polymers
我们解决的“添加剂等效性”发现的Virk和同事：阻力减少的影响，灵活和刚性棒状聚合物添加到湍流壁有界的流动是有限的，从上面一个非常相似的最大阻力减少（MDR）渐近线。考虑到棒状聚合物在壁有界湍流合奏的运动方程，我们表明，虽然微观机制实现MDR是非常不同的，宏观理论是同构的，合理化有趣的实验观察。
2005-01-13 nlin.CD physics.flu-dyn
Self-organisation and non-linear dynamics in driven magnetohydrodynamic turbulent flows
采用直接数值模拟的方法研究了零螺旋度随机机械和电磁外力驱动下的磁流体动力学湍流。它示出，尽管没有螺旋的强迫，系统被吸引到自组织的螺旋状态，表现出层流行为，尽管检查雷诺数的大值。我们表明，相关时间的外力控制的时间花费在这些状态，即短的相关时间的系统保持在湍流状态，而随着相关时间的增加，系统花费越来越多的时间在自组织状态。因此，时间平均统计数据可能会受到在这些状态上花费的时间的显著影响。这些结果对于理解等离子体聚变装置以及天体物理观测中的非线性抑制具有重要的理论意义。
2014-06-11 astro-ph.SR nlin.AO nlin.CD
Modification of Turbulent Boundary Layer Coherent Structures with Drag Reducing Polymer Solution
本文通过时间分辨粒子图像测速仪的两点相关检验，研究了通过减阻湍流边界层对数区的主要相干结构的修正。在聚合物海洋（均匀浓度）中，在对应于低减阻状态（< 40%）、高减阻（HDR）状态（>40%）和中间水平（46%）的减阻水平下获得测量值。将平均速度剖面和两点关联式与水（牛顿流体，DR = 0%）的剖面和两点关联式进行比较。这些结果表明，随着阻力减少的增加，这些占主导地位的相干结构的倾斜度减小，其流向范围增加，并抑制相关性的波动（特别是在HDR）。这些意见进行了检查与相干结构文献（牛顿和聚合物）。
2020-01-10 physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction: A universal perspective from energy fluxes
在湍流中注入稀聚合物可抑制摩擦阻力。由于流动的复杂性，这个具有挑战性和技术重要性的问题仍然没有得到解决。减阻的一个重要因素是从速度场到聚合物的能量传递。在本文中，我们量化这个过程中使用的能量通量，以及显示其在不同的流量，如磁流体力学，准静态磁流体力学，和气泡湍流的普遍性。我们表明，在这样的流动中，从动能到弹性能量的转移导致减少动能通量相比，相应的流体动力学湍流。这导致速度场的非线性降低，从而导致更有序的流动和湍流阻力的抑制。
2019-04-25 nlin.CD physics.flu-dyn
The Role of Vortex Stretching in Drag Reduction of Polymer-Laden Turbulent Flow
本文从聚合物减弱涡拉伸的机制出发，推导出含聚合物湍流的平均速度剖面理论预测，并通过数值实验与管道流动实验数据验证了该理论对减阻现象的描述能力。
2025-08-21 physics.flu-dyn
Nonlinear traveling waves as a framework for understanding turbulent drag reduction
非线性行波是层流-湍流转捩的前兆，它捕获了湍流缓冲层的主要结构，最近被发现存在于所有典型的平行流几何结构中。我们研究了聚合物添加剂对这些“精确相干态”（ECS）的影响，在平面Poietille几何。湍流减阻现象的许多关键方面被发现，包括：过渡到湍流的延迟;减阻起始阈值;直径和浓度效应。此外，ECS存在区域的检查导致一个独特的预测，与实验一致，关于最大减阻制度的性质。具体而言，在足够高的壁剪切速率，粘弹性被发现完全抑制正常（即流向涡为主）的近壁区域的动态，表明最大减阻制度是由一个独特的类流结构为主。
2006-01-24 nlin.CD 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
Model-based design of riblets for turbulent drag reduction
