Transition to turbulence in randomly packed porous media; scale estimation of vortical structures
多孔介质中涡旋流动结构的孔尺度观测是许多自然和工业系统中的重大挑战。涡结构动力学被认为是基于孔隙雷诺数$Re_p$的多孔介质中过渡区域的驱动机制。为了检验这一论断，折射率匹配的随机填充的多孔介质被设计成使用二维时间分辨粒子图像测速（PIV）来测量从非定常层流到湍流过渡的旋涡流结构的尺度。$Re_p$的平面PIV数据从100到948用于使用两种不同的标度（i）$Re_p$宏观（全局）和（ii）$Re_{\langle p\rangle}$微观（局部）在尺寸、强度和数密度方面量化标度。采用涡流强度、涡核和增强涡流强度的涡流识别方法对涡流尺度的直接测量进行了量化。将这些尺度与湍流积分尺度进行了比较。在中等非定常层流雷诺数（$Re_p <300$）下观察到剪切主导的涡结构，而在弱湍流雷诺数（$Re_p>500$）下观察到旋涡主导的流动结构。从宏观的角度来看，增加Rep导致：（i）涡结构的尺寸逐渐减小，达到全球水力直径的20 $\%$，（ii）涡强度的增长，以及（iii）涡的平均数密度的增加。从孔尺度（本地）的角度来看，增加$Re_{\langle p\rangle}$导致的涡旋结构的大小单调下降，（ii）上升的强度的旋涡，和（iii）不变性的涡旋结构的数密度。这些研究结果表明，孔隙与宏观尺度的耦合存在的尺度上的旋涡流结构的过渡制度。
2020-12-30 physics.flu-dyn
Lagrangian coherent structures and entrainment near the turbulent/non-turbulent interface of a gravity current
本文应用拉格朗日拟序结构理论研究了三维涡旋的分离，并研究了大尺度涡旋结构对湍流/非湍流界面和重力流卷吸的影响。重力流的实验实现和不同层次的分层进行了检查。对于流量测量，我们使用多变量三维粒子跟踪测速技术。为了识别涡型LCS（VLCSs），实现了一种基于拉格朗日平均涡度偏差方法的全自动三维多流结构提取算法。对VLCS的大小、方向和形状进行了分析，结果表明，这些特征仅微弱地依赖于分层的强度。通过条件分析，我们提供的证据表明，VLCSs调制的平均TNTI高度，从而影响卷吸过程。此外，VLCSs的影响当地的卷吸速度和组织的流场的湍流和非湍流侧的重力流边界。
2019-07-29 physics.flu-dyn
Extracting informative vortical structures of turbulent wake-extreme vortex gust interactions with machine learning
Department of Aerospace Engineering, Graduate School of Engineering, Tohoku University（东北大学大学院工学研究科航空航天工程系）
本研究采用卷积信息论学习，在雷诺数5000下从涡阵风-翼型相互作用中提取与升力、能量传递相关的关键涡结构，为瞬态空气动力学流动研究提供数据驱动的因果分析方法。
2026-07-30 physics.comp-ph 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
A Dynamic Subgrid-Scale Model Based on Liutex Theory for Wall-Bounded Turbulent Flows
本文提出基于Liutex理论的动态子格尺度模型，用于改进壁湍流的LES预测，具有自适应系数和物理长度尺度，提升计算效率与精度。
2025-12-16 physics.flu-dyn
LES of an Inclined Jet into a Supersonic Turbulent Crossflow
这篇短文描述了流体动力学视频“LES of an Inclined Jet into a Supersonic Turbulent Crossflow”（http：//www.example.com [高分辨率]和http://ecommons.library.cornell.edu/bitstream/1813/14073/2/GFM-2009-web.m1v [低分辨率]视频）的流动参数、数值方法和动画。ecommons.library.cornell.edu/bitstream/1813/14073/3/GFM-2009.mpg采用亚网格尺度（LES-SGS）动量和标量输运的拉伸涡模型，对氦气倾斜圆喷流与超声速（$M=3.6$）湍流（\Reth $ =13\times10^3$）气流的气动相互作用进行了大涡模拟。该视频显示了马赫数和密度梯度的大小在中跨平面的时间发展，以及氦质量分数和$\lam_2$（涡旋结构）的等值面。确定的涡结构是片，倾斜管，和不连续的环。涡结构在空间和时间上与氦质量分数等值面（$Y_{\rm He}=0.25$）有很好的相关性。
2009-10-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Unsteady control of supersonic turbulent cavity flow based on resolvent analysis
