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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Bubble drag reduction requires large bubbles
在船舶工业中，将气泡注入船体下的湍流边界层中被视为最有前途的降低总体燃料消耗的技术之一。然而，气泡减阻背后的确切机制是未知的。在这里，我们表明，气泡阻力减少湍流显着依赖于气泡的大小。通过将微小浓度（6ppm）的表面活性剂Triton X-100添加到包含气泡的另外完全不变的强烈湍流的Taylor-Couette流中，我们将阻力减小从超过40%显著地减小到约4%，对应于气泡对液体的密度和粘度的微不足道的影响。这一惊人行为的原因是，添加表面活性剂防止气泡聚结，导致气泡小得多。我们的研究结果表明，气泡变形是至关重要的气泡减阻在湍流，并打开了大门，优化的过程。
2016-06-21 physics.flu-dyn
Reynolds-dependence of turbulent skin-friction drag reduction induced by spanwise forcing
本文研究了雷诺数$Re$值的增加如何影响展向强迫技术产生湍流表面摩擦阻力减小的能力。所考虑的作用力基于展向壁速度的流向行波（Quadrio { \em et al. J. Fluid Mech.}，第627卷，2009年，pp. 161- 178）。该研究建立在一个广泛的减阻数据库创建的直接数值模拟的湍流通道流的两个，5倍分离的$Re$值，即$Re_τ=200$和$Re_τ=1000$。该数据库首次系统地描述了强迫的幅度，其庞大的规模使人们能够全面了解行波的减阻特性，并能够详细描述当$Re$增加时发生的变化。描述了使用基于非受控流或减阻流的摩擦速度的粘性缩放的效果。与其他基于壁的减阻技术（例如肋）类似，行波的性能可以通过平均流向速度剖面的对数部分的垂直位移来很好地描述。除了当$Re$非常低时，该偏移在$Re$的情况下保持恒定，与摩擦系数的百分比降低不一致，已知摩擦系数呈现温和的对数下降。我们的新数据与现有文献一致，但这些文献大多基于低$Re$信息，因此预测使用$Re$的最大减阻会迅速下降。目前的研究支持一个更乐观的情况下，飞机在飞行雷诺数的阻力减少近30%仍然是可能的，由于行波。
2016-07-13 physics.flu-dyn
Turbulence modulations and drag reduction by inertialess spheroids in turbulent channel flow
以往对非球形颗粒与流体相互作用的研究大多局限于细长纤维状颗粒，这些颗粒被观察到诱导湍流减阻。然而，微小的盘状颗粒的存在下，如何壁湍流调制和是否发生阻力减小仍然是未知的。基于这些问题，本文采用欧拉-拉格朗日方法对槽道湍流中的无惯性椭球体进行了双向耦合直接数值模拟。该附加应力解释了来自流体相上的无惯性球体的反馈。结果表明，刚性细长纤维（长球体）和薄盘（扁球体）可以导致显着的湍流调制和阻力降低。然而，盘诱导的阻力减少是不太明显的刚性纤维具有相同的体积分数。在流动统计和湍流拟序结构两个方面观察到添加剂减阻流动的典型特征。此外，与单向模拟相比，双向耦合的结果表现出更强的优先排列和更低的旋转速率。最后提出了无惯性球体的减阻机理，并解释了纤维和圆盘减阻性能的差异。我们发现，球形颗粒削弱了准流向涡通过负功，因此，雷诺切应力降低。然而，由颗粒产生的平均剪切应力，这是形状相关的，部分补偿雷诺剪切应力的减少，从而影响减阻效率。本研究表明，微小的盘状颗粒可以作为壁湍流减阻剂的替代。
2021-02-07 physics.flu-dyn
Turbulent skin-friction reduction by wavy surfaces
本文对具有波形壁的充分发展槽道湍流进行了直接数值模拟。波形壁，相对于平均流动方向倾斜，被引入作为一种手段，模拟空间斯托克斯层（SSL）引起的面内壁运动。波形壁上方的横向剪切应变被示出为类似于SSL的横向剪切应变，从而影响湍流，并导致湍流蒙皮-摩擦阻力的减小。压力和摩擦阻力水平被仔细量化为各种流动配置，表现出约0.5%的综合最大总阻力减少。摩擦阻力的减少表现为近似二次波斜率，然后线性较高的斜率，而压力阻力的罚款增加二次。与SSL情况不同，在波浪背风侧上方的壁的一部分上存在增加的湍流产生区域，从而引起耗散的局部增加。横向剪切应变层被证明是近似不依赖于波的几何形状时，在壁单位缩放。