实验和直接数值模拟都已证明，沟槽可以减少湍流阻力多达$10\%$，但他们的系统设计仍然是一个开放的挑战。在本文中，我们开发了一个基于模型的框架，以量化的影响，顺向排列的展向周期性条纹的动能和皮肤摩擦阻力在湍流槽道流。我们在纳维-斯托克斯方程中模拟了沟槽作为体积惩罚的影响，并使用涡粘性增强线性化方程的统计响应来量化背景湍流对平均速度和蒙皮摩擦阻力的影响。对于三角形riblets，我们的模拟免费的方法可靠地预测阻力减少的趋势，以及机制，导致性能恶化的大riblets。我们调查的高度和间距的减阻效果，并证明了能量抑制和适当大小的沟槽减阻之间的相关性。我们还分析了沟槽的减阻机制和湍流结构，包括非常大的尺度运动的效果。我们的研究结果表明，我们的方法在捕获的效果的沟槽上湍流使用的模型是易于分析和优化的效用。
2020-08-27 math.AP math.DS math.OC
Energy spectrum of turbulent fluctuations in boundary driven reduced magnetohydrodynamics
通过对磁流体动力学方程的数值模拟，研究了磁通量绳束在其端点处的稳态流体运动驱动下的非线性动力学行为。MHD湍流的发展示出，系统达到的状态，其特征在于由阿尔芬时间（不可压缩的MHD波沿着场线行进的时间）和驱动运动的对流时间尺度之间的比率。这个时间尺度的比率决定了能量谱和从弱到强湍流的不同区域的弛豫。与唯象理论的连接MHD湍流的能量谱。
2003-09-26 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Turbulent drag in a rotating frame
在旋转流体中运动的物体所受到的紊流阻力是多少？通过测量在安装在以速率$Ω$旋转的平台上的水箱中以恒定角速度$ω$驱动叶轮所需的扭矩，可以解决这个开放的和基本的问题。我们报告了一个戏剧性的减少阻力$Ω$增加，下降到值低至$12$ \%的非旋转阻力。在小Rossby数$Ro = ω/Ω$下，阻力系数$K$的减小遵循非线性惯性波相互作用和弱湍流理论框架中预测的近似标度律$K \sim Ro$。然而，立体粒子图像测速测量表明，这种减阻，而源自与大尺度流的二维化的湍流强度的减弱。
2016-03-21 physics.flu-dyn
Magnetic Dissipation of Near-Wall Turbulent Coherent Structures in Magnetohydrodynamic Pipe Flows
利用外部静态磁场使壁面有界湍流再层化是低磁雷诺数下导电流体物理学中的一个众所周知的现象。尽管关于这个问题的文献很多，但还不完全清楚哈特曼（$M$）和雷诺数的什么组合必须用于预测无磁扰动的上游湍流供给的通道或管流中的层流-湍流转捩。依赖于标准的唯象方法与混合长度和结构的概念，我们提出，$M/R_τ$，其中$R_τ$是摩擦雷诺数，是适当的控制参数再层化，一个建议，找到了很好的支持，从现有的实验数据。
2020-04-08 physics.app-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Drag reduction utilizing a wall-attached ferrofluid film in turbulent channel flow
本研究探讨了在湍流通道流中利用壁面附着铁磁流体薄膜减阻，通过2D-PTV和界面追踪算法发现，即使界面形成不稳定行波，小波幅利于减阻，大波幅下滑移效应仍能克服湍流脉动实现整体减阻。
2024-01-24 physics.flu-dyn
Classes of hydrodynamic and magnetohydrodynamic turbulent decay
我们进行数值模拟衰减流体动力学和磁流体动力学湍流。我们分类我们的时间依赖的解决方案，其演变轨迹之间的瞬时标度指数的参数图。我们发现不同的类的解决方案沿着特定的轨迹朝着点上的自相似的解决方案。这些轨迹是由个别情况下的基本物理决定的，而初始条件的红外斜率只起有限的作用。在螺旋线的情况下，即使对于尺度不变的初始谱（与波数k成反比），解也会沿着与巴彻勒谱（与k成正比）相同的轨迹演化。
2017-02-04 astro-ph.CO astro-ph.SR physics.flu-dyn
Streamwise oscillation of spanwise velocity at the wall of a channel for turbulent drag reduction
通过DNS研究了槽道流动的定常壁面强迫，以评估其降低湍流摩擦阻力的能力。壁面强迫由沿流向交替变化的展向速度的固定分布组成。强迫背后的想法建立在现有的展向壁面振荡技术的基础上，并利用流动的对流性质来实现与湍流的非定常相互作用。该分析利用了等效层流，通过解析求解该等效层流，以表明强迫的能量成本不受湍流的影响。在一个湍流，交替强迫被发现表现类似的振荡壁，特别是一个最佳的波长被发现，产生最大的减少湍流阻力。能量性能得到显着改善，在大强度的强迫下，最大摩擦节省了50%以上，而在较小强度下，净能量节省了23%。这种稳定的、基于壁面的强迫可以为被动地与湍流相互作用铺平道路，以通过设计成激发选定的流向波长的适当粗糙度分布来实现阻力减小。
