Comparative statistics of selected subgrid-scale models in large eddy simulations of decaying, supersonic MHD turbulence
大涡模拟（LES）是一个强大的工具，在理解过程中，由于其复杂性，无法直接模拟，例如，在高度湍流制度。然而，它们的准确性和成功取决于一个适当的亚网格尺度（SGS）模型，该模型考虑了模拟中未解决的尺度。我们评估了两个传统的SGS模型，即涡粘性（EV）和尺度相似（SS）模型，和最近提出的非线性（NL）SGS模型在可压缩MHD湍流领域的适用性。利用激波捕获方案和不同分辨率、SGS模型和滤波器对209个衰减的超声速（初始音速马赫数~3）MHD湍流进行了模拟，分析了动能谱、磁能谱和结构函数的系综统计。此外，我们比较了动能和磁能，涡度，电流密度和膨胀幅度的空间分布的低阶和高阶统计矩的时间演化。我们没有发现任何模型的流量的演变，如果网格尺度的数量被用来计算SGS的贡献的统计影响。此外，SS模型，它采用了显式过滤器，一般没有影响。相反，如果使用显式过滤器，EV和NL模型都会改变统计数据。例如，它们稍微增加了最小尺度上的耗散。我们证明了非线性模型已经用一个小的显式滤波器（即三点模板）改善了高阶统计。例如，结构函数或电流密度分布的偏度和峰度的结果更接近于从更高分辨率的模拟获得的结果。我们的结论是，一个小的显式滤波器的非线性模型是适合应用在更复杂的情况下，高阶统计量是重要的。
2017-03-02 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.comp-ph
A resolvent-based perspective on the generation of Mach wave radiation from compressible boundary layers
研究通过预解分析识别可压缩边界层中放大亚音速和超音速模式的强迫机制，发现超音速模式主要由直接路径强迫，间接路径在缓冲层强迫的马赫波中显著。
2024-12-04 physics.flu-dyn
Steady Compressible Radially Symmetric Flows with Nonzero Angular Velocity in an Annulus
本文研究了环形空间中具有径向对称性的定常无粘可压缩流动。主要关心的是有或没有激波的跨音速流动。主要动机之一是阐明角速度在定常无粘可压缩流结构中所起的作用。我们给出了一个完整的分类的内部和外部圆的边界条件的流动模式。由于角速度的非零性，会出现许多新的流型。在满足内圆或外圆单侧边界条件的环隙中存在加速或减速光滑跨音速流动，所有音速点都是非异常和非特征退化的。更重要的是，我们发现，在扩张喷管中，除了已知的无角速度情况下的超音速-亚音速激波外，还存在一个超音速-超音速激波解，其下游状态可以从超音速平滑地变为亚音速。此外，还存在一个激波圆与音速圆重合的超音速-音速激波解，这是一个新的有趣的解。
2021-01-02 math.AP physics.flu-dyn
Energy cascade and scaling in supersonic isothermal turbulence
超声速湍流在许多极端的天体物理和地球环境中起着重要的作用，但对它的认识仍然是初步的。我们使用来自超音速等温湍流的三维模拟的数据来重建从纳维-斯托克斯方程解析导出的精确的四阶关系（Galtier和Banerjee，Phys.Rev.Lett.，第107卷，2011年，第134501页）。我们的分析支持先前在现象学水平上讨论的超音速湍流中的Kolmogorov惯性能量级联。我们发现，两个可压缩的类似物的五分之四定律存在描述第五和第四阶的相关性，但只有第四阶的关系仍然是“普遍的”在广泛的马赫数从不可压缩到高度可压缩的制度。导出并验证了一个新的近似关系式在强超声速区是有效的。我们还简要讨论了可压缩湍流模拟中瓶颈凸起的起源。
2013-07-11 astro-ph.GA physics.flu-dyn
Three dimensional high-order gas-kinetic scheme for supersonic isotropic turbulence I: criterion for direct numerical simulation
在本文中，我们打算解决的高阶气体动力学方案（HGKS）的直接数值模拟（DNS）的可压缩各向同性湍流的超音速制度。考虑到鲁棒性和精度，目前的高阶格式采用WENO-Z格式进行空间重构。统计量与高阶紧致差分格式进行比较，以确定DNS的空间和时间标准。通过对网格和时间收敛性的研究表明，最小空间分辨率参数$κ_{max} η_0 \ge 2.71$和最大时间分辨率参数$Δt_{ini}/τ_{t_0} \leq 5.58/1000$适用于HGKS求解可压缩各向同性湍流，其中$κ_{max}$为最大分辨波数，$Δt_{ini}$为初始时间步长，$η_0$和$τ_{t_0}$为初始Kolmogorov长度尺度和大涡翻转时间。在此准则的指导下，模拟了从亚音速$Ma_t=0.8$到超音速$Ma_t=1.2$的可压缩各向同性湍流，以及从$10$到$72$的泰勒微尺度雷诺数$Re_λ$。在高初始湍流马赫数条件下，识别出强随机小激波和高膨胀区，以及局部湍流马赫数范围内的大概率密度函数。所有这些都对高阶格式提出了挑战。为了建立高湍流马赫数下的可压缩大涡模拟模型，对湍流动能的系综收支进行了全面的分析。螺线管耗散率随$Ma_t$和$Re_λ$的增加而减小。同时，膨胀耗散率随$Ma_t$的增大而增大，这对建立超声速湍流模型是不可忽略的。
2019-05-10 physics.flu-dyn
Supersonic Shear and Wall-Bounded Flows With Body-Fitted Meshes Using the Semi-Lagrangian Lattice Boltzmann Method: Boundary Schemes and Applications
针对可压缩湍流LBM模拟研究不足、现有方法算例简单的问题，本文为半拉格朗日LBM新增多种边界条件，首次实现高马赫数三维超声速湍流模拟，验证了其捕捉可压缩效应的能力。
2024-12-12 physics.comp-ph physics.flu-dyn
The Turbulent Dynamo in Highly Compressible Supersonic Plasmas