2017-05-16 physics.flu-dyn
Polymer drag reduction in surfactant-contaminated turbulent bubbly channel flows
聚合物添加剂通常用于在各种应用中操纵泡状流。在这里，我们调查的影响，清洁和污染的气泡驱动向上（上流）在牛顿和粘弹性湍流通道流。界面分辨的直接数值模拟进行检查的唯一和组合的可溶性表面活性剂和粘弹性的影响，使用一个有效的三维有限差分/前跟踪方法。不可压缩流方程求解完全耦合的FENE-P粘弹性模型和控制界面和本体表面活性剂浓度的方程。后一种耦合是通过将表面张力与表面活性剂浓度相关联的非线性状态方程来实现的。对于牛顿型湍流泡状流，考察了Triton X-100和1-戊醇表面活性剂的影响。据观察，吸附动力学高度影响泡状流的动力学。发现微量的Triton X-100足以防止气泡簇的形成，恢复单相行为，而甚至两个数量级以上的1-戊醇表面活性剂不足以防止层的形成。对于粘弹性湍流，粘弹性促进了泡壁层的形成，因此对于无表面活性剂的泡状流，聚合物的减阻作用完全丧失，而对于$Wi=4$，加入少量的表面活性剂（Triton X-100）可以恢复聚合物的减阻作用，导致$25\%$的减阻。
2021-10-14 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
Turbulent channel flow over an anisotropic porous wall - Drag increase and reduction
渗透率张量的变化对近壁行为的湍流通道流有界的多孔壁的影响进行了探讨，使用一组直接的数值模拟。研究发现，通过调整渗透率的方向性，可以使总阻力减小或增加$20\%$以上。对于垂直方向的渗透率低于平行于壁面的渗透率的材料，可以实现减阻。这种配置限制了界面处的壁法向速度，同时促进切向滑移速度的增加，导致几乎“单组分”湍流，其中低速和高速条纹相干性强烈增强。在另一方面，强烈的阻力增加时，发现高的壁正常和低的壁平行渗透率规定。在这种情况下，由于减少壁阻塞效应的壁法线波动的增强触发了在展向方向上强烈相关的结构的发生，这是其他作者在各向同性多孔层或具有大突起高度的肋壁上的流动中观察到的现象。使用各向异性多孔壁的阻力减少是特别有吸引力的，因为相同的增益可以实现在不同的雷诺数，通过重新调整的渗透率的大小。
2018-02-01 physics.flu-dyn
Physical model for turbulent friction on rough surfaces
本文提出了一个具有规则分布粗糙元的粗糙表面湍流摩擦的物理模型。壁面剪应力表示为物理量的函数。被认为是不同的粗糙度密度和粗糙度元素具有不同的纵横比的表面。我们提出了一个简单的方法的基础上的动量守恒推导出阻力的元素表示为函数的最大阻力和阻力减少率，作为单个元素的阻力随着堆积密度的增加而减少。提出了动量重分布的减阻效应，并研究了相互遮挡效应。这两种减阻机制对于单个单元分别对于稀疏和密集表面是重要的。推导了两种不同粗糙表面的再分布效应和相互遮挡效应的折减率。阻力分析的结果得到了单元上的剪应力和总壁面剪应力。所提出的模型的壁面剪应力的估计与经典的实验测量是一致的。
2016-10-21 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
Turbulent drag reduction by spanwise wall forcing. Part 1: Large-eddy simulations
本文通过槽道流大涡模拟研究展向行波壁面振荡的湍流减阻，揭示内尺度激励路径下近壁斯托克斯层突出高度对减阻效果的影响规律，并指出其功率成本始终超过减阻收益，从而引出外尺度激励路径研究。
2023-03-25 physics.flu-dyn
