The role of wave kinematics in turbulent flow over waves
本文用壁面分辨大涡模拟方法研究了中等陡度单色波上的湍流，并涵盖了一定的波龄和雷诺数范围。我们计算的流的傅立叶模式和分析的平均和基本模式的动量平衡。在低波龄时，形状阻力对雷诺数的变化表现出很大的敏感性，湍流应力和波致应力之间的相互作用随着雷诺数的增加而增加。在较高波龄时，进入准层流状态，其中波致应力主要由粘性应力平衡。为了利用在中高波龄区域观察到的波运动学的重要性，引入了一种新的分裂系统方法，其中对波的层流响应迫使湍流RANS类型的剪切流。为了解释湍流的影响，我们使用来自相应LES的雷诺应力来强制系统。我们给出了一个解析函数依赖的形式阻力与层流解决方案。对于中高波年龄，剪切流的形状阻力表现出相对简单的行为，我们推导出近似的准层流制度的功能依赖性。在低波龄时，形状阻力对雷诺数变化的高度敏感性对使用这种方法进行评估更具挑战性。这主要是由于剪切流中非线性的重要性增加，其固有地与湍流应力中的高次谐波耦合。然而，分裂系统的方法可以用来量化的重要性，不同的谐波在湍流应力明确选择哪些模式包括在分裂系统强迫。我们表明，雷诺应力的基本模式变得越来越重要的准确预测的形状阻力作为雷诺数的增加。
2019-08-19 physics.flu-dyn
Internal stresses in low-Reynolds-number fractal aggregates
University of California, Merced（加州大学默塞德分校）
本文提出了一种数值模型，研究低雷诺数流动中分形结构聚集体的内部应力，通过计算不同分形维度聚集体的内部应力分布，揭示其破碎机制。
2024-11-20 physics.flu-dyn
Prediction of Reynolds Stresses in High-Mach-Number Turbulent Boundary Layers using Physics-Informed Machine Learning
University of Notre Dame（圣母大学）；Missouri University of Science and Technology（密苏里科技大学）；Virginia Tech（弗吉尼亚理工大学）
模拟雷诺应力是雷诺平均纳维尔-斯托克斯（RANS）模拟中模型形式不确定性的主要来源。最近，物理信息机器学习（PIML）方法已被提出用于重建RANS模型雷诺应力的差异。PIML框架的优点已经在几个典型的不可压缩流中得到了证明。然而，它在高马赫数流动中的性能仍然不清楚。在这项工作中，我们使用PIML的方法来预测的差异RANS模拟雷诺应力在高马赫数平板湍流边界层通过使用现有的DNS数据库。具体而言，差异函数首先使用DNS训练流构造，然后用于校正在不同于DNS的流动条件下的RANS预测的雷诺应力。机器学习技术显着改善RANS建模的湍流正应力，湍流动能，和的湍流应力各向异性。当使用不同的训练数据集时，始终观察到改进。此外，高维可视化技术和距离度量用于提供仅基于RANS模拟的预测置信度的先验评估。这项研究表明，PIML方法是一种计算负担得起的技术，用于提高精度的RANS模拟雷诺应力高马赫数湍流时，缺乏实验和高保真度的模拟。
2018-08-19 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
A Comprehensive Physics-Informed Machine Learning Framework for Predictive Turbulence Modeling
尽管计算资源的可用性增加使得湍流的高保真模拟成为可能，但RANS模型仍然是工业应用的主要工具。然而，RANS模型的预测能力受到雷诺应力封闭假设驱动的潜在不准确性的限制。最近，物理信息机器学习（PIML）方法已被提出来学习雷诺应力差异的函数形式的RANS模拟的基础上，现有的数据。它已被证明，学习的差异功能，可用于提高雷诺应力在不同的流动数据不可用。然而，由于一些挑战，改进已被证明只在雷诺应力预测，而不是在相应的传播量的利益。在这项工作中，我们介绍了一个完整的PIML框架预测湍流模拟的程序，包括学习雷诺应力差异函数，预测雷诺应力在不同的流动，并传播到平均流场。研究了雷诺应力的传播过程和传播速度场的预报精度。为了提高学习预测性能，输入特征的基础上丰富的不变量的完整性基础。以方形管道内充分发展的湍流为例进行了数值模拟。的差异模型进行了训练，从几个雷诺数获得的流场和评估的管道流在雷诺数高于任何训练的情况下。通过RANS方程将预测的雷诺应力传播到速度场。数值结果表明，在雷诺应力及其传播速度的预测性能优良，显示了PIML方法在预测湍流模拟的优点。
2018-11-16 physics.flu-dyn