这个动荡的发电机可以解释宇宙磁力的起源。虽然磁场的指数放大已经在不可压缩气体中进行了研究，但对高度可压缩的超音速等离子体（如星系的星际介质和早期宇宙）中的发电机作用知之甚少。在这里，我们进行了第一次定量比较的理论模型的发电机增长率和饱和度与三维磁流体动力学模拟超音速湍流与网格分辨率高达1024^3细胞。我们获得了数值收敛性，并发现发电机作用在低和高磁普朗特数Pm = nu/eta = 0.1-10（粘性耗散与磁耗散之比）时都发生，而这在超音速湍流中只在Pm >= 1时才出现。我们测量了临界磁雷诺数，Rm_crit = 129（+43，-31），表明可压缩发电机几乎与不可压缩气体一样有效。考虑到现在和早期宇宙的物理条件，我们得出结论，磁场需要考虑从早期到现在的宇宙年龄的结构形成过程中，因为它们抑制气体碎裂和驱动强大的喷流和外流，都极大地影响了恒星的初始质量函数。
2014-12-01 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
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
Comparison of Sub-Grid Scale Models for Large-Eddy Simulation using a High-Order Spectral Element Approximation of the Compressible Navier-Stokes Equations at Low Mach Number
本研究的目的是确定一些常见的（和一些不太常见的）亚网格尺度（SGS）模型的性能，优点和缺点的大涡模拟低马赫可压缩流使用高阶谱元素。研究的模型是经典的常系数Smagorinsky-礼来，模型由Vreman和两个变种的动态SGS（DSGS）模型设计，以稳定有限和频谱元素的运输为主的问题。特别是，我们比较了一个变体的DSGS是基于一个时间相关的残差版本（R-DSGS）的时间无关的残差为基础的计划（T-DSGS）。SGS模型与Smagorinsky和Lilly的参考模型进行了比较，以确定它们在以下方面的能力：（i）稳定数值解，（ii）最大限度地减少下冲和过冲，（iii）捕获/保留不连续性，以及（iv）在不同长度尺度上转移能量。这些能力的问题进行了研究：（1）被动平流示踪剂，（2）耦合，非线性方程组表现出不连续性，（3）重力驱动的流在分层大气中，（4）均匀，各向同性湍流。所有模型都能够保留尖锐的不连续性。Vreman和R-DSGS模型还减少了线性和非线性平流与尖锐梯度的解决方案中的下冲和过冲。我们的分析表明，对于高阶谱方法的数值稳定性，R-DSGS和T-DSGS模型比Vreman和Smagorinsky-Lilly更鲁棒。Smagorinsky和Vreman模型能够更好地解决剪切流中更精细的流动结构，而节点R-DSGS模型显示出更好的能量守恒。总体而言，R-DSGS的节点实现（与其基于元素的…
2022-04-07 physics.ao-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Compressible turbulence in the interstellar medium: New insights from a high-resolution supersonic turbulence simulation
超音速湍流在构造星际介质（ISM）中的作用仍然是一个悬而未决的问题。在这里，这个问题是使用一个新的精确的可压缩等温流体动力学湍流定律，它涉及到物理空间中的两点相关。新的法律被证明有一个紧凑的表达，包含一个单一的通量项，让人想起不可压缩的情况下，一个源项与一个简单的表达，其符号是由速度的发散。然后，该法律被用来调查这样一个整体的马赫数$4$产生的大规模的数值模拟网格分辨率为$10,048^3$点的湍流的属性。通量（resp.源）术语被发现具有阳性（分别为，负）对总能量级联率的贡献，这被解释为通过压缩放大的直接级联，而它们的总和在惯性范围内是恒定的。使用本地（在空间）分析表明，源主要是由对流结构，其中的通量是可以忽略不计的。采取积极的定义的相关性揭示了存在不同的湍流制度分开的声波尺度，这决定了规模超过不可忽略的源修改缩放的通量。我们的研究为超音速星际湍流的动力学和结构提供了新的见解。
2023-03-13 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Assessment of Gradient-based Reconstruction and Artificial Diffusivity Methods in Simulating High-Speed Compressible Flows
本文评估了基于梯度的重建和人工扩散方法在模拟高速可压缩流中的性能，提出混合方法以提高稳定性和效率。
2025-11-22 physics.flu-dyn
A new density variance - Mach number relation for subsonic and supersonic, isothermal turbulence
采用分辨率高达1024^3单元的流体动力学网格模拟系统，分析了亚音速和超音速等温驱动湍流中气体密度的概率密度函数（PDF）。我们进行了一系列的数值实验与均方根（r.m.s.）马赫数M范围从几乎不可压缩的亚音速（M=0.1）到高度可压缩的超音速（M=15）状态。我们研究了两种极端情况下的驱动机制的影响，通过施加一个纯粹的螺线管（发散自由）和一个纯粹的压缩（卷曲自由）强迫场来驱动湍流。我们发现，我们的测量符合线性关系的r.m.s.马赫数和密度分布的标准偏差在一个很宽的马赫数范围内，其中比例常数取决于强迫的类型。此外，我们提出了一个新的线性关系之间的标准偏差的密度分布和标准偏差的速度在可压缩模式，即可压缩分量的r.m.s.马赫数。在这种关系中的强迫的影响显着减少，这表明在可压缩模式的密度分布的标准偏差和速度的标准偏差之间的线性关系，独立的强迫，范围从亚音速到超音速制度。
2012-06-20 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.flu-dyn
Flux Correlations in Supersonic Isothermal Turbulence
使用超音速等温湍流的大规模三维模拟数据，我们测试了Falkovich、Fouxon和Oz [2010年Navier-Stokes湍流中关联函数的新关系]从纳维-斯托克斯方程解析推导的精确通量关系的有效性。J. Fluid Mech.644，465]。对于可压缩正压流体，该关系式是假设由大尺度力产生的湍流而导出的。然而，在模拟中的可压缩湍流通常是初始化和维持一个大规模的加速，在重力驱动的天体物理流动。我们提出了一个新的近似通量关系的大尺度加速驱动的等温湍流，并发现它是合理的协议与模拟结果。