Drag-reduction strategies in wall-bounded turbulent flows using deep reinforcement learning
本研究比较了壁面湍流中基于不同壁法向位置脉动的减阻策略，利用深度强化学习（DDPG算法）发现优于现有方法的控制策略，迈出了探索DRL在减阻中应用的第一步。
2023-09-06 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
A review of turbulent skin-friction drag reduction by near-wall transverse forcing
对减少运输中燃料消耗和二氧化碳排放的追求一直是一个强大的推动力，促使人们对各种方法进行科学研究，这些方法可能成为公路、铁路、空中和水上各种车辆运输减阻技术的基础。在民用航空中，巡航状态下的蒙皮摩擦阻力约占总阻力的50%，因此是优先研究的对象。在排除层流条件的情况下，表面摩擦力与最接近皮肤的流体层中的湍流物理学密切相关。因此，减阻的研究集中在抑制表面附近湍流活动的方法上。这样做的最有效的方法是使近壁层中的阻力产生流受到不稳定和/或空间变化的横流分量的影响，或者通过横向壁振荡的作用，通过将旋转盘嵌入表面，或者通过在横向方向上加速近壁流体的等离子体产生电极。在理想的条件下，可以实现50%数量级的减阻裕度。本文综述了湍流近壁层对非定常和波动横向运动的响应研究，包括实验、模拟、分析和建模。它涵盖的问题，如在各种驱动方案的减阻裕度，基本的物理现象，有助于解释的阻力减少的起源，雷诺数的阻力减少的依赖性，被动控制方法的启发，由主动控制，并展望未来可能的研究和实际实现。作者希望，这篇综述，迄今为止最广泛的同类这一主题，将被判断为一个有用的基础，为未来的研究目标，摩擦阻力减少
2021-12-01 physics.flu-dyn
On the optimal period of spanwise wall forcing for turbulent drag reduction
Politecnico di Milano（米兰理工大学）
通过直接数值模拟研究了由横向壁振荡控制的湍流通道流，探讨了横向力如何减少皮肤摩擦阻力。研究发现，通过增加横向体力，可使 Stokes 层厚度与周期解耦，从而获得更优的阻尼减少效果。
2026-04-13 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
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
Reinforcement-learning-based control of turbulent channel flows at high Reynolds numbers
本文采用深度强化学习，以近壁流向速度脉动调控壁面吹吸，在高雷诺数槽道湍流DNS中实现显著减阻，并揭示虚拟壁面与湍动能预算机制。
2025-01-02 physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction with streamwise travelling waves in the compressible regime
本研究通过直接数值模拟对比不同可压缩槽道流的行波减阻效果，发现可压缩性对减阻的提升程度受对比流程影响，采用动能约束为固定比例转热能的对比方法更合理，此时可压缩性对减阻提升微弱。
2023-12-15 physics.flu-dyn
Direct numerical simulations of turbulent drag reduction via piezoelectric actuation
通过直接数值模拟研究压电驱动产生的表面变形对湍流减阻的影响，发现展向波可实现高达27.6%的减阻效果。
2026-07-03 physics.flu-dyn
Deep reinforcement learning for turbulent drag reduction in channel flows
