Horizontal velocity field near the hot plate in turbulent natural convection
我们研究的速度场在水平（x-y）平面上的热板1.5毫米以上的湍流自然对流，使用PIV在瑞利数Raw=106和普朗特数Pr=5.2。测量平面位于根据自然对流边界层方程[7]估算的速度边界层内，以及由于大尺度流动[2，5]而导致的速度边界层内。边界层由线羽流组成，线羽流之间有下沉流体。从下沉流体中心到线羽流的瞬时速度变化被发现偏离经典的Prandtl-Blasius层流边界层轮廓，这被GL理论假定为边界层的性质[2，5]。计算结果与自然对流边界层廓线吻合较好。时间平均的平均速度变化偏离自然对流和Blasius型配置文件的预期，因为它取决于线羽的方向。我们的测量结果证明了在线状羽流两侧存在自然对流边界层的理论[10]。
2014-04-04 physics.flu-dyn
Effect of boundary conditions in turbulent thermal convection
本文报道了一项实验研究，旨在阐明边界条件（BC）在低温氦气高瑞利数$10^8 < {\rm{Ra}} < 3 \times 10^{12}$湍流热对流中的作用。我们在更接近恒定热通量（CF）的BC和施加于高传导底板的恒定温度（CT）之间切换，所述高传导底板具有30 cm大小的一个圆柱形单元的纵横比，导致在底板处测量的温度波动的温度概率密度函数和功率谱密度的显著变化，而顶板的动态热行为和整体对流保持不受影响。在我们的实验精度，我们发现没有明显的变化，雷诺数Re（Ra）缩放，在无量纲传热效率表示通过努塞尔数Nu（Ra）缩放，也不是在大规模循环的方向反转率。
2021-05-06 physics.flu-dyn
Investigating the origins of fluctuation forces on plates immersed in turbulent flows
本研究通过模拟改变平板尺寸和雷诺数，探究均匀各向同性湍流中平行平板间涨落力的起源，发现吸引力与涡量相关且受双重机制作用。
2023-09-14 physics.flu-dyn
Boundary layers in turbulent Rayleigh-Bénard convection in air
在这个流体动力学视频中，可以看到矩形Rayleigh-Bénard对流单元中的边界层流动。实验在瑞利数$Ra=1.3\times 10^{10}$和普朗特数$Pr=0.7$的空气中进行。在加热板的选定位置捕获的各种序列表明，边界层是一个非常瞬态的流动区域，其特征在于永久演变的相干结构。在大尺度环流冲击或离开底板的区域，它变得完全湍流。
2012-09-27 physics.flu-dyn
Rotation of a ice disc during the melting on a solid plate
在热处理铝板的表面释放冰盘。冰的熔化在冰盘和板之间产生润滑膜。光盘变得非常灵活。这种情况是同构的Leidenfrost效应报告的液滴蒸发在一个板的表面上的温度超过液体的沸腾温度。对于冰盘，我们观察到，当冰盘融化时，它们是旋转的。冰盘开始旋转。旋转速度随着板的温度和施加在冰盘上的载荷而增加。提出了一个模型来解释冰盘的自发旋转。我们认为，旋转是由于冰盘周围流动的液体对冰盘的粘性夹带。
2016-01-26 physics.flu-dyn
Turbulent Rayleigh-Bénard convection with bubbles attached to the plate
我们数值研究湍流瑞利-贝纳德对流与气泡附着在热板，模仿电解，催化，或沸腾的核心功能。板上气泡的存在由于气体与液体相比低得多的热导率而降低了整体热传递，并且改变了边界层的结构。在普朗特数Pr=4.38（水）和瑞利数$10^7\le Ra \le10^8$下进行了三维数值模拟。为了简单起见，我们假设气泡大小相等，并且具有固定的接触线。我们改变总气体覆盖面积分数$0.18 \le S_0 \le 0.62$、相对气泡高度$0.02\le h/H \le0.05$（其中$H$是瑞利-贝纳德单元的高度）、气泡数量$40 \le n \le 144$及其空间分布。在所有的情况下，观察到不对称的温度分布，我们定量解释的基础上，在每个水平部分的热通量守恒。我们进一步提出了使用一个等效的单相设置来模仿系统与附加气泡的想法。根据这种等效性，我们可以计算热传递。在不引入任何自由参数的情况下，对Nusselt数、上、下热边界层厚度和中心平均温度的预测与数值结果吻合较好。最后，我们的预测也适用于更大的Pr（例如$400$）的情况下，这表明我们的结果也可以应用于预测在水电解与气泡附着到电极表面或催化的传质。
2022-05-23 physics.flu-dyn
The role of entropic-instabilities in laminar-turbulent transition on a blunted flat plate
本文用线性和非线性方法研究了马赫数~ $4$下熵不稳定性对钝头平板层流-湍流转捩动力学的影响。线性波包分析揭示了放大倾斜的第一模式以及平面和倾斜的熵层扰动。熵不稳定性的感受性被认为是最大的驱动种子在熵层，相应的线性演变的特点是在壁面法向平面的强化，再加上流向倾斜。的过渡过程中所产生的熵层波相互作用通过斜击穿机制进行了详细研究。倾斜的熵层扰动相互非线性地相互作用，并在边界层中引起流向条纹。这些经历进一步的不稳定下游，通过提升和奥尔样机制的组合，导致湍流的发病。由熵扰动引起的正弦次谐波振荡是主要的条纹不稳定性。在温度扰动中观察到倾斜的钩状结构，并归因于熵层中的类Orr机制。此外，温度扰动放大的熵层中的低速条纹的波峰，并通过三元相互作用产生扰动。这些扰动有助于将扰动能量转移到附面层中，最终导致展向均匀化和近壁条纹的产生。接近击穿区的末端，伴随着边界层中惯性子范围的出现的光谱增宽表明流动接近湍流。
2022-10-11 physics.flu-dyn
Heat transport in turbulent Rayleigh-Benard convection: Effect of finite top- and bottom-plate conductivity