2012-09-10 astro-ph.GA physics.flu-dyn
The slope of the power spectrum of the density field in isothermal supersonic compressible turbulence
ENS de Lyon, CRAL UMR5574, Universite Claude Bernard Lyon 1, CNRS（里昂高等师范学校，CRAL UMR5574，克洛德·贝尔纳里昂大学，法国国家科学研究中心）；School of Physics, University of Exeter（埃克塞特大学物理学院）
利用Chandrasekhar(1951)导出的时间不变量，定量解释了均匀各向同性等温湍流中密度场功率谱斜率随马赫数的演化，并指出无法从该斜率可靠推断马赫数。
2026-05-07 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Dynamic Mode Decomposition of High Reynolds Number Supersonic Jet Flows
当前的设计约束鼓励了可压缩射流周围的气动声场的研究。本文对非定常湍流喷流进行了数值研究，为将来主发动机火箭羽流的气动声学分析作了准备。为了再现可压缩射流的高保真度结果，使用了内部大涡模拟工具。大涡模拟公式采用二阶有限差分空间离散数值格式。对理想膨胀射流进行了数值模拟，并与文献结果进行了比较。动态模式分解（DMD）的射流，使用大尺寸的三维快照，进行。分析了三个变量，即速度大小、涡度大小和速度散度。特别是，确定了两个频率，它们与文献中其他作者进行的实验中观察到的流动结构有关。文中还讨论了相应动力学模态的空间形状。
2023-01-12 physics.flu-dyn
On the universality of supersonic turbulence
可压缩湍流塑造了我们银河系星际介质的结构，并且在早期宇宙的结构形成过程中也可能发挥重要作用。这种可压缩的超音速湍流的密度PDF和功率谱是恒星形成理论的关键成分。然而，PDF和频谱仍然是一个有争议的问题，因为理论预测是有限的，超音速湍流的模拟需要巨大的分辨率来捕捉惯性范围缩放。为了提高我们有限的知识，可压缩湍流，我们在这里提出和分析世界上最大的模拟超音速湍流。我们比较了具有256^3-4096^3网格点的数值分辨率和两种不同驱动机制（螺线管（无发散）驱动和压缩（无卷曲）驱动）的流体动力学模型。我们发现收敛的密度PDF，压缩驱动表现出更广泛和更间歇的密度分布比螺线管驱动。通过分析湍流的功率谱，我们发现在马赫数为17的流体动力学模拟中，两种驱动模式的纯速度标度都接近于Burgers湍流，P（v）k^（-2）。然而，密度加权速度ρ ^（1/3）v的谱并不能提供先前提出的超音速湍流的普遍标度。我们发现，功率谱P（rho^（1/3）v）与波数成比例，对于螺线管驱动，k^（-1.74）接近不可压缩柯尔莫哥洛夫湍流，k^（-5/3），但对于压缩驱动，k^（-2.10）明显更陡。我们表明，这与最近的可压缩湍流理论模型是一致的，该模型预测了在存在由压缩驱动产生的强div（v）分量的情况下P（rho^（1/3）v）k^（-19/9），并且在整个超音速湍流叶栅中保持显著恒定。
2013-09-24 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.flu-dyn
Nonlinear Stability and Dynamics of Supersonic Compressible Flows
本研究通过多重尺度法推导振幅方程，对超音速可压缩剪切流进行弱非线性稳定性分析，揭示了依赖于Mach数的分岔行为和非线性饱和机制，填补了线性与完全非线性分析之间的空白。
2025-05-27 astro-ph.HE physics.ao-ph physics.comp-ph
Statistical properties of compressible isothermal turbulence from sub- to supersonic conditions
本文通过可控雷诺数的流体动力学模拟，研究了亚声速至超声速等温湍流的统计特性，发现密度PDF依赖马赫数，导数统计依赖雷诺数，并利用KHM方程揭示了压力-速度耦合在动能级联中的作用。
2025-10-15 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Numerical validation and physical explanation of the universal force theory of three-dimensional steady viscous and compressible flow
在最近的一篇论文中，Liu et al. [``Lift and drag in three-dimensional steady viscous and compressable flow ''，Phys. Fluids 29，116105（2017）]获得了一个通用的理论，用于三维稳定流中物体上的气动力，从不可压缩一直到超音速状态都有效。在该理论中，总气动力可以仅由定常线性远场中单个尾迹面上的涡量分布来确定。尽管这一结果至关重要，但其有效性和在实践中的表现尚未得到研究。本文对三维机翼的亚音速、跨音速和超音速流动进行了雷诺平均纳维尔-斯托克斯数值模拟。由万有力理论得到的气动力与由标准壁面应力积分得到的气动力进行了比较。这两个公式之间的协议首次证实了理论的有效性在三维定常粘性和可压缩流。普适公式的良好性能主要是由于尾流中的湍流粘度远大于其中的分子粘度，这可以显著减小定常线性远场到物体的距离。为了进一步验证理论的正确性，将理论计算结果与数值模拟结果进行了比较。通过识别尾流中不同的涡量源来解释与理论的普遍性相关的基本物理。
2020-12-21 physics.flu-dyn
Scale locality and the inertial range in compressible turbulence