我们使用预解式分析来确定一种非定常主动控制装置，以在马赫数为1.4、雷诺数为10，000的空腔深度的条件下，在长深比为6的矩形空腔上方的湍流超声速流中衰减压力波动。超声速空腔流的大涡模拟（LES）和动态模态分解（DMD）揭示了二维Rossiter模式II和IV的优势。这些主要的二维涡结构通过后缘撞击在空腔上方产生高振幅的不稳定性，并通过阻碍自由振荡产生斜激波。为了破坏涡结构的不希望的形成，我们引入三维非定常强迫沿空腔前缘产生流向涡结构。利用时均基流的预解式分析来确定强迫频率和展向波数的最佳组合。而不是选择最放大的预解强迫模式，我们寻求控制参数的组合，产生持续放大的主要预解为基础的动能分布在整个长度的腔。持续的放大对于确保所选择的强迫输入保持有效以防止大的展向涡的形成是至关重要的。这一基于解析分析的流动控制准则通过一系列可控空腔流的伴随大涡模拟得到验证。与基线空腔流相比，最优控制设置被验证为在沿后空腔壁和底部空腔壁将压力均方根水平降低至52%方面是最有效的。从预解式分析得出的本流量控制指南应适用于需要驱动输入在感兴趣的扩展区域上保持有效的流量。
2020-03-23 physics.flu-dyn
Statistics of Lagrangian Trajectories in a Rotating Turbulent Flow
通过直接数值模拟研究了三维旋转湍流的拉格朗日统计特性。我们发现，相干涡结构的出现，因为科里奥利力导致抑制的“飞行坠毁”事件报道的徐，等。Acad. Sci.（U.S.A）111，7558（2014）]。我们进行系统的研究，以跟踪这种抑制的起源在紧急几何的流动，并显示为什么这样的拉格朗日措施的不可逆性可能会失败的旋转存在。
2019-10-02 physics.flu-dyn
Preferential Sampling of Elastic Chains in Turbulent Flows
一串示踪剂，相互作用的弹性，在湍流中示出具有显着不同的行为相比，非相互作用的情况下。特别是，这样的弹性链显示出强烈的优先采样的湍流不像通常的示踪剂限制：一个弹性链被困在涡流区，而不是应变的。优先采样的程度和它对链的弹性的依赖性是通过Okubo-Weiss参数量化的。修改链的变形能力的影响，通过形成它的链接的数量，也检查。
2019-01-10 physics.flu-dyn
Data-driven nonlinear turbulent flow scaling with Buckingham Pi variables
本文提出基于 Buckingham Pi 的稀疏非线性标度方法，利用速度梯度张量不变量识别跨 Reynolds 数的尺度不变涡结构，并用于评估湍流机器学习模型的插值与外推性能。
2024-03-01 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Streak instability in turbulent channel flow: the seeding mechanism of large-scale motions
经常有人提出，大尺度运动（或隆起）的形成是连续合并和/或近壁发夹涡生长的结果。在本研究中，我们报告我们的直接观察，大规模的运动产生的不稳定性的“放大”条纹运动在外部区域（即非常大规模的运动）。我们设计了湍流槽道流中的数值实验，直到$Re_τ\simeq 2000$，其中由根据先前的线性理论计算的外部区域中的体强迫人工驱动流向均匀的条纹运动（Hwang \& Cossu，J. Fluid Mech.，第664卷，2015年，pp. 51- 73）。随着强迫振幅的增加，发现在流向波长为$λ_x/h\simeq 1-5$（$h$是通道的半高）处出现了一个充满能量的流向涡结构。动态模式分解的应用和湍流统计的检查表明，这种结构是一个后果的曲折模式不稳定的条纹，一个子过程的大规模外部结构的自我维持机制。同时还发现，涡结构的统计特征与外围区域大尺度运动的统计特征非常相似。最后，提出条纹不稳定性的最大流向长度决定了超大尺度运动的流向长度尺度。
2017-09-20 physics.flu-dyn
Large-scale instability in a sheared nonhelical turbulence: formation of vortical structures
本文研究了剪切非螺旋湍流中大尺度不稳定性引起的大尺度涡量的产生。考虑了三种类型的背景大尺度流，即，在小尺度均匀湍流中的Couette和Poiffille流动，以及在非均匀湍流中的“对数线性”速度剪切。对于任何雷诺数，层流平面Couette流和层流平面Poiffille流的反对称模态对于小扰动都是稳定的。我们证明了在一定条件下的小尺度湍流中，由于大尺度的不稳定性，大尺度的Couette和Poiffille流是不稳定的。这种不稳定性导致沿平均剪切速度伸展的大尺度涡结构的形成。“对数线性”速度切变的大尺度不稳定性的增长率远大于Couette和Poiffille背景流的增长率。我们在小尺度剪切湍流中发现了Tollmien-Schlichting波的湍流类似物。湍流Tollmien-Schlichting波的激发机制与湍流雷诺应力引起的平均涡度扰动和背景剪切运动的综合效应有关。当平均速度的扰动依赖于三个空间坐标时，即使在施加于小尺度湍流上的平面Couette流中也能激发出这些波。这些波的能量由小尺度剪切湍流提供。
2007-10-20 astro-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Trigger turbulent bands directly at low Reynolds numbers in channel flow using a moving-force technique
