Universal flapping states of elastic fibers in modulated turbulence
我们研究了充分发展的湍流和浸没的柔性纤维系综之间的完全耦合动力学。我们在很大的参数范围内改变悬浮液的浓度、机械性能和纤维的长度。对于所有的配置，纤维动力学落在只有两种可能的动力学状态：（i）纤维表现出其自然响应的流动迫使或（ii）其运动完全符合流体动力学的时间尺度的湍流。这种情况既适用于稀释条件，其中载体流不受流体-结构相互作用的影响，也适用于流动因浸没物体的存在而显著改变的情况。这种反作用效应可以用悬浮液的质量分数进行宏观建模。我们的结果可以很容易地扩展到任何弹性物体与流体湍流相互作用。
2021-08-21 physics.flu-dyn
Flowing fibers as a proxy of turbulence statistics
采用数值方法研究了柔性纤维在三维湍流中的拍动状态。两个不同的扑翼制度预测的现象学理论最近提出的Rosti等人。121，044501，2018]：欠阻尼状态，其中弹性强烈影响纤维动力学，以及过阻尼状态，其中弹性效应被强烈抑制。在这两种情况下，我们可以通过共振条件确定纤维的弯曲刚度的临界值，这进一步提供了不同的扑翼行为之间的区别，特别是在欠阻尼的情况下。我们验证的理论，通过直接的数值模拟，并发现，无论是过阻尼制度和欠阻尼的，纤维有效地奴役的湍流波动，因此可以作为一个代理来测量各种两点统计的湍流。最后，我们表明，这也适用于无源光纤的情况下，没有任何反馈力的流体。
2019-04-26 physics.flu-dyn
Statistics of rigid fibers in strongly sheared turbulence
实际上，所有的流动本质上都是湍流的，并且包含某种不规则形状的颗粒，例如灰尘、花粉或细菌或昆虫等生命形式。颗粒对这种流动的影响，反之亦然，是非常重要的，并没有完全理解，特别是当颗粒是有限尺寸的。在这里，我们报告的实验研究，毫米纤维在强烈剪切湍流。我们发现，对于所有研究的雷诺数，纤维浓度和位置，在高雷诺数泰勒-库埃特湍流中，纤维显示出相对于平均流动方向的$-0.38π\pm 0.05π$（$-68 \pm 9^\circ$）的优选取向。尽管各向异性粒子的尺寸有限，但我们可以通过使用杰弗里方程来解释优先排列，该方程提供了简化点粒子方法的好处的证据。此外，纤维的角速度是强烈间歇性的，再次表明在湍流中的点粒子状行为。因此，尽管有经典的空间和时间滤波效应，大的各向异性颗粒仍然可以保留局部流的特征。
2019-08-21 physics.flu-dyn
A slender body model for thin rigid fibers: validation and comparisons
在本文中，我们考虑一个计算模型的薄，刚性纤维的运动在粘性流的基础上细长体理论。细长体理论将纤维周围的流体速度场近似为流动，这是由于Stokes方程的奇异解沿纤维中心线的分布。光纤本身的速度通常近似于这个表达式的渐近极限。在这里，我们调查的有效性，简单地评估细长体的速度表达的曲线上沿表面的实际三维纤维，而不是限制到纤维中心线。这样做可以产生更适合于数值模拟的表达式。我们验证这个模型的两个简单的几何形状，即薄椭球和薄环，我们比较该模型的结果在文献中的恒定和剪切流。对于中心线为直线的纤维，该模型与Jeffery的长椭球模型一致。对于薄圆环，计算的力与Johnson和Wu的渐近精确值一致，并且给出了与具有相似尺寸和惯性的扁球体定性相似的动力学
2019-06-01 physics.flu-dyn
Fiber Tracking Velocimetry for two-point statistics of turbulence
我们提出并验证了一种新的实验技术来测量两点统计的湍流。它包括在流动中散布刚性纤维并及时跟踪它们的位置和方向，因此被命名为“纤维跟踪速度测量法”（FTV）。通过选择不同的纤维长度，即在惯性或耗散尺度范围内，可以通过简单地测量其两端的纤维速度并将其沿纤维横向投影来精确地探测所选长度尺度处的湍流波动的统计。通过完全解析的直接数值模拟和实验，我们表明，这些基于纤维的横向速度增量是统计等效的（未扰动）流横向速度增量。此外，我们表明，湍流能量耗散率可以准确地测量利用足够短的纤维。该技术已被测试对标准粒子跟踪测速（PTV）的流动示踪剂具有良好的协议。我们的技术克服了众所周知的问题PTV探测两点统计可靠，因为快速相对扩散的湍流，防止粒子之间的相互距离保持恒定的感兴趣的长度尺度。这个问题，使得它很难获得收敛的统计数据为一个固定的分离距离，甚至更戏剧性的开放领域的自然流动。一个突出的例子是洋流，其中漂流物（即~现场测量中使用的示踪粒子对应物）迅速分散，但同时必须限制它们的数量以节省成本。我们的实验室实验的启发，我们提出了一个可行的选择，以解决这个问题的连接的漂移对。