我们使用粗粒化的方法来证明，在可压缩湍流的动能的尺度间传递是由本地相互作用。在这里，局部性意味着不同尺度之间的相互作用衰减的速度至少与尺度差异比的幂律函数一样快。特别是，我们的研究结果排除了动能从大尺度直接转移到耗散尺度，如进入冲击，在高雷诺数湍流的限制，是普遍认为。在任何马赫数下，对于任何状态方程，且不要求均匀性或各向同性，这些结果具有广泛的普遍性。我们在证明中对速度、压力和密度结构函数的标度所作的假设是很弱的，并且得到了令人信服的经验支持。在一个更强的假设压力膨胀共谱，我们表明，\emph{mean}动能和内能预算统计解耦超出过渡“转换”范围。我们的分析表明，存在一个随之而来的惯性尺度范围内，平均SGS动能通量成为常数，独立的规模。在这个惯性范围内，平均动能局部地以保守的方式级联，尽管不是不变量。
2010-12-30 physics.flu-dyn
Efficient supersonic flows through high-order guided equilibrium with lattice Boltzmann
提出了一种基于双分布函数的格子玻尔兹曼方法（DDF-LBM），用于模拟超音速多原子气体。该模型依赖于一个扩展的平衡态，该平衡态被构造成精确地再现麦克斯韦-玻尔兹曼分布的前13个时刻。这扩展了标准的5约束（质量，动量和能量）的方法的有效性，并导致正确的模拟热，可压缩流只有39个离散的速度在3D中。这个BGK-LBM的稳定性是通过依赖于分析计算的克努森数依赖的弛豫时间来加强的。因此，高雷诺数，超音速流可以模拟在一个有效的和优雅的方式。虽然一维黎曼问题表明了所提出的方法在零粘度极限下处理不连续性的能力，但对NACA 0012翼型（马赫数$\mathrm{Ma}=1.5$，雷诺数$\mathrm{Re=10^4}$）绕流的模拟证实了该模型在低粘度和超音速状态下的优异性能。所提出的模型比以前的5阶矩D3 Q343 DDF-LBM效率高得多，开辟了一个全新的可压缩流应用世界，可以用纯LB方法来实际解决。
2020-02-12 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Compressible Turbulence: The Cascade and its Locality
我们证明了可压缩湍流中尺度间的动能传递是由局部相互作用决定的。特别是，我们的研究结果排除了动能从大尺度直接转移到耗散尺度，如进入冲击，在高雷诺数湍流是普遍认为。我们对结构函数标度的假设是弱的，并享有令人信服的经验支持。在一个更强的假设下，压力膨胀共谱，我们表明，平均动能和内能预算统计解耦超出过渡“转换”范围。我们的分析建立了一个随后的惯性范围内，平均SGS动能通量成为常数，独立的规模的存在。在这个惯性范围内，平均动能局部地以保守的方式级联，尽管不是不变量。
2011-01-03 astro-ph.SR 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$）有很好的相关性。
2009-10-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Influence of Different Subgrid Scale Models in LES of Supersonic Jet Flows
当前的设计约束鼓励了可压缩射流周围的气动声学场的研究。本文对亚网格尺度非定常湍流射流的数值模拟进行了研究，为今后主发动机火箭羽流的气动声学分析奠定了基础。为了再现可压缩射流流场的高保真度结果，开发了一种内部大涡模拟（LES）工具。在本研究中，考虑了完全膨胀的射流，因为作者想强调射流混合现象的影响。大涡模拟公式是用有限差分法编写的，具有显式时间积分和二阶空间离散。能量方程被仔细离散，以模拟过滤的Navier-Stokes公式的能量方程。经典的Smagorinsky模型，动态Smagorinsky模型和Vreman模型是本工作所选择的亚网格尺度闭合。为了验证和比较求解器中每个子网格闭合的性能，对完全膨胀射流进行了数值模拟，并与文献进行了比较。
2023-01-02 physics.flu-dyn
Large Eddy Simulations of Supersonic Jet Flows for Aeroacoustic Applications
当前的设计约束鼓励了可压缩射流周围的气动声学场的研究。本文对主发动机火箭羽流的非定常湍流喷流进行了数值研究。发展了一种新的大涡模拟（LES）工具，用于再现可压缩喷流的高保真度结果，为Ffowcs Williams和Hawkings方法的气动声学研究提供了依据。数值求解器是一个现有的雷诺平均Navier-Stokes求解器以前开发的组的升级。原始框架以现代方式重写，并在代码中添加了密集的并行计算能力。LES制定使用有限差分法。能量方程被仔细离散，以模拟过滤的Navier-Stokes公式的能量方程。经典的Smagorinsky模型是目前的工作所选择的亚网格尺度封闭。为了验证新的求解器，进行了完全膨胀射流的数值模拟，并与文献进行了比较。此外，加速比和计算性能的代码进行了评估和讨论。流场结果用于对火箭羽流辐射噪声的初步评价。
2022-12-23 physics.flu-dyn
A priori tests of turbulence models for compressible flows
本研究利用直接数值模拟数据对可压缩RANS湍流模型进行先验检验，评估多种闭合模型与修正，重点关注湍流热通量、膨胀耗散及高焓条件下的湍流-化学和湍流-振动弛豫相互作用。
2023-10-15 physics.flu-dyn
Direct numerical simulations of the supersonic Taylor--Green vortex via the Boltzmann equation
通过直接求解六维玻尔兹曼方程，研究了可压缩Taylor--Green涡的动力学，发现分布函数相对熵与粘性耗散率强相关，且亚格子相对熵与耗散相似，为可压缩湍流封闭建模提供新视角。
2025-07-09 physics.flu-dyn
Role of the sonic scale in the growth of magnetic field in compressible turbulence
本文研究了超声速湍流中磁场小涨落的增长，即小尺度发电机。增长是由于最快的湍流涡以上的电阻规模。我们观察到，对于超音速湍流，这些涡是有效的不可压缩的，这会产生一个强大的增长结构。涡流位于声波尺度$l_s$以下，该尺度定义为湍流涡流的典型速度等于声速的尺度。因此，在$l_s$下面的流动实际上是不可压缩的，并且场的增长与不可压缩流动一样进行。在大马赫数下，$l_s$远小于湍流的积分尺度，因此磁场增长最快的模式属于小尺度湍流。我们推导出这种模式和相关的增长率数值白噪声湍流模型。该模型的相关性依赖于考虑湍流的演化时间大于相关时间。