我们展示了一种方法，直接数值模拟，直接触发和维持湍流带在低雷诺数通道流。关键是施加一个移动的局部力，它会引起具有足够强的弯曲不稳定性的局部流动。利用该方法，我们可以在雷诺数低至$Re \simeq 500$时触发和维持湍流带。更重要的是，我们可以生成具有所需相对位置和方向的任何条带模式。通常的扰动方法诉诸于在较高雷诺数下模拟的湍流场、随机噪声或局部涡扰动，这既不能保证在低雷诺数下成功生成带，也不能控制所生成带的方向。精确控制湍流带的位置和方向对于研究所有可能类型的带相互作用和理解低雷诺数下通道流的转捩是重要的。
2020-07-17 physics.flu-dyn
The structure of a turbulent boundary layer studied by numerical simulation
本文介绍了湍流边界层的大尺度直接和大涡模拟（DNS和LES）的时间相关可视化，其数值范围可达$Re_θ=4300$。本流体动力学视频的重点是分析边界层中的相干涡结构：它清楚地表明，发夹涡确实存在于模拟数据中，然而，它们是较低雷诺数下层流-湍流过渡的特征。在较高的$Re$（即$Re_θ>2000$）下，这些结构不再被视为占主导地位;无论是在近壁区域还是在边界层的外层，相干性显然都消失了。然而，请注意，流向速度中的大尺度条纹，其峰值能量大约在边界层厚度的一半处，是可以清楚地观察到的。
2010-10-19 physics.flu-dyn
Validation of a high-order finite difference compressible solver
Korea Advanced Institute of Science and Technology（韩国科学技术院）
本文提出了一种基于紧凑有限差分方案的高阶可压缩求解器，并通过五个典型案例验证了其在激波捕捉和湍流模拟中的准确性与可靠性。
2026-02-06 physics.flu-dyn
The spatio-temporal spectrum of turbulent flows
在湍流研究中，识别和提取无组织流动中的涡结构和波是一个主要的挑战。本文研究了不同回复力作用下湍流的时空行为。我们展示了如何计算和分析的时空谱数据来自数值模拟和实验室实验。四种情况下被认为是：均匀和各向同性湍流，旋转湍流，分层湍流，水波湍流。对于均匀和各向同性湍流，频谱允许识别大尺度流的扫掠。对于旋转和分层湍流，频谱允许识别波，精确量化波和湍流涡流中的能量，并识别关键层中的多普勒频移和波吸收等物理机制。最后，在水波湍流的频谱显示从重力毛细波的束缚波的强迫的振幅增加的过渡。
2015-11-06 physics.flu-dyn
Direct numerical simulations of transient turbulent jets: vortex-interface interactions
界面分裂成级联的液滴及其随后的聚结是对大量工业设置（例如混合、分离和燃烧）具有中心重要性的通用问题。采用混合界面跟踪/水平集方法，在三维笛卡尔坐标域中考虑表面张力，研究了液体射流通过圆柱形喷嘴进入滞止粘性相的破碎过程.数值解的范围内的雷诺数（Re）和韦伯数（We）。我们发现，方位角和流向涡分量之间的相互作用导致不同的界面特征和流态在Re-We空间。结果表明，流向涡量对射流表面三维不稳定性的发展起着关键作用。在高Re和我们的惯性控制制度，我们暴露的细节的时空发展的旋涡结构影响的界面动力学。在射流的前缘处形成蘑菇状结构，从而在其内部产生液体片，该液体片经历破裂以形成液滴。这些液滴由于它们与占主导地位的旋涡结构的相互作用而在蘑菇状结构内旋转。此外，Kelvin-Helmholtz涡的注入点附近形成的变形在流向方向上形成发夹涡，这反过来，触发射流核心的界面波瓣的形成。叶片的变薄引起孔的产生，所述孔膨胀以形成液体线，所述液体线经历毛细管破裂以形成液滴。
2021-05-26 physics.flu-dyn
Hairpin Vortices Extraction in Turbulent Boundary Layer Flows
University of Houston（休斯顿大学）
提出一种基于合并树分割和自底向上重连接的发卡涡提取框架，通过骨架分析和标量准则验证，实现了无需手动调参、减少分割误差并提高准确性和计算效率的发卡涡自动提取。
2026-06-02 cs.OH physics.flu-dyn
Randomized methods to characterize large-scale vortical flow network
我们证明了有效地使用随机方法线性代数进行网络为基础的分析复杂的涡流。网络理论方法可以揭示一组涡元之间的连通性结构，分析它们的集体动力学行为。这些方法最近已被推广到分析高维湍流，网络计算可能变得过于昂贵。在这项工作中，我们提出了有效的方法来近似网络数量，如领先的特征分解的邻接矩阵，使用随机方法。具体来说，我们使用Nyström方法来近似的领导特征值和特征向量，实现显着的计算节省和减少内存需求。所提出的技术的有效性被证明在两个高维流场：二维流动通过翼型和二维湍流。我们发现，准均匀列采样优于均匀列采样，而两者具有相同的计算复杂性。
2019-09-02 cs.NA math.NA physics.data-an
Stochastic Model of Organizational State Transitions in a Turbulent Pipe Flow
湍流管流表现出组织状态（OS），标记的离散方位波数模式，并让人想起低雷诺数制度的行波解决方案。的离散时间演化的OS，通过立体粒子图像测速，所示的非马尔可夫数据采集进行结构分辨采样率。特别是，适当定义的时间-关联函数的OS过渡观察到有趣的幂律衰减，到一个大涡的时间范围内，超过这一点，他们以更快的速度去相关。我们能够建立，依赖于概率描述的创建和湮灭的流向条纹，一个较低级别的{ \it{Markovian} }模型的OS过渡，再现其时间相关的行为与有意义的准确性。这些研究结果表明，在统计相关的数据包的准流向涡结构沿管道分布的OS。