Pore-resolved simulations of turbulent boundary layer flow over permeable and impermeable sediment beds
孔解析直接数值模拟湍流明渠流进行比较的结构和动力学的湍流在不渗透的粗糙和光滑的墙壁多孔沉积物床的渗透雷诺数（$Re_K$）为2.6，代表的水生床。四种配置进行了研究，即，（i）渗透床随机堆积的沉积物颗粒，（ii）一个不渗透的壁与匹配的沉积物床的顶层的粗糙度元素的全层，（iii）一个不渗透的壁与粗糙度元素的半层，和（iv）一个光滑的壁。双平均法用于计算平均速度、雷诺应力、形状诱导应力和湍流动能预算。据观察，平均速度，雷诺应力，和形式诱导的压力-速度相关性代表上升流和下降流通量的渗透床和不渗透的全层壁的情况下，在大小上是相似的。然而，对于不可渗透的半层的情况下，壁阻塞效应导致更高的流向和更低的壁法向应力相比，渗透床的情况下。床粗糙度增加雷诺剪切应力，而渗透率的影响很小。床渗透率，在相反的雷诺应力，显着影响形式诱导的剪切应力。床剪切应力统计表明，极端事件的概率增加，在渗透床和粗糙壁的情况下，光滑的壁。研究结果表明，床渗透率可以有显着的影响模型的潜流交换和床剪切和压力波动的影响，更好地捕捉考虑至少沉积物的顶层。
2022-04-29 physics.flu-dyn
Representation of Reynolds Stress Perturbations with Application in Machine-Learning-Assisted Turbulence Modeling
基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程的数值模拟在涉及湍流的工程设计和分析中有着广泛的应用。然而，RANS模拟是已知的是不可靠的，在许多流动的工程相关性，这在很大程度上是由模型形式的不确定性与雷诺应力。最近，一种机器学习方法已被提出，以协助RANS建模，建立一个功能映射，从平均流功能的差异，RANS模拟雷诺应力相比，高保真数据。然而，由于空间平滑性、框架独立性和可实现性的要求，在机器学习中表示雷诺应力特征向量中的差异仍然是一个挑战。在这项工作中，我们提出了三种方案来表示RANS模型雷诺应力的特征向量的扰动：（1）基于离散的欧拉角，（2）基于直接旋转的欧拉角，和（3）单位四元数。我们通过对两种典型流进行先验和后验测试来比较这些指标：在方形管道中充分发展的湍流和周期性山丘上的大规模分离流。结果表明，基于直接旋转的欧拉角表示缺乏空间平滑性，而基于离散的欧拉角表示缺乏框架独立性，不适合用于机器学习辅助湍流建模.而基于单位四元数的摄动表示则满足上述所有要求，是表示雷诺应力张量特征向量摄动的理想选择。这一发现对于湍流建模中的不确定性量化和机器学习以及一般的数据驱动计算力学具有明显的重要性。
2017-09-17 physics.flu-dyn
A Four Component Decomposition of the Instantaneous Velocity in Turbulent Flow
提出了局部瞬时速度的四分量分解。它比经典的雷诺二分量分解更容易显示出纳维-斯托克斯方程中与湍流的不同事件和流体结构相关的项。特别是新的组成突出了两种类型的雷诺应力的存在：快速和缓慢。快速雷诺应力可以联系到一个流动过程，描述了在爆裂过程中的壁面流体喷射。它还提供了一种简单的方法来建模墙层。这四个分量是长时间平均值、基于长时间平均值与通过相干结构而产生的平滑相速度之间的差的慢波动分量、本质上是周期性的快波动分量以及由快波动与流体粘性效应之间的相互作用产生的流动分量。关键词：速度分量，爆发，流动，平滑相速度，快，慢雷诺应力，壁层
2009-12-29 physics.flu-dyn
Ascending-descending and direct-inverse cascades of Reynolds stresses in turbulent Couette flow
在湍流平面Couette流中研究了小尺度和大尺度结构之间的相互作用，以及自下而上和自上而下过程的共存，其中在雷诺数$Re$相对较低的情况下出现填充空间的纵向卷。在$Re_τ=101$建立DNS数据库以复制Kawata和Alfredsson在最近的实验工作中考虑的最高$Re$（Phys. Rev. Lett.，vol.120，2018，244501）。我们的研究是基于二阶结构函数张量$\langle δu_i δu_j \rangle$的精确收支方程，即各向异性广义Kolmogorov方程（AGKE）。AGKE同时考虑了物理空间和尺度空间，研究了雷诺应力张量各分量的产生、再分布、输运和耗散，并适当定义了非均匀壁面法向尺度的概念。我们展示了大尺度含能运动是如何参与湍流涨落的产生和再分布的。自下而上和自上而下的交互都会发生，直接和反向级联也是如此。平行于壁面的分量$\langle δu δu \rangle$和$\langle δw δw \rangle$表明，近壁的小尺度和大尺度都向远离壁面的大尺度输送。壁法向分量$\langle δv δv \rangle$是不同的，并显示出占主导地位的自上而下的动力学，通过压力-应变重新分布远离壁和转移到近壁更大的尺度通过逆级联。非对角分量显示了自上而下的相互作用，既有直接级联，也有反向级联，尽管后者发生在有限的尺度范围内。