2019-06-24 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Thermodynamic nonequilibrium effects in three-dimensional high-speed compressible flows: Multiscale modeling and simulation via the discrete Boltzmann method
本文针对三维高速可压缩流动中的热力学非平衡效应，发展了精确到克努森数二阶的离散玻尔兹曼模型，推导了三维非线性本构关系，并通过多尺度算例验证了模型捕捉黏性应力和热流等非平衡效应的能力。
2025-04-10 physics.flu-dyn
Entropy stable wall boundary conditions for the three-dimensional compressible Navier-Stokes equations
利用非线性熵稳定性和逐部分求和的方法，导出了三维可压缩纳维-斯托克斯方程的熵稳定壁面边界条件。当新的边界条件与一个熵稳定的离散内部算子耦合时，实现了整个域的半离散熵估计。在边界处的数据是弱施加使用罚通量方法和一个错误的近似项惩罚技术。虽然非结构化网格上的不连续谱配置算子在此用于证明其鲁棒性和有效性的目的，但新的边界条件与任何对角范数逐部分求和空间算子（包括有限元、有限差分、有限体积、不连续Galerkin和通过重建方案的通量重建/校正过程）兼容。建议的边界处理进行了测试，为三维亚音速和超音速流动。数值计算证实了边界条件的非线性稳定性（熵稳定性）和准确性。
2014-11-27 physics.flu-dyn
Flame Instability and Transition to Detonation in Supersonic Reactive Flows
采用多维数值模拟方法研究了超音速燃烧室中均匀化学反应气体的点火、火焰稳定性和燃烧转爆轰（DDT）过程。研究的配置是一个矩形通道的化学计量的乙烯-氧气和transmissive流出边界的超音速流入。计算初始化时，计算域中的速度等于流入速度，在计算期间保持恒定。在自适应网格上采用高阶数值算法求解可压缩反应纳维-斯托克斯方程。本文介绍了两种计算方法，一种是马赫数为3的来流，另一种是马赫数为5.25的来流。在马赫数为3的情况下，燃料-氧化剂混合物不点火，气流达到稳态斜激波训练结构。在马赫数为5.25的情况下，点火发生在边界层中，由于在已燃烧气体和未燃烧气体之间的界面处的瑞利-泰勒不稳定性，火焰前锋变得不稳定。反应前沿的增长和已燃烧气体的膨胀压缩和预热未燃烧气体。DDT发生在几个位置，在火焰前端和未燃烧的气体中，由于能量集中机制。使用阿特伍德数参数分析了导致DDT的火焰不稳定性的增长。
2017-11-14 physics.flu-dyn
An efficient semi-implicit solver for direct numerical simulation of compressible flows at all speeds
本文发展了一种半隐式算法，用于可压缩纳维-斯托克斯方程的时间精确模拟，特别是壁面有界流动。该方法基于与声波相关联的部分对流通量的线性化，以这种方式抑制或至少减轻声学时间步长限制。再加上用熵输运方程代替总能量方程，这种方法避免了经典方法中所涉及的块带状矩阵的求逆，这被标准带状矩阵的要求较低的求逆所取代。通过近似因式分解，将该方法推广到粘性项的隐式积分和多维空间，并作为三阶Runge-Kutta时间推进格式的构造块。对各向同性湍流、平面槽道流动和方管流动进行了数值实验。所有可用的数据支持更高的计算效率比现有的方法，和节省资源的范围从$85\%$在低亚音速流条件下，约$50\%$在超音速流。
2016-08-30 physics.flu-dyn
A Morphing Continuum Analysis of Energy Transfer in Compressible Turbulence
提出并验证了一种基于广义Lax-Friedrichs分裂通量的变形连续统理论（MCT）的保激波有限体积法。数值MCT求解器在马赫数为2.93的超声速湍流中通过$8^{\circ}$压缩斜坡进行了演示。模拟结果验证了MCT作为可压缩湍流模拟的替代方案的可行性。MCT模拟所需的最小网格单元的大小几乎是一个订单大于在类似的DNS研究。比较表明，MCT是一个更计算友好的理论比经典的NS方程。通过MCT引入的子尺度旋转，阐明了能量级联在单个涡旋长度尺度上的动力学过程。在这方面，MCT提供了一个统计平均程序捕获的能量转移在可压缩湍流，没有发现在经典流体理论。MCT结果的分析表明，存在的内部和平移的动能波动与相应的涡流旋转能量波动的统计耦合，表明能量的多尺度转移。总之，MCT在不使用过多计算资源的情况下给出了可压缩湍流内能量级联的新表征。
2018-02-07 physics.flu-dyn
Calibration of projection-based reduced-order models for unsteady compressible flows
在这项工作中的降阶模型（ROM）的校准分析。Galerkin和最小二乘Petrov-Galerkin（LSPG）方法进行了测试可压缩流涉及的时间尺度的差异。针对LSPG方法提出了一种新的标定策略，并对两个测试用例进行了分析。第一种包括亚音速翼型流，其中边界层不稳定性是后缘噪声产生的原因，第二种包括具有瞬态周期的超音速翼型流，其中分离激波在后缘处发生激波-涡流相互作用的同时向上游传播。结果表明，校准产生稳定和长期准确的两种情况下。为了减少LSPG模型的计算量，采用加速贪婪缺失点估计（MPE）算法进行超约简。对于第一种情况，超约化得到的LSPG解与全阶模型得到的LSPG解有很好的比较。然而，对于超音速的情况下，流动的瞬态特征需要适当地捕获的采样点。否则，运动冲击波的动力学不能完全恢复。不同的时间推进计划的影响也进行了评估，不同的文献中报道，Galerkin模型被证明是更准确的比LSPG计算时，非保守形式的纳维-斯托克斯方程求解。对于超音速情况，Galerkin和LSPG模型（无超简化）捕捉了沿翼型的分离和斜激波的总体动力学。然而，当激波-涡相互作用发生在后缘时，Galerkin ROM能够捕获来自涡脱落的高频波动，而LSPG呈现出更多的耗散解，不能恢复流动动力学。
2020-08-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