我们描述了三种设备，被称为大，中，小型设备，用于高精度测量的努塞尔数N作为一个函数的瑞利数R的圆柱形样品的流体和目前的结果，说明了有限的传导性的顶部和底部的板上的流体中的热传输的影响。我们使用平均温度为40摄氏度（普朗特数σ = 4.4）的水样。大型装置中的样本直径D为49.69厘米，高度L = 116.33、74.42、50.61和16.52厘米。对于中型装置，我们得到D = 24.81 cm，L = 90.20和24.76 cm。该小型装置包含D = 9.21 cm、L = 9.52 cm的样本。对于每个长宽比Gamma = D/L，数据覆盖了R的十年多一点的范围。当γ = 0.43时，当努塞尔数N = 600时，达到最大R = 10^12。用标称尺寸和形状相同的铝和铜顶板和底板进行测量。对于大型和中型装置，铝板的结果低于铜板的结果，从而定性地证实了Verzicco的预测，即有限传导率的板减少了流体中的热传递。通过同时拟合铝板和铜板的数据集来估计无限大导热率平板的努塞尔数N_infinity，其中N_infinity乘以Verzicco建议的校正因子f（X）= 1-exp [-（aX）^b]，该校正因子取决于流体热阻与平板热阻之比X。在它们的不确定性内，对于大型装置，参数a和b与伽马无关，而对于中型装置，参数a和b显示出较小的伽马依赖性。大型仪器的校正值较大，中型仪器的校正值较…
2005-07-06 physics.flu-dyn
Turbulent lithosphere deformation in the Tibetan Plateau
在这项工作中，我们表明青藏高原变形表现出类似湍流的统计数据，例如，跨连续尺度空间不变性对于类拟能级联在$500\lesssim r\lesssim 2,000\,\si{km}$范围上和类动能级联在$50\lesssim r\lesssim 500\,\si{km}$范围上存在两种可能的守恒律，其双幂律行为是明显的.测得的二阶结构函数标度指数$ζ(2)$与大气中观测到的傅立叶标度指数相似，在后一种情况下，地球自转是相关的。在近零雷诺数的情况下，本文所观察到的湍流统计数据有利于用地转湍流理论来解释。此外，湍流度校正被认为具有接近高雷诺数湍流的流体动力学湍流的强度，这意味着非常不同的湍流的通用标度特征。这一结果不仅为青藏高原变形机制的争论提供了新的思路，而且也为牛顿或非牛顿模型的地球动力学模拟提出了新的挑战，即必须考虑观测到的类牛顿特征。
2019-05-07 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Permeability and turbulence over perforated plates
我们进行直接数值模拟的湍流摩擦雷诺数$Re_τ\approx 500-2000$掠过穿孔板与中等粘性缩放孔直径$d^+\approx40$ - $160$和分析之间的关系渗透率和附加阻力。与以往的研究不同，湍流的可渗透表面，我们发现，流量内的孔是由惯性效应为主，相关的渗透率是Forchheimer，而不是达西之一。我们发现一个完全粗糙的制度，其中相关的长度尺度是Forchheimer系数的倒数，这可以被视为壁正常流动所经历的阻力的证据。此外，我们表明，对于低孔隙率，Forchheimer系数可以估计具有良好的精度，使用一个简单的解析关系。
2022-03-09 physics.flu-dyn
A fractional PDE model for turbulent velocity fields near solid walls
本文提出了一类用分数阶偏微分方程（FPDE）描述的随机载荷作用下的湍流模型。这些FPDE模型的每一个解都是不可压缩的速度场，解的分布是高斯分布。湍流与固体壁的相互作用通过各种边界条件的实施而被纳入。各种边界条件提供了广泛的灵活性，在近壁统计，可以建模。再现充分发展的无剪切和均匀剪切边界层湍流突出作为两个简单的物理应用程序，其中第一个也直接验证与实验数据。非均匀合成湍流入口边界条件的渲染是一个附加的应用，其动机是当代数值风洞模拟。模型参数的校准和有效的数值方法也赋予。
2020-09-10 physics.flu-dyn
A Multipurpose Thermal Convection Setup to Study Turbulent Super Structures
Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；Institute for the Dynamics of Complex Systems, University of Göttingen（哥廷根大学复杂系统动力学研究所）；Laboratory of Atomic and Solid State Physics, Cornell University（康奈尔大学原子与固态物理实验室）；Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology, Kanpur（坎普尔印度理工学院机械工程系）；Institute of Aerodynamics and Flow Technology, German Aerospace Center (DLR)（德国航空航天中心（DLR）空气动力学与流动技术研究所）
设计热对流装置研究高瑞利数和普朗特数下的湍流超结构，通过特定尺寸的矩形单元及复合结构板，能在一定压力范围实现多种参数，适合精确热通量测量，结果与文献相符。
2026-07-07 physics.flu-dyn
Turbulent thermal convection over rough plates with varying roughness geometries
本文系统地研究了粗糙度对周期性分布的粗糙平板上湍流Rayleigh-Bénard对流的影响。使用一个参数$λ$定义为一个粗糙元素的高度超过其底部宽度，热传输，流动动力学和局部温度测量的瑞利数范围$7.50\times 10^{7} \leq Ra\leq 1.31\times 10^{11}$，和普朗特数$Pr$从3.57到23.34在四个值的$λ$。研究发现，热输运标度（即$Nu\sim Ra^α$，其中$Nu$为努塞尔数）可分为三个区域.在机制I中，系统处于动态平滑状态。热输运定标与光滑胞腔相同。在第二和第三制度，热传输增强。当$λ$从0.5增加到4.0时，在方案II中，$α$从0.36增加到0.59，在方案III中，它从0.30增加到0.50。实验表明，湍流红细胞中的热输运标度可以使用$λ$操纵。以前的研究表明，从制度I到制度II的过渡，发生在热边界层（BL）的厚度变得小于粗糙度高度$h$。在本研究中的粘性BL的直接测量表明，从制度II到制度III的过渡可能是粘性BL厚度变小的结果$h$。当$λ$从0.5增加到4.0时，雷诺数$Re$与$Ra$的标度指数从0.471变化到0.551。研究还发现，增加$λ$增加了热羽流的聚集，这有效地增加了羽流的寿命，最终负责增强热传输。