2023-01-13 physics.flu-dyn
Statistics of the Energy Dissipation Rate and Local Enstrophy in Turbulent Channel Flow
采用高分辨率直接数值模拟方法，研究了不可压缩、充分发展的湍流槽道流动中能量耗散率和局部拟能高阶统计量对高度和雷诺数的依赖性。统计研究了一系列的壁面距离，跨越粘性子层的通道流中心线，摩擦雷诺数$Re_τ= 180$和$Re_τ= 381$。高分辨率的模拟允许耗散和拟能矩高达四阶计算。这些时刻显示出对壁距的依赖性，并在对数层的边缘观察到雷诺数效应。条件分析的基础上激烈的旋转的位置也进行了，以确定涡结构的耗散和涡度拟能矩的贡献。我们的分析表明，在较大的雷诺数的模拟，小尺度波动的耗散和涡拟能成为相对恒定的$z^+ \gtrsim 100$。
2011-06-27 physics.flu-dyn
Network Structure of Two-Dimensional Decaying Isotropic Turbulence
本文报道了我们的努力，通过使用网络分析来表征复杂流体流动中的涡相互作用。特别地，我们研究了二维衰减各向同性湍流中的涡旋相互作用，发现涡旋相互作用网络可以用加权无标度网络来表征。研究发现，在环流特征值达到某一临界值之前，湍流网络保持无标度特性。此外，我们表明，二维湍流网络是弹性的随机扰动，但可以很大的影响时，迫使集中在被归类为网络枢纽的旋涡结构。这些发现可以作为网络分析的基础，以检查复杂的地球物理和薄膜流，并利用网络理论的快速发展领域，补充正在进行的湍流研究的基础上涡动力学，流体动力学稳定性和统计。虽然额外的工作是必不可少的，从网络分析的数学工具，以提取更深层次的湍流物理见解，湍流的理解的基础上的相互作用为基础的网络理论框架提出了一个有前途的替代湍流建模和控制的努力。
2017-05-22 physics.flu-dyn
Clustering of floaters on the free surface of a turbulent flow: an experimental study
本文对漂浮在湍流表面的毫米级球体的统计特性进行了实验研究。该流动是由电磁力在液态金属层中产生的。通过使用两个磁体阵列，我们能够创建一个高度波动的流和另一个更稳定的流。在这两种情况下，我们遵循数百个颗粒漂浮在变形的液体金属界面的运动。我们的证据聚集的漂浮物的统计研究，当地的颗粒浓度。揭示了团簇的一些动力学性质。我们执行粒子浓度和流体力学量与惯性效应之间的空间相关性;与涡旋运动，并与水平发散（对应于表面的可压缩性）。通过比较这些相关性，我们提出了所谓的表面压缩性作为我们系统中的主要聚类机制。因此，虽然漂浮物不是被动标量，并在变形表面上移动，但该方案与湍流的几乎平坦的自由表面上的被动标量报告的方案相似。
2016-07-01 physics.flu-dyn
Prediction of Turbulent Shear Stresses through Dysfunctional Bileaflet Mechanical Heart Valves using Computational Fluid Dynamics
全世界每年有超过300，000个心脏瓣膜植入，其中约50%是机械瓣膜。心脏瓣膜置换术通常是严重瓣膜疾病的常见治疗方法。然而，瓣膜可能功能障碍，导致不良的血液动力学状况。当前的计算研究调查了在0%、50%和100%的不同瓣叶功能障碍水平下的双叶机械心脏瓣膜周围的流动，并记录了相关的流动特征，例如旋涡结构和湍流剪切应力。研究这些阀门在正常操作和功能障碍期间的流动特性，可以更好地了解其性能，可能改进设计，并帮助识别可能增加血细胞损伤潜在风险的条件。结果表明，最大流速增加功能障碍从2.05至4.49 ms-1，这是伴随着不断增长的漩涡和速度波动。这些波动导致更高的湍流剪切应力从90至800 N.m-2的功能障碍增加。这些应力值超过了溶血和血小板活化风险升高对应的阈值。应力升高的区域集中在功能瓣叶周围和下游，其中存在高射流速度和更强的螺旋结构。
2018-03-09 physics.flu-dyn
Survival distribution of the stretching and tilting of vortical structures in isotropic turbulence. Anisotropic filtering analysis
使用数值模拟的Navier-Stokes各向同性湍流场（Biferale等人，物理流体（2005）），我们表明，有一个拉伸倾斜大于两倍的本地拟能的概率是可以忽略不计的。通过在傅立叶空间中使用各向异性滤波器，我们分析了这些生存统计时，大，小惯性或小惯性和耗散尺度被过滤掉。概率是指，该比值（|ω \dot U|/|ω|在未过滤的各向同性场中，大于给定的阈值，而在过滤掉大尺度的场中，小于过滤掉小惯性和耗散尺度的场中。这是由于在去除的范围内抑制了紧凑的结构。部分去除纤维和薄片的背景对这些统计量没有一级影响。这些结果进行了讨论，在光的涡丝，片和斑点之间的假设关系。这项研究可以被视为对这一想法的一次测试，并试图突出其局限性。物理空间和傅立叶空间中的定性关系可以假定仅对斑点存在。这是近各向同性的结构，充分描述了一个单一的空间尺度，不遭受的消歧问题的丝和片。信息也给出了过滤效果的应变率张量特征向量和涡度之间的角度：特征向量2减少其对齐，而特征向量3减少其错位。所有滤波器都增加了最伸展特征值和中间特征值之间的间隙，以及最后一个特征值和收缩特征值之间的间隙。当缺少大尺度时，特征值模1和3变得几乎相等，类似于涡度拟能产生的相关分量的模。