我们引入了一个强化学习（RL）的环境来设计和基准控制策略，旨在减少湍流流体流动中的阻力封闭在一个通道。该环境提供了一个计算效率高、并行化、高保真流体模拟的框架，可以与已建立的RL代理编程接口进行交互。这既可以测试现有的深度强化学习（DRL）算法来应对具有挑战性的任务，也可以推进我们对复杂、动荡的物理系统的了解，这是两个多世纪以来的一个主要研究课题，即使在今天，仍然是许多未回答问题的主题。该控制以吹吸的形式应用于墙壁，而可观察的状态是可配置的，允许在域的不同位置选择不同的变量，如速度和压力。考虑到湍流复杂的非线性特性，迄今为止在文献中提出的控制策略是物理上有根据的，但过于简单。相比之下，DRL能够利用可以从流动模拟中采样的高维数据来设计高级控制策略。为了建立一个测试数据驱动控制策略的基准，我们比较了反对控制，一个国家的最先进的服从控制策略，从文献中，和一个常用的DRL算法，深确定性政策梯度。我们的研究结果表明，DRL导致43%和46%的阻力减少在一个最小的和一个较大的通道（在摩擦雷诺数为180），分别优于经典的反对派控制约20个百分点。
2023-02-08 physics.flu-dyn
Net drag reduction in turbulent pipe flow by airfoil-section grids concentrated near the wall
National Institute of Technology, Yonago College（米子工业高等专门学校）
本研究采用NACA0006翼型格栅作为整流器，通过数值模拟证实近壁集中的同心环格栅可在5×10^4至2×10^5雷诺数范围内实现最高9.0%的湍流管流净减阻。
2026-10-09 physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction through oscillating discs
采用直接数值模拟的方法，研究了槽道湍流在壁面齐平刚性圆盘振动作用下的变化。雷诺数为$R_τ$ = $180$，基于固定壁情况的摩擦速度和半通道高度。壁面强迫的主要作用是壁面剪应力的持续减小，最大可达20%。的盘直径，最大尖端速度，和振荡周期的参数研究，其目的是确定最佳的参数，保证最大的减阻和最大的净节能，计算考虑到所花费的功率来驱动盘。这可能是积极的，达到6%。Rosenblat粘性泵流量用于预测在湍流通道流中盘运动所花费的功率，并估计受到湍流再生制动效应的盘表面上的局部和瞬态区域，其中壁湍流在盘上施加工作。FIK恒等式表明壁面摩擦力的减小是由于两种不同的效应。一种效应与近壁振荡盘边界层对壁湍流的直接剪切作用有关，这导致湍流雷诺应力的衰减。另一种影响是由于盘间结构产生的附加盘流雷诺应力。湍流雷诺应力衰减对减阻的贡献取决于盘流边界层的穿透厚度，而细长结构的贡献则与最大测试盘直径的最大尖端速度和振荡周期的简单函数成线性关系，这一结果由Rosenblat流解提出。还简要讨论了光盘技术的未来适用性。
2014-04-22 physics.flu-dyn
Attached Decelerating Turbulent Boundary Layers over Riblets
本研究通过直接数值模拟发现，在逆压梯度下，沟槽能比零压梯度时更有效地降低湍流边界层阻力，甚至产生负阻力，其机制是增强的开尔文-亥姆霍兹滚转涡旋，并指出需修改现有预测指标。
2025-05-22 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
Drag reduction in boiling Taylor-Couette turbulence
我们创建了一个高度受控的实验室环境，可进行全球和本地监测，以分析湍流沸腾流，特别是统计稳定状态下的剪切应力。也就是说，通过精确监测强湍流泰勒-库埃特流（两个同轴旋转圆柱之间的流动，雷诺数$\textrm{Re}\approx 10^6$）从非沸腾到沸腾的过渡过程中的阻力，我们表明，直观的预期，即几个体积百分比的蒸汽气泡将相应地改变几个百分点的整体阻力，是错误的。相反，我们发现，在这些条件下，发生了高达45%的显着的全球阻力减少。我们将这个全球性的结果，我们的本地观测，表明，主要减阻的蒸汽泡变形是至关重要的，对应于韦伯数大于一。我们将我们的研究结果与气泡湍流的结果进行了比较，气泡遵循与蒸汽气泡非常不同的物理学。尽管如此，我们还是发现了显著的相似之处，并对它们进行了解释。
2019-09-09 physics.flu-dyn