2017-07-25 physics.flu-dyn
Dynamics of line plumes on horizontal surfaces in turbulent convection
本文研究了60年瑞利数$(10^5<Ra_w<10^{11})$和20年普朗特数$(0.7<Pr<600)$的湍流对流中底板上线羽流的动力学。我们定性确定的主要动力学的运动沿羽流，横向合并的羽流和启动的羽流;各种其他小类型的运动也发生随着这些主要的动态。沿羽流长度的平均速度与大尺度流速成比例，受剪切影响的羽流长度的分数随着$Ra_w$的增加而增加，为$L_{ps}/L_p\sim Ra_w^{0.04} Pr^{-0.1}$。与\cite{how}相一致，羽流开始的平均时间$\bar{t^*}$与板块附近的扩散时间尺度$Z_w^2/α$成比例，其中$Z_w$是板块附近的适当长度尺度。经历合并的羽流长度的分数随着$Ra_w$的增加而减少，为，$L_{pm}/L_p \sim Ra_w^{-0.04} Pr^{0.1}$。羽流在其合并周期中以恒定速度合并，然而，这些恒定速度的值取决于测量的位置和时间。所有$Ra_w$和$Pr$的合并速度具有共同的对数正态分布，但它们的均值和方差随着$Ra_w$的增加和$Pr$的减少而增加。$\bar{V_m}$比大尺度速度低一个数量级，按羽流两侧的平均卷吸速度换算。这意味着$\bar{V_m}$的尺度与板$ν/Z_w$附近的速度尺度相同。$Re_H$，雷诺数以$\bar{V_m}$表示，层高$H$以$Ra^{1/3}$表示，与努塞尔数$Nu$相同;因此…
2013-07-04 physics.flu-dyn
DNS of laminar-turbulent boundary layer transition induced by solid obstacles
通过交错有限差分格式和有效的浸入边界方法得到的数值模拟结果，了解三维障碍物的形状对边界层从层流到湍流状态的过渡的影响。完全解析的直接数值模拟（DNS）强调，越靠近障碍物，对称性被破坏，过渡雷诺数越小。研究还发现，这种转捩与过去所用的临界粗糙度雷诺数无关。模拟突出了尾流和屈曲不稳定性之间的差异，证明了二维跳闸装置在促进过渡方面更有效。在高雷诺数的模拟表明，再现一个真实的实验与固体障碍物在入口处是一个有效的工具，以产生数值数据库，了解物理的边界层。质量的数值方法，以充分解决的小尺度，这是一个成分的DNS的速度谱的指数范围的比较，在柯尔莫哥洛夫单位，与各向同性湍流。这个好的比较加强了在最小尺度上局部各向同性的概念。
2015-03-30 physics.flu-dyn
Turbulent shear flow of solids
“固态湍流”这个术语听起来像是一种矛盾修饰法，但事实上并非如此。在这篇文章中，我们表明，固态湍流可能会出现由于定义属性的固体状态：固体保持其形状的能力。我们考虑剪切流层的固体具有不同的刚度，并表明，较硬的可以自发地分解成一组块。这种等距性的破坏是固体塑性的关键，也是固态湍流发生的基础。为了可视化的块状结构在湍流制度的分段等距变换，我们使用一个启发式模型的基础上离散的连续相互作用的“粒子”。进行的数值实验的结果支持发生的脉动的速度和压力在塑性变形的固体和经典湍流的特征的旋涡的出现。这种现象可能具有重要的实际意义，固态混合作为一种生态上有益的替代传统的冶金加工路线。
2021-11-09 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
A stochastic model for the residence time of solid particles in turbulent Rayleigh-Bénard Flow
位于密歇根理工大学的Pi室产生潮湿的湍流Rayleigh-Bénard流，以复制稳态云条件。我们从这个设置的灵感，并考虑粒子负载，对流驱动的湍流使用直接数值模拟（DNS）。我们的研究的目的是开发一个简单的随机模型，可以准确地描述在流中的颗粒的停留时间，这个时间是由粒子的重力沉降之间的复杂的竞争，并在流中的湍流结构的颗粒的相互作用。一个简单的概念图构成了随机模型的基础，即颗粒在瑞利-贝纳德湍流中发生的对流单体的驱动下，在上边界和下边界之间重复旅行，并且它们的停留时间由完成这些旅行所需的时间和每次旅行后掉落到下边界的概率决定。尽管该模型的简单性，它产生的颗粒在流中的停留时间的分布定量准确的预测。我们独立地改变斯托克斯数和沉降速度，以阐明重力和惯性在控制这些停留时间中发挥的独立作用。
2022-08-27 physics.flu-dyn
Symmetry-breaking of turbulent flow due to asymmetric vortex shedding in periodic porous media
本研究通过大涡模拟探究圆形截面圆柱构成的周期性多孔介质中湍流对称破缺现象，明确了其发生的孔隙率、雷诺数范围与物理机制，发现该现象可提升表面输运特性。
2025-02-21 physics.flu-dyn
Transition in the asymptotic suction boundary layer over a heated plate
渐近抽吸边界层（ASBL）是一种平行剪切流，在层流剖面稳定的参数区域中，在旁路过渡中变为湍流。在这里，我们添加一个温度梯度垂直于板，并探讨在确定过渡对流和剪切之间的相互作用。我们发现，层流状态变得不稳定的亚临界分岔和临界瑞利数和波数强烈依赖于普朗特数。我们还跟踪几个二次分叉，并确定在两个方向上本地化的状态，表现出不同的对称性。在亚临界制度，瞬态湍流状态连接到精确的相干态，并遵循相同的过渡方案中发现线性稳定的剪切流识别和分析。该研究将旁路转捩方案从剪切流扩展到热边界层，并突出了热和剪切力之间复杂的相互作用。
2016-08-22 physics.flu-dyn