High-order gas-kinetic scheme with parallel computation for direct numerical simulation of turbulent flows
本文研究了高阶气体动力学格式（HGKS）对各向同性可压缩湍流的直接数值模拟（DNS）的性能。由于HGKS的多尺度特性和时空耦合演化过程，它为可压缩湍流的数值模拟提供了一个有效的工具。基于区域分解和消息传递接口（MPI），本文开发了一个适用于大规模计算的并行HGKS程序。从近不可压缩流到超声速流，包括Taylor-Green涡问题、湍流槽道流和各向同性可压缩湍流，通过标准测试验证了并行实现的可扩展性、效率、精度和鲁棒性。对于近不可压湍流，HGKS的性能与高阶有限差分格式相当，包括流动结构的分辨率和计算效率。根据数值解的精度，对该格式在湍流模拟中的数值耗散进行了定量评价。作为一种介观方法，HGKS方法由于其高阶精度而优于格子玻尔兹曼方法（LBM）和离散统一气体动力学方法（DUGKS）。同时，基于动力学方程的HGKS方法在超声速湍流模拟中具有较高的精度和鲁棒性。目前的工作表明，HGKS作为一个强大的DNS工具的能力，从低速到超音速湍流研究，这是很少报告的框架下的有限体积格式。
2020-05-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Nearly homogeneous and isotropic turbulence generated by the interaction of supersonic jets
本文研制了36股超声速射流相互作用的风洞，发现其可生成近均匀各向同性衰减湍流，湍动能幂律衰减指数约为2，能谱与无量纲耗散率均与不可压缩网格湍流一致，验证了该装置用于可压缩湍流研究的有效性。
2024-01-14 physics.flu-dyn
Linear stability analysis of compressible boundary layer over an insulated wall: Existence of multiple new unstable modes for Mach number beyond 3
本研究首次将复合矩阵法应用于可压缩边界层线性空间稳定性分析，发现马赫数大于3时存在远多于已有报道的不稳定模态，其数量和频率范围随马赫数增大而增加，高阶不稳定模态特性为全新发现。
2024-01-30 math-ph math.MP physics.flu-dyn
A quasi-dynamic one-equation model with joint constraints of kinetic energy and helicity fluxes for large eddy simulation of rotating turbulence
本文提出一种由动能和螺旋度通量联合约束的准动态单方程SGS模型（QCM），通过动态获取系数并引入双通道螺旋度通量理论，显著提升了强螺旋度影响下的旋转流预测及转捩过程处理能力。
2024-01-04 physics.flu-dyn
Tackling Compressible Turbulent Multi-Component Flows with Dynamic hp-Adaptation
本文提出一种hp自适应混合间断伽辽金/有限体积方法，用于模拟可压缩湍流多组分流动，通过动态切换h细化FV子单元和p自适应DG，实现精确激波定位和湍流解析，并在FLEXI框架中验证其鲁棒性，展示了在欠膨胀氢气射流混合模拟中的潜力。
2025-02-26 physics.flu-dyn
Characteristics of shock tube generated compressible vortex rings at very high shock Mach numbers
可压缩涡环通常形成于激波管的开口端，在其形成、发展和传播过程中，往往表现出一些有趣的现象，这些现象取决于激波的马赫数和出口流动条件。到目前为止，文献中所研究的平移可压缩涡环的马赫数是亚音速的，因为所考虑的激波管压比（PR）相对较低。在本数值研究中，我们着重于低到高涡环马赫数（0.31 < Mv < 1.08）的情况，特别着重于实验中没有报道的非常高的Mv情况，因为在实验室中很难获得。在激波管中以氢气作为驱动段气体，首次获得了超声速可压缩涡环（Mv > 1）。结果表明，在涡环发展的不同阶段，基于SST k-ω的DES湍流模型比以往发表的结果更好地再现了实验观测。DES，这是一个内置的混合LES和RANS的方法被唤起，可以自动切换到亚网格尺度（SGS）模型在LES区域（即具有不同尺度的涡结构）和RANS模型在该区域的其余部分（即网格间距大于湍流长度尺度）。DES模型可以预测剪切层涡的特性，以及反向旋转涡环（CRVR）的实验测量报告。除了通常的CRVR外，在主涡环后面不同径向位置形成多个三相点和相应的滑流剪切层，从而形成多个CRVR，似乎是高马赫数涡环的独特特征。对于形成阶段的高PR、H_2情况，形成一个反循环的涡层（主涡环的涡层）。
2020-09-07 physics.flu-dyn
Computational Performance of a LES Solver for Supersonic Jet Flow Applications
为了再现可压缩射流的高逼真度结果，开发了一个内部大涡模拟工具。大涡模拟公式是用有限差分法编写的，具有显式时间积分和二阶空间离散。能量方程被仔细离散，以模拟过滤的Navier-Stokes公式的能量方程。这样的数值研究是非常昂贵的，并且需要高性能的计算。消息通道接口协议被实现到代码中，以便执行并行计算。目前的工作解决的求解器上运行多达400个并行处理器的计算性能。不同的网格配置，其大小从约590万点到约10亿点不等，在目前的文件进行评估。加速比和效率曲线进行评估，以评估强大的可扩展性的求解器。
2023-01-02 physics.flu-dyn
Lift and drag in three-dimensional steady viscous and compressible flow
在最近的论文中，Liu、Zhu和Wu（2015，{ \it J. Fluid Mech.} { \bf 784}：304）提出了二维粘性可压缩定常流中物体的力理论。在这篇姊妹论文中，我们对三维流动也作同样的处理。本文利用线性化的纳维-斯托克斯方程的基本解，将Goldstein于1931年导出的、Milne-Thomson于1968年总结的不可压流的力公式改进为完善的最终形式，并进一步证明了它在亚音速到超音速流动中是普遍成立的。我们称这个结果为\textit{unified force theorem}，它指出力总是由纵向速度的矢量环流$\pGamma_ϕ$和横向速度的标量入流$Q_ψ$决定。由于这一定理是不能直接观察到的实验或计算，一个可测试的版本也来自，然而，仅在线性远场。我们将此版本命名为\textit{testable unified force formula}。在此基础上，提出了提高升阻比的一般原则。