2009-10-31 physics.flu-dyn
Wall-oscillation conditions for drag reduction in turbulent channel flow
采用直接数值模拟方法研究了壁面展向正弦振动对槽道湍流减阻特性的影响。本文的工作是基于阻力减小与参数$S$、最大壁面速度和振荡周期的函数之间的线性关系。这个量已经通过与振荡斯托克斯层对近壁湍流动力学的作用有关的物理参数被发现。利用尺度参数的预测潜力，以深入了解振荡壁技术的减阻效果。第一次研究了在给定的最大壁面位移下，保证最大减阻的振荡周期。还讨论了产生非零减阻效果所需的最小壁面作用力强度以及减阻对雷诺数的依赖性。在文献中提供的减阻数据进行了比较与预测给出的缩放参数，从而达到一个全面的视图的最先进的。
2008-02-01 physics.flu-dyn
On scaling laws in turbulent magnetohydrodynamic Rayleigh-Benard convection
我们调用磁边界层和磁瑞利数的概念，并使用在体和边界层的磁能量耗散率导出一些标度律表示如何Nusselt数依赖于磁瑞利数，普朗特数和磁普朗特数的湍流磁流体动力学Rayleigh-Benard对流在均匀垂直磁场的存在下的简单情况。
2008-02-12 physics.flu-dyn
A model for slip and drag in turbulent flows over superhydrophobic surfaces with surfactant
超疏水表面可以降低湍流中的摩擦阻力。在层流状态下，已经表明痕量的表面活性剂可以抵消这种阻力降低，有时使这些表面不比固体壁好（Peaudecerf等人，Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114（28），7254-9，2017）。然而，表面活性剂对SHS减阻性能的影响尚未在湍流条件下进行研究，根据当今的标准，预测表面活性剂在直接数值模拟中的影响仍然很昂贵。我们提出了一个湍流模型，包括表面活性剂，在通道或边界层配置，在长但有限长度的流向脊是周期性的展向方向，周期$P$和气体分数$φ$。我们采用了一种基于移位对数定律的技术来获得减阻的表达式。平均流向和展向滑移长度是通过在粘性子层内引入局部层流模型而得到的，由此通过修改平均流向和展向滑移长度来模拟表面活性剂的作用。我们的模型同意从文献中获得的实验室实验数据时，条件是干净的（无表面活性剂），或当有低的表面活性剂水平。然而，我们发现一个明显的阻力增加较大的背景表面活性剂浓度的特点，湍流在SHS海洋应用。
2023-02-03 physics.flu-dyn
Causal structures of turbulent skin-friction drag in wall-bounded turbulent flows
School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学航空宇航学院）
本研究利用Liang-Kleeman信息流方法揭示湍流中皮肤摩擦阻力的因果结构，发现其与纵向条纹和涡旋的动态过程相关，提供更明确的因果关系解释。
2026-02-03 physics.flu-dyn
Composite active drag control in turbulent channel flows
通过对不可压纳维-斯托克斯方程的直接数值模拟，研究了在槽道湍流中采用反作用（OC）和展向反作用壁面射流强迫（SOJF）相结合的复合阻力控制（CDC）方法。CDC的最大减阻率约为33%，远高于任何一种单独的方法（即SOJF为19%，OC为23%）。由于OC和SOJF方法所需的小功率输入，通过CDC实现了显著的净功率节省（约32%）。流动分析表明，CDC可以利用OC和SOJF方法来更好地抑制产生阻力的近壁湍流结构-涡和条纹。特别是，由于SOJF产生的大尺度相干漩涡的存在，它是更有效地抑制随机湍流比OC。此外，由于OC在抑制随机小尺度湍流方面的作用，CDC需要比仅使用SOJF的大尺度相干旋流更弱的大尺度相干旋流-因此减少了与大尺度旋流相关的阻力贡献。总之，我们的研究结果表明，采用复合控制策略有效的皮肤摩擦阻力减少的前景，特别是在非常高的雷诺数。
2021-05-04 physics.flu-dyn