Thermal boundary layer structure in low-Prandtl-number turbulent convection
本文通过在二维方箱中直接数值模拟瑞利数（$Ra$）到$10^9$的Rayleigh-Bénard对流，研究了Prandtl数（$Pr$）为0.021时热边界层的结构.在流动中的大规模流通分为三个不同的区域的水平板，我们观察到，当地的热BL厚度在羽流喷射区域大于那些在羽流的影响和剪切为主的地区。此外，局部BL宽度随着$Ra^{-β(x)}$减小，其中$β(x)$取决于板处的位置。我们发现，$β(x)$在冲击区和剪切区几乎相同，并且小于弹射区。因此，当地的BL宽度减少更快地在喷射区域比那些在剪切和冲击区域，我们估计，热BL结构将是均匀的整个水平板$Ra \geq 8 \times 10^{12}$在我们的低$Pr$对流。我们比较的热BL公司在不同的位置在板与普朗特-Blasius-Pohlhausen（PBP）的配置文件，并发现偏差无处不在的所有瑞利数。然而，如Zhou \& Xia（{ \it Phys. Rev. Lett.}，vol.104，2010，104301），与剪切和冲击区域中所有瑞利数的PBP分布很好地一致，而它们在喷射区域中仍然偏离。我们还发现，尽管随着$Ra$的增加波动越来越大，但低$Pr$对流中的热边界层是过渡性的，尚未完全湍流。
2021-01-08 physics.flu-dyn
Asymmetrical Order in Wall-Bounded Turbulent Flows
在梯度结构中，对于每个雷诺应力分量，揭示了湍流壁边界流的缩放。在耗散结构中，存在一种不对称的秩序，我们可以部署它来统一这些流动内部和之间的缩放和传输动力学。槽道和平板边界层流动的外边界条件有细微的差别，它们改变了远离壁面的湍流结构。耗散结构和相应的输运动力学中表现出的自相似性建立了有壁界湍流的能力和知识。
2021-01-31 physics.flu-dyn
Large-Scale Turbulent Pressure Fluctuations Revealed by Ned Kahn's Artwork
结合实验室实验与对 Ned Kahn 动态外墙艺术的视频分析，研究了湍流边界层中摆链的动力学，发现其响应由共振或压力波动主导，并揭示了大规模板块摆动与压力波动平流速度间的共振机制。
2024-11-17 physics.flu-dyn
Describing the Heat Transport of Turbulent Rayleigh--Bénard Convection by POD methods
Rayleigh-Bénard对流是由浮力引起的封闭在两个水平板之间的流体运动，是研究热对流的理想设置。我们通过计算数值数据的正交分解（POD）来分析板之间传输最多热量的模式。而不是通常的POD anastomosis找到最好的描述能量的模式，我们提出了一种方法，这是最佳的描述热传输。由此，我们可以确定对对流单体中的热传输和相干结构有主要影响的模式。我们还表明，在低维预测的数值对流数据，新开发的模式执行一致优于标准模式。然后，我们使用这种方法来分析的主要模式，三维对流在圆柱形容器以及二维对流与不同的瑞利数和不同的纵横比。
2015-10-23 physics.flu-dyn
The effect of turbulent clustering on particle reactivity
采用直接数值模拟（DNS）方法，研究了湍流对固体颗粒非均相（固-流）反应的影响。使用简化的反应系统，其中固体-流体反应由单个等温反应步骤表示。结果表明，由于各向同性湍流对颗粒的聚集作用，当Damköhler数较大时，总的反应速率完全由湍流控制。颗粒聚集显着减慢反应速率增加Damköhler数达到一个渐近极限，可以解析推导。这意味着湍流对非均匀反应颗粒的影响应包括在燃烧室或气化器中的焦炭燃尽等CFD模拟中使用的模型中。这种模型，基于化学和湍流的时间尺度，在这里提出的非均相反应速率在湍流的存在下。
2016-07-13 physics.flu-dyn
Numerical Study of Laminar and Turbulent Natural Convection from a Stack of Solid Horizontal Cylinders
本文在三维计算区域内数值研究了等温固体水平圆柱叠层的自然对流。模拟分别在瑞利数（Ra）范围为（10^4至10^8）和（10^10至10^13）的层流和湍流状态下进行。在本研究中，圆柱体的长径比在0.5至20的范围内变化。通过以三角形方式布置三个、六个和十个数量的圆柱体，考虑了三种不同的堆叠布置用于数值模拟。目前的计算研究是能够评估非常有趣的热浮力羽流结构周围的堆栈的气缸。平均努塞尔数（Nu）显示出对所有L/D的Ra的正相关性。三个气缸的堆叠的平均Nu略高于六个气缸随后是十个气缸的堆叠的平均Nu。此外，在特定Ra下，Nu对于短圆柱体（低L/D）显著更高，并且随着L/D的增加而减小，直到10或15，并且对于长圆柱体保持恒定。此外，本文的数值计算结果也与空心圆柱堆进行了比较。一个新的努塞尔数的相关性已被开发为不同的堆栈作为Ra和L/D的函数，这将是有用的工业从业者和学术研究人员。
2019-05-14 physics.flu-dyn
Flow regimes and types of solid obstacle surface roughness in turbulent heat transfer inside periodic porous media
本文的重点是系统地研究多孔介质中固体障碍物表面粗糙度对微尺度流动物理的影响，并报道其对宏观阻力和努塞尔数的影响。本文对周期性多孔介质中的雷诺平均流场进行了数值模拟，该多孔介质由一排方形圆柱组成，圆柱表面有方形粗糙颗粒。两个流态被确定相对于表面粗糙度颗粒高度：细和粗粗糙度制度。在精细粗糙度区域中粗糙度颗粒的影响仅限于固体障碍物表面周围的近壁边界层。在粗粗糙度制度，粗糙度颗粒修改的微尺度流场在整个孔隙空间的多孔介质。在细粗糙度区域，从粗糙固体障碍物到多孔介质内的流体的热传递小于从光滑固体障碍物到多孔介质内的流体的热传递。在粗糙粗糙度制度，有一个增强的热传递从粗糙的固体障碍物的多孔介质内的流体。总阻力减少也观察到在精细粗糙度制度的最小粗糙度颗粒高度。表面粗糙度颗粒间距决定了固体障碍物表面被再循环、再附着和停滞流覆盖的部分面积。随着粗糙颗粒间距的增加，有两个竞争因素的传热率：增加由于更多的表面积覆盖的再附着流，和减少由于固体障碍物表面上的粗糙颗粒的数量减少。孔隙率的减小和雷诺数的增加放大了表面粗糙度对微尺度流动的影响。