2021-07-13 physics.flu-dyn
An error bound for the slender body approximation of a thin, rigid fiber sedimenting in Stokes flow
本文研究了薄刚体在Stokes流中的运动，以及相应的细长体近似用于模拟沉积纤维。特别是，我们推导出一个严格的误差界比较刚性细长体近似的经典偏微分方程的刚性运动的情况下，具有恒定半径的闭环。我们的主要工具是由作者和D. [18]我将以自己的方式，去实践它。
2020-03-15 math.AP physics.flu-dyn
The assembly of freely moving rigid fibers measures the flow gradient tensor
刚性纤维的集合体的运动被研究用于不同类别的闭合流线流，稳定的或时间相关的，二维或三维的。在我们的研究中，纤维组件的动力学是完全耦合到流场通过一个国家的最先进的浸没边界方法。我们表明，对于足够小的斯托克斯时间的组件，整个流量梯度张量可以准确地重建，通过简单地跟踪纤维组件和测量适当的纤维速度差评估的纤维两端。我们的研究结果强烈建议使用刚性纤维（或他们的组件）进行多点流量测量的可能性，无论是在实验室或在现场：因此，未来的实验是强制性的询问一个新的“纤维跟踪测速”技术的可行性。
2020-04-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Orientation Dynamics of Rigid Fibers in a Microfluidic Burgers-like Vortex
ESPCI Paris, PSL University, CNRS, Sorbonne University, and Paris Cité University（巴黎高等物理化工学院、巴黎文理研究大学、法国国家科学研究中心、索邦大学、巴黎西岱大学）；CNRS, Ecole Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris（法国国家科学研究中心、巴黎综合理工学院、巴黎理工学院）；Institut Universitaire de France（法国高等教育研究院）
该研究结合微流体实验、理论和数值模拟，研究中等雷诺数下流向稳定涡旋中刚性中性浮力纤维的取向动力学，发现其取向由杰弗里方程与伯格斯涡旋模型耦合精确描述，为理解拉伸涡旋流中细长颗粒行为建立了简单框架。
2026-10-14 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
Dynamics of rigid fibers interacting with triangular obstacles in microchannel flows
结合微流控实验与数值模拟，研究刚性纤维与等边三角形柱体的相互作用，揭示四类动力学及其与初始条件和直接接触的关系，为按长度分选纤维提供依据。
2024-03-05 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Rotational relaxation time as unifying time scale for polymer and fiber drag reduction
采用直接数值模拟与朗之万动力学相结合的方法，对聚合物和纤维在湍流中的应力张量进行了比较。的应力张量被发现是相似的，这表明一个共同的减阻机制，在发病制度的柔性聚合物和刚性纤维。由于纤维没有弹性骨架，这一定是一种粘性效应。粘度张量的分析表明，除了与旋转相关的非对角剪切粘度外，所有项都可以忽略不计。基于这种分析，我们确定的旋转取向时间作为统一的时间尺度设置一个新的时间标准，由柔性聚合物和刚性纤维减阻。
2016-04-24 physics.flu-dyn
An integral model based on slender body theory, with applications to curved rigid fibers