Acceleration is the Key to Drag Reduction in Turbulent Flow
通过湍流管流实验发现，管壁方位角振荡的加速度是减阻的关键参数，可使阻力减少30%，并大幅简化现象复杂性，为节能提供新途径。
2024-02-03 physics.flu-dyn
Macroscopic effects of the spectral structure in turbulent flows
湍流的两个方面一直是广泛的，分裂的研究工作的主题：宏观性能，如摩擦阻力所经历的流动通过一个墙，和湍流谱。湍流谱可以说代表了湍流状态的结构;在实践中，它是指数α的幂律（“谱指数”），它给出了大小为s的湍流波动（或“涡流”）的旋转速度作为s的函数。宏观性质和湍流谱之间的联系，如果有的话，仍然缺失。它是否可以通过对比不同类型谱的流动中的摩擦阻力来发现？在这里，我们进行了前所未有的测量的摩擦阻力的皂膜流，其中的光谱指数α= 3，并比较的结果与管流的摩擦阻力，其中的光谱指数α= 5/3。对于中等雷诺数Re（湍流强度的量度），我们发现在皂膜流中摩擦阻力的尺度为Re^{-1/2}，而在管流中摩擦阻力的尺度为Re^{-1/4}。每一种尺度都可以用一种新的理论从伴随的α值来预测，在这种理论中，摩擦阻力与紊流谱有明确的联系。我们的工作表明，在湍流中，在连续相变，宏观性质是由波动的光谱结构。
2009-09-15 physics.flu-dyn
Controlling turbulent drag across electrolytes using electric fields
摩擦力的可逆控制是工业摩擦学中一个尚未解决的关键问题。最近的研究表明，在低滑动速度下，这种控制可以通过在电解质润滑剂上施加电场来实现。然而，在高滑动速度的现象是未知的。在本文中，我们研究了剪切下的流体动力学摩擦超过过渡到湍流。我们开发了一种新的，高度并行化，数值方法求解耦合Navier-Stokes Poisson-Nernest-Planck方程。我们的研究结果表明，湍流阻力不能控制整个稀电解质单独使用静态电场。Poisson-Nernst-Planck形式主义的局限性暗示了利用电场控制湍流阻力的方法。
2017-01-10 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.comp-ph
Drag Reduction by Microbubbles in Turbulent Flows: the Limit of Minute Bubbles
微气泡减阻是一种很有前途的改善船舶性能的工程方法。然而，这种现象的基本理论缺乏，使得实际设计相当冒险。我们在这里提供了一个理论的减阻由微气泡在非常小的气泡的限制，当气泡的效果主要是归一化的密度和粘度的载体流体。该理论的高潮与减阻程度的预测给定的浓度分布的气泡。与实验的比较进行了讨论，并勾画了前进的道路。
2004-07-09 nlin.CD 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
Toward a structural understanding of turbulent drag reduction: nonlinear coherent states in viscoelastic shear flows
非平凡的稳定流最近被发现，捕获的湍流缓冲层的主要结构。我们研究了在平面Couette流中聚合物的加入对这些“精确相干态”的影响。尽管ECS流的简单性，这些效果密切反映了实验观察到的：结构转移到更大的长度尺度，壁正常的波动被抑制，而流向的增强，阻力减少。阐明了这些影响的机制。这些结果表明，ECS是密切相关的缓冲层湍流。
2002-11-20 nlin.CD physics.flu-dyn
Saturation of Turbulent Drag Reduction in Dilute Polymer Solutions
聚合物在湍流附壁流动中的减阻表现出普遍性和非普遍性。最大平均速度分布的普遍性在最近的理论中得到了解释。该分布的饱和度和返回牛顿塞的交叉是非通用的，取决于雷诺数Re、聚合物$c_p$的浓度和聚合度$N_p$。我们解释的机制，饱和源于聚合物的可延伸性的有限性，预测其依赖于$c_p$和$N$在小$c_p$和大Re的限制，并提出了我们的预测的DNA减阻实验的优秀比较。
2004-02-17 nlin.CD physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction over curved walls