2013-06-25 physics.flu-dyn
Network broadcast analysis and control of turbulent flows
我们提出了一种基于网络的模态分析技术，确定关键的动态路径，沿其扰动放大随时间变化的基流。这种分析是建立在卡茨中心，它揭示了流动结构，可以有效地传播扰动的时间演变网络的涡流相互作用的基础流量。受Katz函数的预解形式的启发，我们对所得到的通信矩阵进行奇异值分解，补充了流体流动的预解分析。右奇异向量，被称为广播模式，给出了对敏感区域的见解，在这些区域中，引入的扰动可以在随时间演变的整个流体流动网络上有效地传播和放大。我们将这种分析应用到二维衰减各向同性湍流。广播模式揭示了涡旋偶极子是传播扰动的重要结构。通过扰动流的主要广播模式，我们证明了效用的见解，从目前的分析，有效地修改湍流的演变。目前的网络启发的工作提出了一种新的使用网络分析，以指导流量控制的努力，特别是随时间变化的基本流量。
2020-10-29 physics.flu-dyn
Characterization of turbulent supersonic flow over a backward facing step through POD
目前的工作报告的流动物理的湍流超声速流后向台阶（BFS）在马赫数2使用LES方法，其中动态Smagorinsky模型用于SGS建模，而POD被调用来识别的相干结构中存在的流动。计算得到的平均数据与实验测量值吻合较好，但不同时刻的Q准则等值面显示了复杂的流动结构。从Q和涡量模量的等值线上也可以明显看出，剪切层中存在反向旋转的涡对，以及复杂的激波/边界层相互作用导致边界层分离。此外，POD分析揭示了相干结构的存在，其中第一和第二模式确认附近的步骤以及沿剪切层在下游区域的涡结构;而第二，第三和第四模式确认沿剪切层由于开尔文-亥姆霍兹（KH）不稳定性的涡的存在。此外，POD以及频率分析扩展到不同的平面，以提取详细的流动特征。
2021-02-24 physics.flu-dyn
Convolutional causal learning for aerodynamic flows
Tohoku University（东北大学）；Tokyo University of Science（东京科学大学）；New Mexico State University（新墨西哥州立大学）
本研究利用信息论机器学习技术从快照数据中捕捉空气动力学因果关系，通过卷积神经网络提取时间依赖的涡旋结构，用于预测未来空气动力学系数，并通过自编码器数据压缩识别低阶表示。
2026-05-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Turbulent duct flow with polymers
本文采用FENE-P模型对聚合物溶液在方管内的湍流流动进行了直接数值模拟。首先，在一个固定的中等雷诺数进行模拟和牛顿流体的结果进行比较，以了解减阻的机制和二次运动，典型的非轴对称管道中的湍流，是受聚合物添加剂。我们的研究表明，普朗特的二次流被修改的聚合物：流向主涡的环量增加，最大涡量的位置向管道的中心移动。由于准流向涡流和相关的近壁低速和高速条纹的实质性改变，面内波动减少，而流向波动在管道中心增强，并在拐角处倾倒;这些尺寸增大并离开墙壁，它们的流向相干性增加。最后，我们研究了定义流动的粘弹性行为的参数的影响，发现Weissenberg数强烈地影响流动，随着横流涡结构的尺寸增大，面内速度波动减小，以增加流动弹性。
2018-10-15 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
Multiscale circulation in wall-parallel planes of turbulent channel flows
本文利用多雷诺数高分辨率DNS数据库，研究湍流槽道壁面平行平面内闭合欧拉回路的多尺度环量，揭示外部双分形间歇与近壁单分形非间歇特征。
2025-03-02 physics.flu-dyn
Predicting structural and statistical features of wall turbulence
大多数实际流动，特别是对运输、分配和气候具有重要意义的应用中的流动，是湍流，因此与较平滑的层流条件相比，会经历复杂的三维运动，阻力增加。在这项研究中，我们描述了一个简单的模型，预测壁湍流的重要结构和缩放功能的发展。我们表明，一个简单的线性叠加模式来自强迫响应分析的纳维-斯托克斯方程可以用来调和某些关键的统计和结构的壁湍流的描述。计算成本低的方法解释和预测的旋涡结构和速度统计的湍流，以前只在实验中或直接数值模拟。特别是，我们提出了一个经济的解释非常大规模的运动中观察到的湍流管流的蜿蜒外观，同样表明，发夹涡预测模型。这种新的能力有明确的影响建模，模拟和控制的一个无处不在的壁流类。
2010-12-02 physics.flu-dyn
A homoclinic tangle on the edge of shear turbulence
实验和模拟提供了越来越多的证据的边缘状态假设亚临界过渡到湍流，它断言，简单的状态的流体运动之间的层流和湍流剪切流的调解，因为他们的稳定流形分离的状态空间中的两个。在这封信中，我们描述了一个流同宿的时间周期性的边缘状态。它的存在通过经典的Smal-Birkhoff定理解释了湍流爆发。在爆发过程中，涡结构和相关的能量耗散是高度本地化的壁附近，在熟悉的再生循环。
2011-03-07 math.DS physics.flu-dyn
Dynamics of a long chain in turbulent flows: Impact of vortices