提出了一种描述弯曲细长纤维在粘性流中运动的积分模型，并发展了一种模拟刚性纤维动力学的数值方法。该模型来自非局部细长体理论（SBT），它近似纤维附近的流动使用沿纤维中心线积分的斯托克斯方程的奇异解。与其他基于（奇异）SBT的模型相比，我们的模型产生了一个平滑的积分核，它自然地包含了（可能变化的）纤维半径。积分算子在非物理理想几何中是可证明负定的，正如PDE理论所预期的那样。这在物理相关的几何形状中得到了数值验证。提出了一种求解积分方程的收敛数值方法，并讨论了其收敛性和稳定性。该模型和方法的准确性进行了验证，对已知的模型椭球。最后，提出了一种计算复杂几何形状刚性纤维动力学的快速算法。
2020-12-21 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Dynamics and fragmentation of small inextensible fibers in turbulence
本文研究了在充分发展的、均匀的、各向同性的湍流中小的、脆性的、柔性的、不可伸展的纤维的破碎。这些小纤维大部分时间都处于完全拉伸状态，它们的动力学遵循刚性杆的动力学。然后，它们可以突破拉伸失效，即当张力高于给定阈值时。纤维在受到强烈压缩时会弯曲。在这些罕见的和间歇性的屈曲事件期间，它们可以在弯曲失效下断裂，即当曲率超过阈值时。精细规模的大规模模拟的流体流动和纤维动力学进行这两个破碎过程提供统计数据。这为精确的宏观模型的发展提供了成分，即破碎率和子尺寸分布，其可用于预测纤维尺寸分布的时间演变。证据提供的一般性质的动荡的碎片化和由此产生的人口动态。它确实表明，破碎的统计是完全由拉格朗日流体速度梯度的概率分布。该方法指出，唯一相关的无量纲参数是平衡流动拉伸与纤维弹性力的局部柔度。
2019-12-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.CD
Internal stresses and breakup of rigid isostatic aggregates in homogeneous and isotropic turbulence
通过描述刚性聚集体中统计均匀和各向同性湍流产生的流体动力学应力，我们从理论上估计了胶体聚集体的湍流破碎率和形成的碎片的尺寸分布。所采用的方法结合了直接数值模拟的湍流场与离散元方法的基础上斯托克斯动力学。通过这种方式，不仅对骨料的力学进行了详细建模，而且对骨料在湍流中运动时的内应力进行了评估。我们研究双峰和集群集群等静压聚集体，其中一个单一的接触失败导致破裂的聚集体和破裂发生时，在接触的张力超过的粘结强度。由于内部应力的作用不同，两种情况下破碎频率与湍流耗散率的函数关系也有很大不同。在非常小和非常大的值的限制，破碎的频率与湍流耗散率指数缩放的双峰，而它遵循幂律的集群集群聚集。对于大的均衡骨料的情况下，它被证实，最大应力和破碎的适当缩放长度是回转半径。累积碎片分布函数几乎与平均湍流耗散率无关，可以近似为小侵蚀分量和与碎片尺寸成二次关系的项之和。
2014-05-14 physics.chem-ph physics.flu-dyn
Statistics and spectral analysis of turbulent duct flows with flexible and rigid polymer solutions
我们提出了一个实验研究的湍流减阻与柔性和刚性聚合物解决方案。柔性聚合物是部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），刚性聚合物是黄原胶（XG）。实验在低减阻（$\%DR < 40$）、高减阻（$\%DR > 40$）和最大减阻（其中速度分布$U^+$大致匹配Virk渐近线）下进行。我们比较了速度剖面，流向和壁面法向雷诺应力和功率谱的流向速度波动测量激光多普勒测速仪（LDA）。我们的研究结果表明，XG和HPAM聚合物对湍流的影响是相似的，前提是雷诺数和$\%DR$也相似。在高水平的$\%DR$，XG和HPAM流的流向速度波动的功率谱密度显示在$-3$附近的幂律衰减，而不是在惯性范围内的$-5/3$。$-3$功率谱的斜率最近被解释为聚合物射流中弹性惯性湍流（EIT）的证据。在相对低的浓度下，我们观察到柔性聚合物溶液在降低阻力方面更有效，而XG仅在非常高的浓度下达到MDR。因此，我们假设，具有较高浓度的聚合物聚集体的形成有助于增加粘弹性，从而增加$\%DR$与XG和其他刚性聚合物溶液的粘弹性。
2022-10-19 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