本文研究了弯曲壁面上湍流的表面摩擦减阻效应，以期了解摩擦减阻与总气动阻力变化之间的关系。直接数值模拟（DNS）进行了不可压缩的湍流在一个通道，其中一个壁有一个小的凸起，两个凸起的几何形状被认为是，产生轻度分离和附着流。摩擦阻力的减小是通过施加展向速度的流向行波（StTW）来实现的。由StTW产生的局部摩擦减少被发现沿着弯曲壁变化，导致全局摩擦减少，对于所研究的情况，比在平面壁情况下获得的摩擦减少大10%。此外，修改后的表面摩擦引起不可忽略的压力阻力的变化，这是有利的StTW的影响，并在全球范围内减少高达10%。净功率节省，占创建StTW所需的功率，是积极的，并且对于所研究的情况下，是一个比平面的情况下的净节省一半。该研究表明，减少复杂形状物体表面的摩擦会产生进一步的影响，对其进行简单的评估可能会导致低估总的减阻效果。
2020-04-25 physics.flu-dyn
Streamwise-traveling waves of spanwise wall velocity for turbulent drag reduction
本文用直接数值模拟方法研究了槽道湍流中展向速度波在壁面上的传播。我们考虑展向速度的正弦波，它随时间变化，并沿流向方向在空间上被调制。相速度可以是零、正或负，使得波可以是静止的，或者在平均流的方向上向前或向后行进。这种强迫包括两种已知的减小摩擦阻力的技术：振荡壁技术（具有无限相速度的行波）和最近提出的展向速度的稳定分布（具有零相速度的波）。行波显著地改变了摩擦阻力。缓慢向前行进的波产生大的阻力减小，这可以在低雷诺数值下使流动再层化。更快的波产生完全不同的结果，即阻力增加。即使是更快的波浪也会再次产生减阻效果。相反，反向行波导致在任何速度下的阻力减小。当行波减小阻力时，其以与振荡壁类似的方式操作，具有改进的能量效率。当波以与对流近壁湍流结构相当的速度行进时，观察到阻力增加。一个图表说明了不同的流动行为。
2009-01-08 physics.flu-dyn
Effective Medium Theory for Drag Reducing Micro-patterned Surfaces in Turbulent Flows
受莲花效应的启发，过去十年的许多研究都集中在微米和纳米图案化表面上。他们发现，微尺度的图案与高接触角相结合可以显著降低皮肤阻力。然而，控制减阻的机制和参数，如雷诺数和图案的几何形状，仍然不清楚。我们提出了一个有效的介质表示的微观特征，将后者作为一个多孔介质，并提供了一个框架来模拟流动图案化的表面在Cassie和Wenzel状态。我们的主要结果是一个封闭形式的表达式的摩擦雷诺数（或卡门）在湍流状态下的表面摩擦系数，流体之间的粘度比和以上的功能，和它们的几何特性。我们将所提出的模型应用于超疏水脊状表面上的湍流。雷诺数从3000到10000的模型预测同意与实验室实验。
2013-11-29 physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction by anisotropic permeable substrates $-$ analysis and direct numerical simulations
我们探讨各向异性渗透基板，以减少湍流表面摩擦的能力，研究这些基板上覆盖的湍流的影响。为此，我们执行DNSs的通道流的可渗透的基板。结果证实了理论预测，和由此产生的阻力曲线是类似的肋。对于小的渗透率，阻力减少是成比例的流向和展向渗透率之间的差异。这种线性制度打破了壁正常渗透率的临界值，超过该值，性能开始下降。我们观察到，退化与展向相干结构的外观，归因于一个开尔文-亥姆霍兹的不稳定性的平均流量。这一特征在各种阻塞流中是常见的，线性稳定性分析可用于预测它。对于大渗透率，这些结构在流动中变得普遍，超过了滑移的减阻效果，最终导致阻力增加。对于所考虑的衬底配置，在摩擦雷诺数$δ^+ = 180$下观察到的最大减阻是$\approx 20-25\%$。
2019-02-22 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
Turbulent drag reduction of viscoelastic wormlike micellar gels
长链粘弹性表面活性剂溶液（VES）已广泛用于石油和天然气工业，特别是在水力压裂和砾石充填操作中，其中由于高泵送速率而通常达到湍流。有了这个动机，我们实验研究的湍流管道流动的一类蠕虫状胶束的解决方案，在室温下形成凝胶。流体的特征在于通过旋转流变仪，并通过激光多普勒风速仪（LDA）测量湍流速度和雷诺应力分布。三种表面活性剂浓度的研究在增加雷诺数。比较了水、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）和黄原胶（XG）半稀溶液的湍流场。我们的研究表明，蠕虫状胶束凝胶的凝胶状结构主要是在湍流过程中被打破，特别是在近壁区域的结果表明存在水层。低浓度表面活性剂下的湍流显示出贯穿大部分管道的类牛顿流场，其中能谱显示出与波数的-5/3幂律标度，而较高浓度导致大波数下的阻力减小和较低的功率谱密度。聚合物流体和蠕虫状胶束溶液在最大减阻（MDR）的流动的比较显示出可比的减阻效果，在雷诺剪切应力的大幅度降低，并增加湍流各向异性的缓冲层由于大的流向波动和近零壁正常波动。此外，MDR制度的Virk的渐近线的聚合物和胶束凝胶，这意味着一个类似的机制，在MDR减阻。