2021-02-10 physics.flu-dyn
Nonlinear closures for scale separation in supersonic magnetohydrodynamic turbulence
可压缩等离子体中的湍流在天体物理和工程的许多领域中起着关键作用。然而，在这些环境中的极端等离子体参数，例如高雷诺数，超声速和超Alfvenic流，使得直接的数值模拟计算棘手，即使是最简单的治疗-磁流体动力学（MHD）。为了克服这个问题，人们可以使用子网格尺度（SGS）封闭-模型的影响，未解决的，子网格尺度上解决的。在这项工作中，我们提出并验证了一组常系数封闭的解决，可压缩，理想的MHD方程。亚网格尺度的能量模拟Smagorinsky一样的平衡闭包。湍流应力和电动势（EMF）的表达式是非线性的大规模速度和磁场梯度。为了验证关闭，我们进行了先验测试超过137模拟快照从两个不同的代码与不同的比例的热磁压力（$β_\mathrm{p} = 0.25, 1, 2.5, 5, 25$）和音速马赫数（$M_s = 2, 2.5, 4$）。此外，我们比较传统的，现象学的涡流粘度和$α-β-γ$封闭。我们发现只有平庸的性能的动力学涡粘性和$α-β-γ$封闭，磁涡粘性封闭与模拟数据的相关性很差。此外，传统闭包的五个系数中有三个在值上表现出显著的分布。相比之下，我们的新封闭件随着时间的推移和在测试的广泛参数范围内表现出一贯的高相关性和常系数值。可压缩MHD湍流的重要方面，如双向能量级联，湍流磁压力和正确的对齐的电动势很好地描述了我们的新封闭。
2015-03-02 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Compressible two-dimensional turbulence: cascade reversal and sensitivity to imposed magnetic field
我们研究了压缩性对二维湍流的影响，例如那些模拟天体物理盘。结果表明，随着马赫数Ma的增加，叶栅的流向经历了从零Ma时的反向到无穷大Ma时的正向的连续转变。因此，在马的顺序一个可比的能量流从规模的泵到大规模和小规模，根据以前的数据。对于大Ma的超声速湍流，叶栅是直接的，如在三维中，这导致多重分形密度场。对于导电流体的可压缩流动，施加外部磁场允许操纵流动，即使在小的马赫数下也可能产生大的变化。因此，必须谨慎使用Zeldovich反发电机定理，根据该定理，在零Ma时，磁场在稳定状态下为零。真实的流动具有有限的Ma，无论它多么小，对于通过磁盘的大磁通量，磁场都会明显改变流动，或完全重新排列它。对于大的马，相关的天体物理磁盘，磁场能量增强了一个大的因素相比，估计的基础上的平均场。我们建议使用二维Burgers湍流作为超音速薄吸积盘的模型，而三维Burgers湍流用于宇宙大尺度结构的研究。
2023-02-21 astro-ph.SR nlin.CD physics.flu-dyn
Effects of shock topology on temperature field in compressible turbulence
通过数值模拟研究了小尺度激波和大尺度激波两种激波拓扑结构对可压缩湍流温度统计特性的影响。小激波和激波分别由螺线管和压缩驱动力模式引起。在下文中，相关的两个流分别被称为SFT和CFT。结果表明，在SFT中，温度谱服从k^-5/3幂律，温度场具有“斜坡-悬崖”结构。相比之下，在连续傅里叶变换中，温度谱服从k^-2幂律，温度场主要是大尺度的稀疏和压缩。幂律指数为p.d.f. SFT和CFT的大负膨胀率分别为-2.5和-3.5，接近理论值。对于热力学变量的等熵假设，SFT中的导数随湍流马赫数（Mt）的增大而增大，而对于相同的Mt，CFT中的变量更加不等熵。角度统计表明，在CFT的温度梯度是优先垂直于各向异性应变速率张量。它倾向于与第一特征向量平行，并与其他两个特征向量正交。对于温度串级，粘性耗散和压胀效应使温度变化增大，而SGS温度通量使温度变化减小。压力膨胀的统计证明，在小尺度上，压力膨胀的贡献可以忽略不计，这是由于稀疏区和压缩区之间的高值抵消。压力膨胀的偏度函数的强正偏度意味着通过压缩从动能到内能的转换比通过稀疏的相反过程更强烈。此外，在SFT中，压力膨胀的波动近似遵循Zeman模型。
2015-06-12 physics.flu-dyn
Density Field Reconstruction of an Overexpanded Supersonic Jet using Tomographic Background-Oriented Schlieren
本研究开发了层析背景纹影技术，用四相机环形布置重建过膨胀超声速射流的三维密度场，并通过滤波反投影和联合代数重建提取激波间距等流动特征。
2023-11-17 physics.flu-dyn
An immersed boundary method for solving compressible flow with arbitrarily irregular and moving geometry
在本文中，一种新的浸入边界方法的开发，验证和应用。通过设计一个二阶三步流动重建方案，所提出的方法是能够执行狄利克雷，诺依曼，罗宾，柯西边界条件，在一个简单的和一致的方式。配备了流固耦合框架，集成了高阶时间和空间离散格式，数值实验涉及流动涉及静止和运动的物体，凸和凹的几何形状，无滑移和滑移壁边界条件，以及亚音速和超音速运动进行验证的方法。结果表明，该方法可以提供有效的，准确的，和强大的边界处理解决流动与任意不规则和运动的几何形状在笛卡尔网格。
2018-04-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Direct numerical simulations of supersonic three-dimensional turbulent boundary layers
STM Journals, Cambridge University Press（剑桥大学出版社）；Center for Turbulence Research, Stanford University（斯坦福大学湍流研究中心）