2023-02-02 physics.flu-dyn
Anisotropic mean flow enhancement and anomalous transport of finite-size spherical particles in turbulent flows
本研究通过调节悬浮液参数，发现固体颗粒在ABC湍流中沿准直线轨迹运动并增强平均流能量，使最大尺度趋于各向异性准二维状态。
2023-12-27 physics.flu-dyn
Parameter Influence on Porous Bleed Performance for Supersonic Turbulent Flows
通过三维RANS模拟系统研究了板长、孔径、孔隙率、厚度-直径比和交错角对超声速湍流多孔抽吸性能的影响，发现孔径是关键参数，孔隙率和交错角次之，厚度-直径比和板长主要影响抽吸效率。
2023-04-13 physics.flu-dyn
Superposition of system response in modulated turbulent plane Couette flow
本文通过直接数值模拟湍流平面库埃特流，发现在特定剪切Reynolds数下，只要调制小于基础流场，其对调制扰动的响应即可用Fourier模态线性叠加和层流模型有效描述，揭示了湍流中线性叠加的持久性。
2024-07-30 physics.flu-dyn
Symmetry-Breaking of Turbulent Flow in Porous Media Composed of Periodically Arranged Solid Obstacles
多孔介质中的微尺度湍流是一种新的物理现象，具有不同于经典湍流的独特性质。在低孔隙度值时，固体障碍物上的表面力与流体流动的惯性力竞争，导致形成流动不稳定性。在本文中，我们报告的起源和机制的周期性多孔介质中的破胶现象，导致偏离的方向上的平均流量从所施加的压力梯度。采用大涡模拟（LES）方法对均匀多孔介质中的湍流进行了数值模拟。采用直接数值模拟（DNS）对对称性破坏过程中的瞬态过程进行了模拟，并对大涡模拟方法进行了验证。通过以下方法进行了定量和定性的观察：（1）宏观尺度动量收支，（2）二维和三维流动可视化。这一现象的根源在于涡流脱落过程中出现的流动不稳定性的放大。涡破裂现象是一种叉状分叉现象，根据局部涡脱落过程可以表现出多种模式。观察到的现象是敏感的孔隙度，固体障碍物的形状，和雷诺数。在多孔介质中，对于对称的固体障碍物，它是宏观湍流各向异性的一个来源。所得到的宏观尺度流场被定向成使得其不与多孔基质几何形状的对称平面对齐。雷诺应力张量的主轴不与任何几何对称轴对齐，也不与流动方向对齐。因此，多孔介质中的破胶涉及新的流动物理，在宏观尺度上模拟流动不均匀性时应考虑到这一点。
2021-08-21 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
Topography generation by melting and freezing in a turbulent shear flow
我们报告了一个理想化的数值研究的融化和冻结固体附近的湍流，浮力影响的剪切流，为了提高我们的理解地形生成的环境中的相变。我们使用相场法来动态耦合固体的热方程和流体的纳维-斯托克斯方程。本文研究了压力驱动的湍流上初始平坦水平固体边界的演化。我们假设一个线性状态方程的流体和改变的热膨胀系数的符号，这样的背景密度分层是稳定的，中性或不稳定的。我们发现，与平均流的方向对齐的通道是由流体-固体界面处的相变自发产生的。流体中的流向涡、界面形貌和固体中的温度场相互影响并调整，直到获得统计稳定状态。在所有情况下，通道的波峰到波谷振幅都大于约10 $δ_ν$，其中$δ_ν$是粘性长度尺度，但不稳定分层比中性或稳定分层大得多且更持久。这是因为稳定的分层使冷熔体流体漂浮，使得其屏蔽通道免于进一步熔化，而不稳定的分层使冷熔体流体下沉，通过上升的热羽流引起进一步熔化。流速和熔化速率的统计数据进行了研究，我们发现，在我们的模拟通道和龙骨出现不显着改变的平均阻力系数。
2020-10-09 physics.flu-dyn
Thermal boundary layer profiles in turbulent Rayleigh-Bénard convection in a cylindrical sample
本文采用动力学坐标系方法数值研究了瑞利数Ra= 10 ^8 ~ Ra=2 \times 10^{12}和普朗特数Pr=6.4和Pr=0.7时圆柱样品中湍流Rayleigh-Bénard流近板温度分布的结构。Zhou和K.- Q. Xia，Phys. Rev. Lett. 104，104301（2010）]，从而扩展了以前的准2维系统的3D系统的首次结果。动态坐标系方法表明，在空间和时间上的局部坐标系中测得的温度廓线比在固定参考系中更接近Pohlhausen的层流、零压力梯度边界层的温度廓线。动态参考系中的测量轮廓与层流轮廓之间的偏差随着Pr的减小而增大，其中热BL更多地暴露于由于较薄的动力学BL而引起的体波动，并且随着Ra的增大而增大，其中更多的羽流通过测量位置。
2012-02-08 physics.flu-dyn
Turbulent boundary layers altered by passively rotating discs
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）；The University of Sheffield（谢菲尔德大学）
研究摩擦雷诺数880 - 1460的湍流边界层流过被动旋转圆盘以减阻，测试表面由交错圆盘组成，分析发现虽与圆盘部件相互作用使阻力增加，但隔离圆盘运动影响后有3%减阻，还利用恒等式及测速法揭示相关流动效应及减阻机制。
2026-07-16 physics.flu-dyn
Enhancing Heat Transport in Multiphase Rayleigh-Bénard Turbulence by Changing the Plate-Liquid Contact Angles