2021-10-14 physics.flu-dyn
Dynamics of propagating turbulent pipe flow structures. Part I: Effect of drag reduction by spanwise wall oscillation
本文给出了基于紊流管流的Karhunen-Loève展开式和壁面展向振动减阻紊流管流的比较分析结果。湍流通过雷诺数$Re_τ= 150$下的直接数值模拟产生。壁面展向振动作为速度边界条件施加，振幅为$A^+ = 20$，周期为$T^+ = 50$。当流动由恒定压力梯度驱动时，壁面振荡导致平均速度增加27%。雷诺应力和均方根速度的峰值远离壁面，湍流吸引子的Karhunen-Loève维数从2453减小到102。相干涡度结构被推离壁面进入更高速度的流中，导致它们的平流速度增加34%，如由正常速度轨迹所确定的。这种平流速度的增加使得传播波与滚转模式相互作用的时间更少。这导致更少的能量传递和传播结构的更短的寿命，并且因此导致更少的雷诺应力产生，这导致阻力减小。
2007-01-23 physics.flu-dyn
Salts promote or inhibit bubbly drag reduction in turbulent Taylor-Couette flows
本研究通过湍流Taylor-Couette流实验考察不同盐类对气泡减阻的影响，发现抑制气泡聚并的盐类会削弱减阻效果，而不抑制聚并的NaCH3COO反而增强减阻，并揭示气泡可变形性对有效减阻至关重要。
2024-11-20 physics.flu-dyn
The laminar generalized Stokes layer and turbulent drag reduction
本文研究了沿流向传播的展向速度波作用于壁面时对平面槽道流动的影响。层流和湍流制度的流向流动进行了研究。当流向流为层流时，它不受波浪诱导的展向流的影响。这种流动是一种薄的、非定常的和流向调制的边界层，可以用第一类艾里函数表示。我们称之为广义Stokes层，因为它在无限波速的极限下退化为经典的振荡Stokes层。当流向流是湍流时，层流广义斯托克斯层解很好地描述了空间平均湍流展向流，只要波的相速度与湍流对流速度充分不同，并且强迫的时间尺度小于近壁湍流结构的寿命。在这些条件下，发现阻力减少与斯托克斯层厚度成比例，这使得层流解决方案有助于分析的湍流。通过比较与强迫条件有关的参数与湍流的空间和时间尺度，给出了波浪诱导的湍流状态的分类。
2010-08-24 physics.flu-dyn
Turbulent skin-friction drag reduction via spanwise forcing at high Reynolds number
本研究通过直接数值模拟高雷诺数下展向壁面振荡的减阻流动，证实了减阻量随雷诺数单调递减的预测模型，并解释了与边界层实验结果差异的可能原因。
2024-09-11 physics.flu-dyn
Model-based design of transverse wall oscillations for turbulent drag reduction
在过去的二十年里，实验和模拟都表明，适当选择振幅和频率的横向壁振荡可以减少多达40%的湍流阻力。在本文中，我们开发了一种基于模型的方法来设计抑制通道流中湍流的振荡。我们利用涡粘性增强线性化的湍流与控制结合湍流建模，以确定皮肤摩擦阻力在模拟的方式。Boussinesq涡动粘度假设用于量化波动对受控流中平均速度的影响。与依赖于数值模拟的传统方法相比，我们从由时间白随机强迫驱动的线性化模型的二阶统计量确定湍流粘性。选择强迫的空间功率谱，以确保非受控流的线性化模型再现湍流能谱。由此产生的修正引起的小幅度壁运动的湍流平均速度，然后用于确定减阻振荡的最佳频率。此外，本文所得到的控制净效率和湍流结构与数值模拟和实验结果吻合较好。这证明了我们基于模型的方法控制湍流的预测能力，并有望为在比目前可能的更高雷诺数下成功控制流动铺平道路。
2012-06-01 math.DS math.OC physics.flu-dyn