研究通过直接数值模拟分析超音速三维湍流边界层的热传输和速度变换，揭示了非平衡条件下速度自相似性和雷诺类比的适用性。
2025-04-16 physics.flu-dyn
An immersed-boundary method for compressible viscous flow and its application in gas-kinetic BGK scheme
提出了一种浸入边界（IB）方法，并将其应用于气体动力学BGK格式中，模拟具有静止/运动边界的不可压缩/可压缩粘性流动。本文采用虚胞技术来实现浸没边界上的边界条件。提出了一种新的“局部边界确定”的思想来识别鬼细胞，每个鬼细胞可能具有多个不同的鬼细胞结构，对应于不同的边界段，从而消除了鬼细胞的奇异性。此外，所谓的“新鲜细胞”的问题时，实现移动边界模拟的IB方法解决了一个简单的时间外推。将该方法首次应用于气体动力学BGK格式中，模拟Taylor-Couette流动，验证了该方法的二阶空间精度，并观察到BGK格式的“超收敛性”。然后通过超声速定常圆柱绕流、不可压缩振荡圆柱绕流和可压缩运动翼型绕流的算例，验证了本文方法模拟可压缩流动和处理运动边界的能力。
2016-11-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Structure Function Scaling in Compressible Super-Alfvenic MHD Turbulence
磁化气体的超音速湍流被认为在星系中恒星形成云的动力学中起着重要的作用。理解这种流动的统计特性对于发展恒星形成理论至关重要。在这封信中，我们提出了一个统一的方法来获得速度标度在可压缩和超Alfvénic湍流，有效的任意音速马赫数，\ms。我们证明了与数值模拟的缩放可以描述的She-Lévêque形式主义，其中只有一个参数，解释为最激烈的耗散结构的Hausdorff尺寸，需要作为\ms的函数而变化。因此，我们的结果提供了一种方法，一旦他们的马赫数已从观测推断出星际云的速度标度。
2004-05-31 astro-ph nlin.CD physics.flu-dyn
Magnetic field fluctuations in anisotropic, supersonic turbulence
我们在分子云中观察到的丰富结构是由于强磁场和超音速（湍流）速度波动之间的相互作用。速度波动与磁场相互作用，导致磁场也波动。使用数值模拟，我们探索了这种磁场波动的性质，$\vec{δB}$，在很宽的湍流马赫数范围内，$\mathcal{M} = 2 - 20$（即，从弱压缩性到强压缩性），以及Alfvén马赫数，$\mathcal{M}_{\text{A}0} = 0.1 - 100$（即，从强到弱的平均磁场，$B_0$）。从磁流体动力学（MHD）方程出发，导出了一个可压缩准静态波动模型，并证明了平行于平均磁场的速度梯度在亚Alfvénic流中会产生可压缩模式，从而阻止了流场的二维化，而不可压缩MHD湍流就是这种情况。然后，我们概括了一个分析模型的磁波动的大小，包括$\mathcal{M}$，并找到$|\vec{δB}| = δB = c_s\sqrt{πρ_0}\mathcal{M}\mathcal{M}_{\text{A}0}$，其中$c_s$是声速和$ρ_0$是气体的平均密度。这种新的关系很好地适合在强$B$场制度。我们继续研究垂直（$ B_{\perp}$）和平行（$ B_{\parallel}$）波动和平均归一化波动之间的各向异性，我们发现遵循通用的标度关系，不变量的$\mathcal{M}$。我们提供了一个详细的分析形态的$δB_{\perp}$和$δB_{\parall…
2020-07-29 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Measure solutions of one-dimensional piston problem for compressible Euler equations of Chaplygin gas
本文研究Chaubergin气体可压缩欧拉方程的一维活塞问题。如果活塞以恒定的亚音速运动到均匀气体中，则活塞问题存在积分弱解，该解由分离活塞前方的恒定状态的激波组成。当活塞运动速度为音速或超音速时，则应引入奇异测度解，其密度包含一个支撑在活塞上的Dirac测度。当活塞以任意恒速离开气体，且不存在真空时，存在积分弱解。在活塞马赫数趋于无穷大的极端情况下，极限方程和解与多方气体的极限方程和解相同。
2019-06-13 math-ph math.AP math.MP
Kinetic Energy Decay Rates of Supersonic and Super-Alfvenic Turbulence in Star-Forming Clouds
我们目前的数值研究的可压缩，衰减湍流，有和没有磁场，与初始均方根阿尔芬和马赫数范围高达5，并应用结果的问题的支持恒星形成的星际分子气体云。我们发现，在一维，磁化湍流实际上比未磁化湍流衰减得更快。在我们研究过的所有三维相干态-超阿尔夫文、超音速、亚阿尔夫文和亚音速-中，动能衰减为（t-t0）^（-x），其中0.85 < x < 1.2。我们比较了两种完全不同的算法在未磁化情况下的结果，并在所有情况下进行了广泛的分辨率研究，达到了256^3个区域或350，000个粒子的分辨率。我们的结论是，所观察到的长寿命和超音速运动的分子云必须是由于外部驱动，因为非驱动湍流衰减太快，无法解释的意见。
1997-12-01 astro-ph chao-dyn nlin.CD
Compressible air flow through a collapsing liquid cavity
我们提出了一个多尺度的方法来模拟液体表面上的固体物体的影响：在影响薄的液体片被抛出向上所有周围的边缘的冲击，而在其唤醒一个大的表面空腔的形式。在流体静压力的影响下，空腔立即开始塌陷，并最终在一个单一的点关闭，从该点喷射出细的针状射流。现有的数值处理液体冲击要么考虑周围的空气作为一个不可压缩的流体或忽略空气的影响。相比之下，我们的方法耦合的边界积分方法的液体与Roe计划的气体域，因此能够处理完全\emph{compressible}气体流被推出的崩溃的影响腔。考虑到空气的可压缩性是至关重要的，因为，正如我们在这项工作中所示，撞击坑崩溃如此猛烈，通过腔颈部的气流达到超音速已经在腔直径大于1毫米。我们的计算结果通过相应的实验数据进行验证。
2010-01-29 physics.comp-ph physics.flu-dyn