该数值研究提出了一种简单但非常有效的方法来大大增强湍流多相流中的热传输，即通过使用亲油壁。作为一个模型系统，我们选择瑞利-贝纳德装置，充满了油-水混合物。对于亲油壁，例如，仅使用水中的油的$10\%$体积分数，我们观察到与纯水情况相比，超过$100\%$的显著热传递增强。相反，对于疏油壁，与纯水相比，增强仅为约$20\%$。亲油壁高效传热的物理解释是热羽流从富油边界层分离并与油相一起被输送。在主体中，油-水界面防止羽状物与湍流水主体混合。为了证实这一物理图像，我们表明，最小量的油，以实现最大的热传输是由热羽流的体积分数。我们的研究结果提供了指导方针，如何优化热湍流热传输。此外，相干结构如何与两相系统的一相耦合的物理见解对于控制其他湍流多相流中的输运性质具有非常普遍的适用性。
2022-05-23 physics.flu-dyn
Measurements of Flow Velocity and Scalar Concentration in Turbulent Multi-component Jets: Asymmetry and Buoyancy Effects
浮力效应和喷嘴几何形状对湍流射流分散有显著影响。这项工作的动机是涉及氢的应用。以氦气为实验代用品，采用粒子图像测速技术（PIV）和平面激光诱导荧光（PLIF）技术对圆管侧壁圆孔产生的水平浮力射流进行了实验研究，获得了瞬时和时均速度场和浓度场。浮力和不对称性对所产生的流动结构的影响进行了研究，在一定范围内的雷诺数和气体密度。显着差异被发现之间的中心线轨迹，传播速率，和速度衰减的常规水平圆形轴对称射流通过平板和管道泄漏的代表性射流在本研究中考虑的问题。现实管道射流总是不对称的，并发现在近场射流轴偏转。在远场，人们发现，现实的管道泄漏的几何形状导致浮力效应占主导地位比预期更快地通过平板发出的水平圆形射流相比。
2018-11-14 physics.flu-dyn
Turbulent flow over transitionally rough surfaces with varying roughness densities
通过对三维过渡粗糙正弦曲面上的流动进行直接数值模拟，研究了粗糙壁面湍流。粗糙度雷诺数固定为$k^+=10$，其中$k$是正弦半振幅，并且正弦波长是变化的，导致粗糙度坚实度，$Λ$（正面面积除以平面面积）范围为0.05至0.54。通过使用最小跨度通道技术来避免解决密集粗糙元件周围的流动和整体流动的高成本，最近由Chung等人（J. Fluid Mech.，第773卷，2015年，pp. 418-431）以精确地确定Hama粗糙度函数$ΔU^+$。良好的协议的二阶统计在近壁粗糙度的影响区域之间的最小和全跨度粗糙壁通道观察。在粗糙度的稀疏区域（$Λ\lesssim 0.15$）中，粗糙度函数随着密实度的增加而增加，而在密集区域中，粗糙度函数随着密实度的增加而减小。发现当$Λ\gtrsim0.15-$ 0.18时，致密区开始，与文献一致。提出了一个模型的限制$Λ\rightarrow\infty$，这是一个光滑的壁位于波峰的粗糙元素。该模型有助于解释粗糙度的渐近行为，本文中提出的粗糙壁数据表明，近壁流动趋向于这个模拟的极限。峰值流向湍流强度，这是与湍流的近壁周期，被认为是越来越远离壁的固体度增加。在稀疏状态下，增加$Λ$会减少与近壁循环相关的流向湍流能量，而在密集状态下增加$Λ$会增加湍流能量[续] $\ldots$
2020-12-08 physics.flu-dyn
Fully Turbulent Wakes at Low Reynolds Numbers: the Case of the Thin Flat Plate
University of Calgary（卡尔加里大学）；McMaster University（麦克马斯特大学）
本研究通过DNS和实验验证，发现低雷诺数下薄平板尾流已呈现湍流特征，揭示了其湍流过渡机制与经典圆柱或方形柱体不同。
2026-01-24 cs.NA math.AP math.NA
Investigation of wakes generated by fractal plates in the compressible flow regime using large-eddy simulations
本文采用大涡模拟方法研究了在可压缩区域内，在亚音速和超音速上游条件下，马赫数下，正方形和分形多尺度结构与流动的相互作用。我们还旨在确定这些相互作用的相似性和差异，在典型的不可压缩流问题与相应的相互作用。考虑到与分形结构相关的几何复杂性，我们采用浸没边界法来模拟固体表面的无滑移边界条件，在小分形特征附近具有足够的网格分辨率。我们通过与低马赫数下的实验风洞测量结果的广泛比较来验证数值结果。与不可压缩流情况下的结果类似，我们发现分形板的流动结构的破碎和下游方向的湍流混合的增加。随着马赫数的增加，我们观察到明显的尾流弯曲和尾流在垂直于流向-展向平面的横向方向上的更高的扩展速率。虽然不显著，我们用两点速度相关性在整个马赫数范围内量化了正方形和分形板之间的差异。在可压缩状态下，分形板产生的尾流显示出较低的湍流动能（TKE）和能谱水平相比，那些正方形的情况。此外，近场压力谱的结果似乎表明，分形板有潜力，以减少气动噪声。
2020-09-08 physics.flu-dyn
Aspect ratio dependence of heat transport by turbulent Rayleigh-Bénard convection in rectangular cells
我们报告高精度测量的努塞尔数$Nu$作为一个功能的瑞利数$Ra$在充满水的矩形瑞利-贝纳德对流单体。单元的水平长度$L$和宽度$W$分别为50.0 cm和15.0 cm，高度$H=49.9$为25.0、12.5、6.9、3.5和2.4 cm，对应于纵横比$(Γ_x\equiv L/H,Γ_y\equiv W/H)=(1,0.3)$、$(2,0.6)$、$(4,1.2)$、$(7.3,2.2)$、$(14.3,4.3)$和$(20.8,6.3)$。在瑞利数范围$6\times10^5\lesssim Ra\lesssim10^{11}$和普朗特数范围$5.2\lesssim Pr\lesssim7$上进行测量。我们的研究结果表明，对于矩形几何形状的湍流热输运是独立的细胞的纵横比，因此是不敏感的大尺度平均流的系统的性质和结构。这与在圆柱形细胞中的观察结果略有不同，在圆柱形细胞中，发现$Nu$通常是$Γ$的递减函数，至少对于$Γ=1$和更大的$Nu$是如此。这种差异可能是有限平板电导率效应的一种表现。对上下平板有限电导率的影响进行了修正，得到了理想电导率平板的$Nu_{\infty}$估计值。计算了$Nu_{\infty}\sim Ra^{β_l}$的局部标度指数$β_l$，发现从$Ra\simeq9\times10^5$的0.243增加到$Ra\simeq4\times10^{10}$…