Oscillations of confined fibers transported in microchannels
我们调查的刚性纤维的轨迹，因为它们被运送在压力驱动的流动，在低雷诺数，在浅的Hele肖细胞。这些细长物体上的横向限制和由此产生的粘性摩擦，以及横向限制（即侧壁的存在），导致复杂的纤维轨迹，我们的特征与微流体实验和模拟的组合，使用修改后的Brinkman方程。我们表明，传输光纤的行为作为一个振荡器，我们获得并分析了一个完整的状态图。
2018-05-01 physics.flu-dyn
Dynamics of flexible fibers in confined shear flows at finite Reynolds numbers
本文扩展了FPD方法并结合LBM的MRT格式，数值研究了有限雷诺数下二维库埃特流中柔性纤维的动力学，发现弱受限和小雷诺数下存在三种翻滚轨道，且增加雷诺数或受限强度会阻碍纤维翻滚。
2023-02-22 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Orientation of Finite Reynolds Number Anisotropic Particles Settling in Turbulence
我们提出了实验和计算结果的取向分布的细长纤维和分枝颗粒沉降在一个各向同性的湍流。颗粒的旋转动力学使用细长体理论建模，该细长体理论包括由于倾向于使颗粒朝向宽边取向旋转的沉降引起的惯性扭矩。颗粒被假定为旋转，由于粘性力与湍流速度梯度发生在颗粒的长度尺度。在模拟中，湍流从拉格朗日参考系中的速度梯度的随机模型获得。在实验中，湍流是由主动射流在垂直水洞中产生的。众所周知，如果采用适当的有效纵横比，轴对称粒子根据球形粒子旋转的Jeffery解旋转。我们表明，同样的结果适用于一个分枝粒子组成的三个共面纤维连接在一个中心点，旋转像一个薄扁球体的等角。取向统计可以用单个无量纲参数，沉降因子$S_F$来量化，沉降因子定义为由于沉降和湍流剪切引起的旋转的比率。对于低值的$S_F$，我们观察到几乎各向同性取向的颗粒，而颗粒变得强烈对齐附近的水平面的高值的$S_F$。对于$S_F \gg 1$，偏离水平方向的角度方差为$S_F^{-2}$，但由于在此极限下的湍流不稳定性，方向分布为非高斯分布。
2023-03-30 physics.flu-dyn
Transport of flexible fibers in confined micro-channels
当在受限的几何形状中传输时，刚性纤维显示出由与顶壁和底壁的摩擦引起的有趣的传输动力学。纤维的柔性导致纤维变形和运输之间的额外耦合，并预计将导致更复杂的动力学。他们理解的第一个关键步骤是变形纤维形状的表征。在这里，我们的特点是这种形状的纤维运输在一个封闭的活塞流垂直于流动方向，使用微流控实验和数值模拟相结合。在实验中，纤维的尺寸，初始取向和机械性能的控制使用微制造技术和原位表征方法。数值模拟使用修改的Brinkman方程以及全3D模拟。我们表明，弯曲的垂直纤维的结果从力分布作用在细长的物体上，是成比例的弹性-粘性数，比较粘性的弹性力。我们定量地描述了约束对光纤变形的影响。对受限几何形状中柔性纤维变形的精确理解也可以在未来用于理解受限流中更复杂的可变形颗粒的变形和运输，例如囊泡或红细胞。
2018-07-13 physics.flu-dyn
Mean-flow Data Assimilation based on minimal correction of turbulence models: application to turbulent high-Reynolds number backward-facing step
在这篇文章中，我们提供了一种方法来重建高雷诺数湍流平均流量从几个时间平均测量。一个湍流在一个面向后的步骤在Re = 28275被认为是说明的潜力的方法。的数据同化过程，基于变分方法，包括在校正给定的基线模式，通过调整空间相关的源项，使相应的解决方案匹配现有的测量（这里获得的直接数值模拟）。这里选择的基线模型由湍流Spalart-Allmaras模型封闭的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程组成。我们调查了两种可能的调谐功能：源项的动量方程，这是能够补偿的不足之处，在建模的雷诺应力Boussinesq近似和源项的湍流方程，它修改了涡粘性生产和耗散之间的平衡。平均流重建的质量在很大程度上取决于基线模型和测量的数量。在许多测量的情况下，非常准确的重建的平均流得到的模型校正的源项的动量方程，而重建更近似时，调整源项的湍流模型。在很少测量的情况下，这种修正湍流模型的“刚性”被有利地使用，并允许最佳的平均流重建。根据源项和测量之间的线性输入/输出算子的奇异值分解，进一步讨论了模型的灵活性/刚性。