Mechanisms of drag reduction by semi-dilute inertial particles in turbulent channel flow
本文研究了在半稀释条件下分散的惯性颗粒在$\mathrm{Re}_τ= 180$湍流槽道流动中引起显着减阻的机理。我们考虑一系列四向耦合欧拉-拉格朗日模拟，其中在从$M=0.2$到1.0逐渐增加的质量负载下引入摩擦斯托克斯数为$\mathrm{St}^+ = 6$或30的颗粒。模拟结果表明，$\mathrm{St}^+ = 30$颗粒在$M=1.0$处引起的减阻率高达19.74%，而$\mathrm{St}^+ = 6$颗粒在$M=1.0$处引起的增阻率高达16.92%.为了揭示减阻或增阻的机制，我们研究了通道内的应力分布以及分散颗粒对近壁相干结构的影响。我们发现减阻颗粒的一个显著特征是形成极长的簇，称为绳。这些结构优先与低速条纹对齐，并有助于其稳定和抑制爆裂。尽管由于颗粒的额外的应力，调制的近壁相干结构导致更大的减少雷诺剪切应力和局部再层化的近壁流。在具有$\mathrm{St}^+ = 6$的增阻颗粒的情况下，还观察到雷诺剪切应力的降低，然而，这种降低不足以克服导致阻力增加的附加颗粒应力。
2023-03-28 physics.flu-dyn
The effect of droplet coalescence on drag in turbulent channel flows
通过直接数值模拟，研究了液滴聚并对湍流壁面边界流动的影响。特别地，流体体积法和前沿跟踪法分别用于模拟包含聚结液滴和非聚结液滴的湍流槽道流动。我们发现，聚结液滴对阻力的影响可以忽略不计，而非聚结液滴随着分散相体积分数的增加而稳定地增加阻力：实际上，在10体积分数下，非聚结液滴显示出30%的阻力增加，而聚结液滴显示出小于4%的增加。我们解释了这一点，通过看在通道中的液滴的壁正常的位置，并表明，非聚结液滴进入粘性子层，产生的界面剪切应力，减少了预算的粘性应力在通道中。另一方面，聚结液滴向通道的主体迁移，形成大的聚集体，这几乎不影响粘性剪切应力，同时阻尼雷诺剪切应力。我们证明了这一点有关的平均粘性剪切应力集成在壁法线方向的中心线速度。
2021-07-19 physics.flu-dyn
Global effect of local skin friction drag reduction in spatially developing turbulent boundary layer
对两种局部减阻控制方案在空间发展湍流边界层（TBL）中的应用进行了数值研究。一个控制器被设计成阻尼近壁湍流，另一个控制器在壁法线方向上引起恒定的质量通量。两种控制方案在控制区域内产生相似的局部减阻率。然而，控制下游的流动发展显着不同：持久的阻力减少被发现的均匀吹气的情况下，而阻力增加被发现的湍流阻尼的情况下。为了解释这种差异，建议制定一个全球减阻率。它表示由流体施加在有限长度板上的流向力的减小。此外，它表明，TBL的远下游发展后的控制区域可以描述由一个单一的量，即流向移动的不受控制的边界层，即一个改变的虚拟原点。基于这一结果，一个简单的模型，允许相关的局部减阻率的全球之一，而不需要进行昂贵的模拟或测量远下游的控制区域。
2016-07-08 physics.flu-dyn
Drag reduction induced by superhydrophobic surfaces in turbulent pipe flow
在湍流管流中研究了超疏水表面的减阻作用。润湿的超疏水表面被示出为在其粗糙度中捕获气泡。这阻止了液体与该位置的壁直接接触，从而允许流动滑过气泡。我们考虑一个明确的纹理与流向槽的墙壁中的气体预计将被截留。这种配置是模拟交替无滑移和无剪切边界条件的墙壁。相对于经典的湍流管流，观察到显著的减阻，其强烈地取决于凹槽的尺寸和固体分数，即固体壁表面与管的圆周的总表面之间的比率。阻力减小是由于在固定压降下壁面处的平均滑移速度增加了流速。强化的边界条件也会产生特殊的湍流结构，这反而会降低流速。这两个并发的影响提供了一个整体的流量增加，通过平均轴向动量平衡证明。该方程提供了平均压力梯度、雷诺应力、平均流速和平均滑移速度贡献之间的平衡。
2018-09-24 physics.flu-dyn
Drag penalty during relaminarization and Kelvin-Helmholtz-promoted retransition in an accelerating turbulent boundary layer over initially drag-reducing riblets
Department of Mechanical Engineering, University of Mississippi（密西西比大学机械工程系）