2012-07-01 physics.flu-dyn
The effect of particle density in turbulent channel flow laden with finite size particles in semi-dilute conditions
我们研究了不同的质量和体积分数的刚性球分散在湍流通道流的悬浮液的效果。我们进行了几个直接数值模拟，使用浸没边界法改变固体与流体的密度比，质量分数和体积分数的有限尺寸的颗粒。我们发现，在1和10之间变化的密度比在恒定的体积分数不改变流量统计一样多，当改变体积分数在恒定和恒定的质量分数。有趣的是，当改变体积分数时发现的总阻力的增加显著高于在相同体积分数下增加密度比所获得的总阻力的增加。在密度比为10的顺序的主要影响是一个强大的剪切诱导迁移的通道的中心线。当密度比进一步增加到1000时，粒子动力学与流体动力学解耦。固相表现为致密气体，并且流体和固相统计数据急剧变化。在这种状态下，碰撞率很高，并由粒子之间的法向相对速度控制。
2016-04-27 physics.flu-dyn
Fluid-solid-electric energy transport along piezoelectric flags
基于细长结构流体载荷的降阶模型，对轴向定常流场中覆盖有相互连接的压电片的柔性板的流固电动力学进行了数值模拟研究。超过临界流速，流固不稳定性导致结构的大幅挥舞。沿着板连续定位的短压电片将其局部变形转换成电流，该电流在单个内部电网络内使用，该内部电网络用作外部输出电路的发电机。的内部和外部阻抗的能量收集的系统的相对作用，提出和分析的光的电力和机械能交换和运输沿结构的完整建模。
2016-12-16 physics.flu-dyn
Particle capture by drops in turbulent flow
本文研究了槽道湍流中大变形液滴捕获颗粒的过程。我们模拟固-液-液三相流的欧拉-拉格朗日方法的基础上耦合相场模型的湍流直接数值模拟，捕捉界面动力学，和拉格朗日跟踪的小（亚Kolmogorov）颗粒。液滴具有与载液相同的密度和粘度，并且中性浮力的固体颗粒与其他相单向耦合。我们的研究结果表明，颗粒被运送到接口的射流般的湍流运动，一旦足够接近，被捕获的正表面速度发散的区域中的界面力。这些地区似乎是很好地与高拟能流拓扑结构，有助于涡压缩或拉伸涡拟能生产。研究湍流机制，使粒子的界面，我们已经能够推导出一个简单的机械模型的粒子捕获。该模型可以预测的整体捕获效率，是基于一个单一的湍流传输方程，其中唯一的参数规模与湍流动能的流体在附近的液滴界面测量。该模型在非相互作用粒子的限制下是有效的，其预测与数值结果吻合得非常好。
2020-11-04 physics.flu-dyn
A fluid flow model for the pressure loss through perforated plates
本文提出一种适用于层流和湍流的圆形穿孔板压力损失模型，经数值与实验验证更准确且形式更简单，并可作为RANS动量方程源项。
2023-04-23 physics.flu-dyn
Bulk flow scaling for turbulent channel and pipe flows
我们报告了一个理论推导体流标度规范壁有界流动。该理论通过大尺度能量长度的变分计算来解释边界几何形状（平板通道与圆管）的对称性，该能量长度通过简单指数来表征其整体流标度，即通道为$m=4$，管道为5。预测的平均速度显示出良好的协议与几十套质量的经验数据为一个广泛的雷诺数（Re），与通用的整体流量常数$κ\approx0.45$。散逸和湍流输运的预测，在整体流，等待数据验证。
2016-06-01 physics.flu-dyn
Instabilities and bifurcations in turbulent porous media flow
本文研究了多孔介质中微尺度湍流的流动不稳定性与对称破缺现象，发现低孔隙率下的偏流和中等孔隙率下的射流两种机制，并揭示了固体几何形状、孔隙率与Reynolds数对宏观流动不对称性的影响。
2025-04-01 physics.flu-dyn
Turbulent Rayleigh-Bénard convection described by projected dynamics in phase space
Rayleigh-Bénard对流，即由温度梯度驱动的两个平行板之间的流体流动，是研究热对流的理想设置。特别感兴趣的是湍流温度场的统计数据，我们正在研究和比较三种不同的几何形状，即在三维和二维周期性水平边界条件下的对流以及圆柱形容器中的对流，以找出相似性和差异。为此，我们推导出一个精确的温度概率密度函数（PDF）的演化方程。未封闭项表示为速度和热扩散的条件平均值，其从直接数值模拟估计。这个框架让我们通过揭示对流单体不同部分不同温度流体的平均演化来识别流体粒子的平均行为。我们将统计数据与Rayleigh-Bénard对流的动力学联系起来，从而更深入地了解温度统计和传输机制。我们发现，平均行为描述的封闭循环相空间，重建典型的Rayleigh-Bénard循环的流体加热的底部，上升到顶板，冷却下来，再次下降。详细的行为显示了这三种情况之间的细微差异。
2015-08-17 physics.flu-dyn
Conjugate heat transfer in turbulent pipe flow with azimuthally non-uniform heating
Institute of Fluid Mechanics, Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院流体力学研究所）
本文针对周向非均匀加热湍流管流的共轭传热问题，结合谱分析与高分辨率数值模拟，明确了低普朗特数流体的全局努塞尔数特性及共轭传热对温度场的影响，揭示了湍流普朗特数的各向异性与周向波数相关性。