我们展示并解释了一个长珠弹簧链，沉浸在一个均匀的，各向同性的湍流，优先样本涡流结构。我们从一个有弹性的、可伸展的链条开始，它被气流拉伸到惯性范围的尺度。已知该辅助物体优先对二维（2D）湍流的圆形相干涡旋进行采样，此处显示该辅助物体也优先对3D湍流的强烈管状涡旋丝进行采样。在二维情况下，链坍缩成涡内的示踪物。相反，在3D中，链甚至在涡旋区域中延伸，这表明它通过与它们的轴对齐来跟随轴向拉伸的管状涡旋。这一物理图片证实了检查的相对采样行为的个别珠，并通过额外的研究与可调弯曲刚度的不可扩展的链。一个高度灵活的，不可扩展的链也显示出优先采样的三维，只要它比耗散尺度长，但不是比涡流管长得多。对于二维湍流也是如此，在二维湍流中，一个长的不可伸展的链可以通过盘绕到旋涡中而占据旋涡。然而，当链被制成不可弯曲时，防止了盘绕，并且2D中的优先采样的程度显著降低。相反，在3D中，弯曲刚度没有影响，因为链条不需要盘绕以穿过涡流管并与其轴线对齐。
2020-06-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Local and Nonlocal Strain Rate Fields and Vorticity Alignment in Turbulent Flows
局部和非局部贡献的总应变率张量在任何一点的流动制定从一个扩展的涡度场在一个局部的球形邻域半径R为中心的x。由此产生的精确表达式允许从总应变率张量获得非局部（背景）应变率张量。在湍流中，涡量自然地集中到相对紧凑的结构中，这允许对涡量与背景应变率张量的最延伸主轴的局部对准进行评估。在任何旋涡结构附近，所需的半径R和膨胀必须达到的相应阶数n由粘性长度尺度决定。我们证明了收敛到背景应变率场的增加R和n的平衡Burgers涡，并表明，这解决了异常对齐的涡度与总应变率张量的中间特征向量。然后，我们评估了均匀各向同性湍流DNS的背景应变场，即使对于有限的R和n对应的截断级数展开，结果表明，在预期的平衡对齐的涡度与最延伸的主轴的背景应变率张量的增加。
2008-01-08 physics.flu-dyn
Circulation in turbulent flow through a contraction
本研究通过实验结合时间分辨三维拉格朗日粒子追踪技术，探究流经二维收缩段的湍流环量特性，揭示了平均应变对涡结构的作用及环量分布随尺度的变化规律。
2024-01-23 physics.flu-dyn
Coherent turbulent structures in a rapid contraction
本文通过时间分辨体积测量研究16:1三维强收缩段湍流的相干涡结构，提出两种PDF量化指标证实流向对齐，发现流向涡量均方根达横向4.5倍，涡长超入口积分尺度4倍，出口附近多存在1-2个相干结构。
2024-01-11 physics.flu-dyn
Bubbly and Buoyant Particle-Laden Turbulent Flows
与层流相比，流体湍流通常与更强的阻力、更大的热传递和更有效的混合相关联。在许多自然和工业环境中，湍流液体流包含分散的气泡和轻颗粒的悬浮液。近年来，通过实验和高分辨率的直接数值模拟，人们对这类流动的行为和基本物理过程的理解得到了很大的关注。本文综述了我们目前对气泡和浮力颗粒载湍流的各种唯象方面的理解。我们首先讨论不同的动力学制度，包括交叉轨迹和尾流引起的振荡的上升粒子，和制度中的气泡和粒子优先积累附近的墙壁或内的旋涡结构。然后，我们解决如何某些典型的湍流，如均匀各向同性湍流，通道流，泰勒-库埃特湍流，热驱动湍流，这些分散的气泡和浮力颗粒的存在下修改。最后，我们列出了总结要点和未来的研究问题。
2020-05-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Towards PR-DNS of scour around a wall-mounted cylinder in turbulent open channel flow
Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）；University of Bremen（不来梅大学）
研究通过PR-DNS模拟湍流开放渠道流中壁挂圆柱对颗粒分布的影响，发现圆柱引发强烈涡旋结构和增强的涡流强度，改变局部壁面剪切应力，并影响颗粒浓度分布。
2026-04-17 physics.flu-dyn
Interactions between the near-wall turbulent structures and heavy particles in compressible turbulent boundary layers
本文通过马赫数6载重粒子可压缩湍流边界层的直接数值模拟，揭示粒子质量载荷削弱近壁胀压运动但表面摩擦变化仍主要由无散雷诺剪切应力控制。
2024-10-18 physics.flu-dyn
Towards extreme event prediction of turbulent flows with quantized local reduced-order models
本文提出量化局部降阶模型（ql-ROM），结合状态空间聚类与局部POD基上的Galerkin投影，对最小流动单元湍流进行低维建模，揭示耗散爆发的能量传递机制，并为极端事件预测提供可解释且高效的计算框架。
2025-11-06 physics.flu-dyn
Cross-helicity effects and turbulent transport in magnetohydrodynamic flow