2020-06-22 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Buckled in translation
我们报告的实验中的弹性纤维的变形和运输的粘性细胞流，即一个格子的反旋转的漩涡。我们表明，纤维可以屈曲时，接近一个停滞点。通过调节流动或纤维特性，我们测量这种屈曲不稳定性的发生。屈曲阈值是由粘性和弹性力的相对强度，弹性粘性数SP。此外，我们表明，柔性纤维逃逸速度更快的旋涡（由封闭的流线形成）相比，刚性纤维。因此，纤维的变形改变了其在细胞流中的传输特性。
2010-03-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.flu-dyn
The nature of triad interactions in active turbulence
广义Navier-Stokes（GNS）方程描述了三维（3D）具有流动依赖性的谱强迫的主动流体，其数值解可以通过实现手征Beltrami型混沌流来维持显著的能量传递到更大尺度。为了使这些发现合理化，我们在这里研究了多项式和高斯GNS模型的三重截断，重点放在能量注入范围内的模式上。识别一个以前未知的三次不变量，我们表明，渐近三重动力学减少到一个强迫刚体耦合到一个粒子在磁场中移动。这种类比使我们能够根据三元相互作用的渐近稳定性对它们进行分类：不稳定的三元相互作用对应于沿最大和最小主轴的刚体作用力，而稳定的三元相互作用则来自沿中轴的作用力。多项式GNS模型的分析表明，不稳定的三元组诱导指数增长的能量和螺旋度，而稳定的三元组开发一个有限的能量和螺旋度的极限环。这表明，不稳定的三元组占主导地位的初始松弛阶段的完整的流体动力学方程，而稳定的三元组确定的统计稳定状态。为了验证这一假设，我们介绍和研究高斯主动湍流模型，它开发了一个Kolmogorov型$-5/3$能谱在大波长。与多项式情形类似，稳态混沌流自发地积累非零平均螺旋度，同时表现出Beltrami统计和向上的能量传输。我们的研究结果表明，自持Beltrami型流和逆能量级联可能是通用的功能，三维主动湍流模型与流量相关的光谱强迫。
2017-08-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Buoyancy-driven flow through a bed of solid particles produces a new form of Rayleigh-Taylor turbulence
Rayleigh-Taylor流体湍流通过刚性，有限尺寸，球床的高分辨率直接数值模拟（DNS），完全耦合的流体和固相通过一个国家的最先进的浸没边界法（IBM）的装置进行了研究。介质的多孔性揭示了一个完全不同的物理混合过程相比，著名的经典RT混合的现象。对于足够小的孔隙度，混合层的增长率是线性的时间（而不是二次）和速度波动趋于饱和到一个恒定的值（而不是线性增长）。我们提出了一个有效的连续介质模型来充分解释这些结果，其中起源于有限大小的球体的孔隙度由摩擦系数参数化。
2019-02-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Spontaneous knotting of a flexible fiber in chaotic flows
我们考虑一个不可扩展的问题，但灵活的纤维平流由稳定的混沌流，并问一个简单的问题，纤维是否可以自发地结自己。使用1D Cosserat模型，一个简单的局部粘性阻力模型和离散的接触力，我们探讨了在任何给定的时间，当纤维是相互作用的ABC类的流量找到结的概率。的弯曲刚度示出具有边际效应相比，增加纤维长度。复杂的结形成多达11个交叉点，但有些结比其他结更有可能。流的有限时间李雅普诺夫指数对节点概率有积极的影响。最后，接触力似乎是至关重要的，因为打结的配置可以保持稳定的时间比流动的周转时间长得多，这是没有观察到当纤维可以自由交叉本身。
2021-03-19 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