2026-10-12 physics.flu-dyn
The Effect of Modulated Driving on Non-rotating and Rotating Turbulent Plane Couette Flow
对平板速度周期性调制的无旋和有旋平板Couette湍流流动进行了直接数值模拟，研究了调制强迫对湍流剪切流动的影响。时间平均剪切雷诺数固定为$Re_S = 3 \cdot 10^4$，这导致摩擦雷诺数约为$Re_τ\approx 400$。调制频率在$Wo\in(20,200)$范围内变化，而调制振幅保持固定在剪切速度的$10\%$，只是为了证明改变该参数变化很小。由此产生的剪切板被发现是独立的强迫频率，并等于非调制的基线。对于非旋转模拟，可以看到两个清晰的流动区域：遵循斯托克斯理论解的近壁区域，以及行为类似于斯托克斯解但具有增加的有效粘度的本体区域。对于高驱动频率，振幅响应遵循von der Heydt \emph{et al.}（Physical Review E 67，046308（2003））的调制湍流的标度律。气旋旋转没有发现修改系统的行为在很大程度上，但反气旋旋转显着改变系统的响应周期性强迫。我们发现，温和的反气旋旋转引入的持久的轴向不均匀性使得它不可能充分测量调制的传播，而更强的反气旋旋转创建调制瞬间旅行的区域。
2022-05-23 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
Simulation of deterministic energy-balance particle agglomeration in turbulent liquid-solid flows
本文提出了一种在高质量负荷下模拟含颗粒湍流的有效方法。该技术实现了大涡模拟、离散相模拟、颗粒间碰撞的确定性处理和能量平衡的颗粒团聚模型。检测粒子间碰撞的算法使得计算成本与计算域中存在的粒子数量成线性比例。在检测到碰撞时，基于碰撞前动能、恢复系数和范德华相互作用来测试颗粒团聚。通过对恢复系数$(e_{n} = 0.2, 0.4, 0.6$和$0.8)$、颗粒尺寸（$d_p = 60, 120, 200$和$316 μ{m}$）、流体惯性（$Re_τ = 150, 300$和$590$）和颗粒浓度（$α_{p} = 5.0 \times 10^{-4}, 1.0 \times 10^{-3}$和$5.0 \times 10^{-3}$）对颗粒-颗粒相互作用事件（碰撞和团聚）的影响进行参数研究来测试所开发的技术的性能。结果表明，碰撞频率与恢复系数呈线性关系，而团聚速率则呈负相关。较小颗粒之间的碰撞比较粗颗粒之间的碰撞更频繁和更有效地形成团聚体。颗粒-颗粒相互作用事件显示出对剪切雷诺数$Re_τ$的强烈依赖性，而增加颗粒浓度有效地增强了颗粒碰撞和团聚。总体而言，所选择的模拟参数的颗粒-颗粒相互作用事件的敏感性被发现影响的人口和分布的初级颗粒和团聚体形成。
2017-01-09 physics.flu-dyn
The Turbulent Boundary Layer on a Horizontally Moving, Partially Submerged, Surface-Piercing Vertical Wall
本文考虑了垂直表面穿透板产生的边界层剪切流中湍流与自由表面之间的复杂相互作用，包括空气卷吸过程。建立了一个实验室规模的装置，该装置利用表面穿孔不锈钢带，该不锈钢带围绕两个垂直辊成环行进，辊之间的一段带充当水平移动的平壁。带既作为突然启动的板操作以再现边界层流，又在存在平行于带定位的静止平板的稳定状态下操作以产生具有自由表面的库埃特流。表面轮廓测量与电影激光诱导荧光系统在这两个实验和空气夹带事件和气泡运动观察立体水下白光电影中突然开始带实验。据发现，RMS表面高度波动，$η$，峰值附近的边界的流动和增加近似线性带速度。在库埃特流动实验中，在$\partialη/\partial t$的光谱中的主峰被发现在无量纲频率$fH/U\approx 0.7$处。在突然启动的带实验中，表面波动似乎强烈地影响到次表面湍流内的边界层，而波纹传播自由时，远离带。此外，观察到空气夹带的一些机制，并与Brocchini和Pregrine（J. Fluid Mech.，499，225-254，2001）。
2016-06-16 physics.flu-dyn
Film transitions of receding contact lines
当固体板从液体浴中取出时，在固体、液体和气体相遇处形成后退接触线。在临界速度$U_{cr}$以上，静止接触线不再存在，固体最终将完全被液体膜覆盖。在这里，我们表明，这种涂层过渡的分叉图定性的变化，从不连续到连续，当减少倾斜角的板。我们表明，这种效果是由毛细波的存在下，说明大规模的流动强烈影响的最大速度去湿。
2007-06-19 physics.flu-dyn
New methodology based on energy flux similarity for large-eddy simulation of transitional and turbulent flows
本文提出了一种基于能流相似的转捩和湍流大涡模拟新方法。现有的知识表明，能量级联一般存在于不同分布的过渡流和湍流中，能量级联过程中尺度相互作用的特征量是能通量。因此，选择能流相似作为基本准则，以保证LES得到的流场与真实流场高度相似。通过先验检验，我们发现张量扩散率（TD）模型的能流与真实的能流有很高的相似性。然后，我们从TD模型修改的模拟能通量，得到了统一的公式对应于不同的过滤器的宽度和位置的有壁湍流的能通量相似。为了确保模拟的鲁棒性和LES结果类似于真实的流动，我们应用能量通量相似方法（EFSM）的Smagorinsky模型在LES的可压缩湍流通道流，可压缩平板流，和流动的可压缩斜坡。后验检验表明，总体而言，EFSM可以更好地预测这些流量比其他子网格尺度模型。在槽道湍流的模拟中，EFSM可以准确地预测平均流向速度、雷诺应力和丰富的拟序结构。在可压缩平板流动的大涡模拟中，EFSM在三种不同网格尺度下均能准确地模拟转捩起始点和转捩峰值、表面摩擦力和流向平均速度。同时，对于可压缩斜坡绕流，EFSM能正确描述绕流转捩过程、角区分离和再附位置以及丰富的拟序涡结构等。
2019-10-28 physics.flu-dyn