研究了加速湍流边界层中肋状结构的阻力调节机制，发现再层化过程中因粘性剪切集中导致阻力增加，而凯尔文-赫姆霍兹涡则促进更早更强的再过渡。
2026-04-23 physics.flu-dyn
Helical turbulent nonlinear dynamo at large magnetic Reynolds numbers
在旋转的天体物理系统中，包括行星、恒星和星系，大尺度磁场的激发和进一步维持通常被认为涉及由螺旋磁流体动力学湍流驱动的流体磁发电机效应。虽然这种情况是有吸引力的一般理由，但它目前仍然在很大程度上不受约束，特别是因为一个基本的了解大规模的流体磁性的非线性渐近行为的天体物理学相关的，但危险的制度，大磁雷诺数$Rm$仍然缺乏。我们探索这个问题，使用本地高分辨率模拟湍流磁流体动力学驱动的非均匀螺旋强迫产生的正弦曲线的动力学螺旋度，模仿半球形分布的动力学螺旋度在旋转的湍流流体体。我们确定了一个过渡在大$Rm$的非线性状态，其次是$Rm\simeq 3\times 10^3$，由强大的，饱和的小尺度磁流体动力学湍流和较弱的，旅行相干大尺度场振荡。这种状态的特点是一个渐进的小电阻耗散的磁螺旋度，其空间重新分布通过动力学螺旋度的半球分布驱动的湍流通量在赤道，并在大$Rm$的重联典型的等离子体团的纠缠的动态磁场的试探性存在。
2021-12-09 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Shedding of Vortex Rings from an Oscillating Sphere in Superfluid He-4 below 0.5 K - The Origin of the Turbulent Drag Force
围绕振荡球体的湍流的开始已知发生在临界速度vc ~ sqrt（kappa ω）处，其中kappa是循环量，ω是振荡频率。然而，在驱动力幅值F的小区间内（或高于vc几个百分比的相应速度幅值），发现湍流是不稳定的。流型在势流和湍流之间间歇地切换。湍流相的寿命呈指数分布，其平均寿命τ随驱动力的增加而迅速增长，即τ（F）~ exp [（F/F1）^2]。在这项工作中，比以前更详细地分析了这个实验结果，特别是确定了力F1。结果表明，湍流阻力F（v）~（v^2 - vc^2）可以定量地归因于具有球体大小的涡环脱落。此外，我们可以推断出在任何给定的速度v下，每半周期在湍流阻力上脱落的涡环的平均数量。
2013-09-08 cond-mat.other 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
Experimental assessment of drag reduction by traveling waves in a turbulent pipe flow
我们通过实验评估了Quadrio等人最近引入的用于湍流壁流中的减阻的主动开环技术的能力[J. Fluid Mech.，v.627，161，（2009）]。该技术包括在壁面产生展向速度的流向调制波，沿流向传播。设计了一个原理验证实验来测量管流中湍流摩擦的减少，其中壁被细分为在方位角方向上独立旋转的薄板。虽然在离散设置中，但附近板的不同速度提供了横向速度的所需流向变化。我们的实验证实了可用的DNS结果，特别是证明了在湍流状态下实现摩擦大幅度减少的可能性。对于缓慢向前的行波，可获得高达33%的减阻率;向后的行波总是产生减阻，而对于向前行进的波，其相速度与近壁湍流结构的对流速度相当，则会出现减阻的大幅下降。傅立叶分析表明，由近似于正弦波的离散空间波形引入的第一谐波是导致实验测量中确实观察到的显著效应的原因。与此控制方案的物理实现及其能量效率有关的实际问题进行了简要讨论。
2010-08-16 physics.flu-dyn
Drag reduction in turbulent channel flow laden with finite-size oblate spheroids
我们研究了不同的颗粒体积分数值的扁圆刚性颗粒在粘性流体中的悬浮液。直接数值模拟已经进行了使用直接强迫浸没边界法来考虑分散相，结合软球碰撞模型和润滑短程颗粒-颗粒和颗粒-壁相互作用的校正。相对于单相流，我们表明，在流中加载扁球体的阻力减少和湍流脉动衰减。特别是，湍流活动降低到较低的值比那些只占有效悬浮液粘度。为了解释所观察到的减阻，我们考虑的颗粒动力学和颗粒与湍流速度场的相互作用，并表明，颗粒壁层，以前观察到的，并发现负责增加耗散的悬浮液中的球体，消失的情况下，扁圆形颗粒。这些旋转明显慢于靠近壁面的球体，并且倾向于保持其主轴平行于壁面，这导致雷诺应力和湍流产生的减少，从而导致整体阻力降低。
2017-01-24 physics.flu-dyn