在大尺度涡运动和/或磁场应变的存在下，湍流交叉螺旋度（波动中的速度-磁场相关性）可能有助于湍流电动势和雷诺应力。交叉螺旋度的这些影响被认为是平衡的主要影响的湍流，如湍流的磁扩散率在磁场的演变和涡流粘度的动量输运。交叉螺旋度效应可能抑制湍流引起的输运增强。物理解释的影响，特别强调交叉螺旋效应和通常的$α$或螺旋效应的发电机行动之间的差异。交叉螺旋度效应在发电机行动的相对重要性进行了验证的援助下的直接数值模拟（DNS）的Kolmogorov流与强加的磁场。还讨论了几种机制，提供湍流的交叉螺旋度。
2011-07-06 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Wall-attached structures of velocity fluctuations in a turbulent boundary layer
壁面湍流是自然界和工程应用中普遍存在的现象，但由于其复杂性，对其进行预测是困难的。高雷诺数湍流，包括大多数实际流动，是特别复杂的，因为它的范围广泛的尺度。虽然Townsend提出的附着涡假设可以用来预测湍流强度，并作为湍流渐近行为的统一理论，但附着结构的存在尚未得到证实。我们通过识别速度脉动的附壁结构来证明湍流强度的对数区域通过对中等雷诺数边界层（$Re_τ\approx 1000$）的直接数值模拟，对$u_i$进行了数值模拟。附壁结构在其高度（$l_y$）方面是自相似的，特别是流向分量的总体密度（$u$）与$l_y$成反比，这让人想起附壁涡流的层次结构。平行壁面分量（$u$和$w$）中的湍流强度呈现对数特性。$u$的高附着结构（$l_y^+ > 100$）由多个流向范围较长的均匀动量区（UMZ）组成，而横流分量（$v$和$w$）的附着结构相对较短，宽度相当，表明存在与多个UMZ相关的高涡结构。在流向湍流强度中观察到的近壁峰的幅度随着$l_y$的增加而增加，反映了附着的$u$结构的嵌套层次结构。这些研究结果表明，所确定的结构是汤森的附着涡流假说的主要候选人，并作为基石，了解高雷诺数边界层的多尺度现象。
2018-04-30 physics.flu-dyn
Effects of the quiescent core in turbulent channel flow on transport and clustering of inertial particles
在最近的实验和数值研究中，槽道湍流中心存在一个静止核。以相对均匀的速度大小和弱湍流水平为特征的QC区域在雷诺数$1000$至$4000$范围内$Re_τ$时占据了横截面的大约$40\%$。QC区域及其边界对惯性粒子输运和积累的影响以前从未被研究过。在这里，我们首先证明了QC是无法识别的$Re_τ= 180$，在深入探索颗粒负载的湍流通道流在$Re_τ= 600$进行之前。惯性球表现出的倾向，积累优先在高速区域内的QC，即相反的众所周知的浓度在低速条纹在近壁区域。的颗粒壁的正常分布，定量的Voronopolitan体积和颗粒数浓度的装置，突然改变整个QC边界和涡流结构出现的空隙面积由于离心机制。的QC边界，其特征在于由一个本地化的强剪切层，出现了作为一个\emph{barrier}，通过它的惯性粒子的运输受阻。然而，QC框架中的统计学条件表明，QC外部的颗粒的平均速度朝向核心，而QC内部的颗粒倾向于向壁迁移。这种向上和向下的粒子运动是由流体包裹的类似运动驱动的。目前的研究结果表明，QC施加的惯性颗粒，这是在高雷诺数通道流的实际意义的传输和积累的实质性影响。
2020-09-17 physics.flu-dyn
Self-sustaining process of minimal attached eddies in turbulent channel flow
最近已经通过数值实验表明，湍流槽道流中的含能运动以汤森附着涡的形式存在，该数值实验仅在规定的展向长度尺度下使用其自持性质来模拟含能运动（Hwang，2015，J. Fluid Mech.，767，p254）。在本研究中，在对数和外部区域中的每个展向长度尺度（即附着涡）的含能量运动的自维持过程的详细调查进行了强调其与“爆发”的相关性，这是指运动的能量时间振荡（Flores & Jiménez，2010，Phys. Fluids，22，071704）。结果表明，对数区和外区的附着涡由条纹和准流向涡结构组成，其自持过程与近壁区非常相似，即条纹通过升力效应被准流向涡显著放大;放大的条纹随后经历“快速的顺流弯曲运动”，使人联想到条纹不稳定性或瞬时生长，这最终导致条纹的破裂和新的准流向涡的再生。两个数值实验，旨在人为地抑制解除效果和条纹蜿蜒运动，分别揭示，这些过程是必要的成分的自我维持过程中的附加涡的对数和外部区域，与以前的几个理论研究。它还表明，在对数和外部区域的附加涡的升力效应的人工抑制导致大量的湍流表面摩擦减少。
2019-07-14 physics.flu-dyn
Homogeneous turbophoresis of heavy inertial particles in turbulent flow
本文揭示了统计均匀湍流中重惯性粒子的湍泳效应，通过直接数值模拟构建粗粒化动力学，引入尺度依赖的Péclet数表征粒子分布与空隙的幂律统计特征。
2024-04-24 physics.flu-dyn
Role of pulsatility on particle dispersion in expiratory flows
呼气事件，如咳嗽，通常在本质上是脉动的，并导致输送呼吸颗粒的涡流结构。在这项工作中，直接数值模拟（DNS）的湍流脉动射流，再加上拉格朗日粒子跟踪的微米级液滴，进行调查的作用，第二次和第三次驱逐粒子的分散和渗透。从湍流管流的DNS获得的充分发展的湍流在喷射孔处提供。根据阻尼正弦波及时调制孔口处的体积流速;从而允许控制脉冲数量、持续时间和峰值振幅。由此产生的涡结构进行了分析，单，两个和三个脉冲射流。粒子云的演变，然后比较现有的单脉冲模型。粒子的分散和渗透的整个云被认为是阻碍增加脉动。然而，由于涡流结构的下游加速，来自二次或三次排出的颗粒的穿透增强。
2021-02-28 physics.flu-dyn
Assessment of a Multiphase Formulation of One-Dimensional Turbulence using Direct Numerical Simulation of a Decaying Turbulent Interfacial Flow
本研究利用一维湍流（ODT）模型研究湍流与表面张力的相互作用，通过与直接数值模拟（DNS）对比验证模型可靠性，并拓展参数范围揭示了柯尔莫哥洛夫临界尺度的普适涨落规律。
2024-04-13 physics.flu-dyn
Investigating the mechanism by which finite-size heavy particles are entrained in turbulent open channel flow over a smooth surface
Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）
研究揭示了有限尺寸重颗粒在光滑表面湍流开放渠道流中卷入的关键机制，强调高剪切事件和准流体涡旋的作用。
2026-01-27 physics.flu-dyn
Numerical Investigation of Supersonic Turbulent Flow Over Open Cavities
空腔流动的研究是非定常空气动力学的重要研究课题之一。空腔上方的超音速湍流主要出现在导弹、导弹和高速飞行器上。空腔内的湍流会产生额外的阻力、声波、压力波动和振动，这可能导致许多问题，如过量的燃料消耗、导弹弹道或机械部件故障以及气动加热。我们进行数值模拟，调查流动，并将我们的结果与现有的实验数据进行比较，以显示定量验证。然后，我们调查的马赫数的湍流超声速流动的压力等值线和空腔内的旋涡结构和随后的影响对其他流动参数，如声波。此后，我们提出了两个修改的空腔的几何形状，a）倾斜的边缘和b）光滑的角落与倾斜的边缘，以提高空气动力学性能。ANSYS ICEM工具已被用于我们的腔体几何形状的精细网格生成，所有的模拟都在ANSYS fluent软件上运行。K Ω SST湍流模型用于模拟，因为它可以以合理的精度捕获近壁特性，并进行网格独立性研究，以通过求解器找到纳维-斯托克斯方程的正确解。得到了不同马赫数下改进前后的开腔压力等值线、流线型、压力分布系数和声压级等参数，并进行了比较。所提出的改进方案在平均声压分布和声压级分布方面比开腔设计有明显的改善。
2021-08-18 physics.flu-dyn
Data-driven assessment of arch vortices in simplified urban flows
本文利用HODMD、POD和STKD等数据驱动方法分析简化城市流场，识别并分类与拱形涡相关的低频涡生成模态和高频涡破碎模态，揭示二者相互作用是驱动建筑物间涡结构形成与破坏及流动动力学的关键机制。
2023-08-12 physics.flu-dyn
Large-eddy simulation of the FDA benchmark blood pump: validation against experiments and implications for turbulent flow mechanisms
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；Guangdong Technion-Israel Institute of Technology（广东以色列理工学院）
本文通过对比CFD方法，验证了大涡模拟在离心式血泵中的有效性，发现LES在扩散器区域对实验速度场的预测更准确，为未来高保真血流研究提供指导。
2026-04-17 physics.flu-dyn
On the characteristics of the turbulent wake behind a wall-mounted square cylinder
采用Spalart-Allmaras改进的延迟分离涡模拟（S-A IDDES）和本征正交分解（POD）方法，对高宽比为4的方柱绕流进行了湍流数值模拟。雷诺数等于12，000（基于自由流速度和障碍物宽度）。本文着重分析了障碍物尾迹的涡结构和沿障碍物高度的涡脱落过程。一阶和二阶流动统计与现有的实验和直接数值模拟数据的定量比较被用来验证数值结果。数值模型与产生湍流入流条件的涡方法（VM）相结合，可以成功地再现障碍物周围和后面的流场，具有值得称赞的精度。利用数值模拟得到的时均和瞬时流动参数，详细讨论了尾流形成区附近的流动结构和旋涡脱落特性。分析了偶极型平均流向涡和半圈发夹型瞬时涡的能量运动。一个连贯的脱落结构沿障碍物使用两点相关性。两种类型的涡脱落的时间间隔，即低振幅波动（LAFs）和高振幅波动（HAF）。对尾迹的POD分析表明，在障碍物高度的0.25 ~ 0.5之间，前两个POD模态代表交替脱落，对动能的贡献在66.6%~ 57.6%之间。一个简单的低阶模型的基础上的涡脱落相位角和从POD获得的时间系数的频谱被开发来预测的尾流动力学的高度范围内的交替脱落占主导地位。
2020-12-21 physics.flu-dyn
Scale Collapse of Vortices at Porous-Fluid Interfaces
North Carolina State University（北卡罗来纳州立大学）
研究显示多孔介质通过几何约束强制孔尺度主导的湍流，无论外部扰动如何。
2026-08-25 physics.flu-dyn