2021-09-23 physics.flu-dyn
Physics-Informed Machine Learning Approach for Augmenting Turbulence Models: A Comprehensive Framework
雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程在工程湍流数值模拟中有着广泛的应用。然而，由于模拟雷诺应力的不确定性，RANS预测可能有很大的差异。最近，Wang等人证明，机器学习可用于通过利用高保真度模拟的数据来改进RANS建模的雷诺应力（基于DNS数据重建雷诺应力建模差异的物理学通知机器学习方法。物理评论流体。2，034603，2017）。然而，由于雷诺应力封闭的RANS方程的潜在病态，从改进的雷诺应力求解平均流仍然构成重大挑战。实现平均速度的改进预测具有深刻的实际重要性，因为通常速度及其导出量（QoI，例如，阻力、升力、表面摩擦力），而不是雷诺应力本身，是RANS模拟的最终目的。为此，我们提出了一个全面的框架，用于增强湍流模型与物理信息的机器学习，说明了一个完整的工作流程，从输入功能的识别，最终预测的平均速度。这项工作有两个创新。首先，我们展示了一个系统的过程来生成平均流张量的完整性基础上的平均流功能。其次，我们建议使用机器学习分别预测雷诺应力张量的线性和非线性部分。受经典湍流模型中张量的有限多项式表示的启发，这种分解有助于克服RANS方程的病态。数值试验证明了所提出的框架的优点。
2018-09-09 physics.flu-dyn
A method for evaluating relations of turbulent normal-stresses by experimental data over a wide range of Reynolds numbers
本文提出一种基于实验数据评估壁湍流正应力对数律与幂律模型的方法，通过宽雷诺数实验数据发现指数0.28略优于0.25，并指出非线性涡增长和粘性效应对壁湍流建模的重要性。
2024-11-19 physics.flu-dyn
Fluctuations and large deviations of Reynolds stresses in zonal jet dynamics
雷诺应力，或相当于动量通量的平均值，是理解湍流统计特性的关键。需要典型的和罕见的波动的时间平均动量通量，以充分表征缓慢的流动演变。波动描述了一个大的偏差率函数，可以计算出无论是从数值模拟，或从理论。我们表明，对于准线性近似是准确的参数制度，率函数可以通过求解矩阵Riccati方程。利用这个工具，我们计算的大偏差率函数的湍流的雷诺应力的第一次。我们研究了旋转球体上的正压流，并表明波动是高度非高斯的。这项工作为研究湍流中吸引子之间的罕见转变开辟了新的视角。
2018-02-09 physics.class-ph physics.data-an physics.flu-dyn
Low Reynolds number turbulent flows over elastic walls
我们研究了粘性超弹性壁面上的层流和湍流槽道流动，并表明通过适当地选择壁面弹性模量，可以在任何雷诺数下维持非定常的混沌类粘性流动。我们提出了一个物理解释，这种效果通过评估的剪切应力和湍流动能预算的流体和弹性层。我们从2800到10的不同的批量雷诺数，并确定两个不同的机制，湍流生产。在中等和高雷诺数下，湍流波动激活壁振荡，这反过来又放大了流体中的湍流雷诺应力。在非常低的雷诺数下，唯一的生产项是由于来自弹性壁的能量输入，其随着壁弹性而增加。这种机制可用于被动地增强微流体装置中的混合。
2020-08-04 physics.flu-dyn
Canonical Turbulence Theory
湍流的理论分析，适用于典型的（通道，边界层和自由射流）的几何形状。动量和能量平衡的控制体积移动在当地的平均速度从平均速度的波动，导致在一组对称的传输方程的雷诺法向应力和剪应力。在这种形式主义中，波动速度的梯度表示通量矢量，很容易使用可用的DNS数据进行验证。这种输运概念的一个衍生物是耗散空间中雷诺应力的标度。结合统计能量分布函数，在基本正则几何中实现了对湍流的完整描述。基于这一理论基础，更复杂的流动配置可以用更有效的算法来解决。
2021-02-23 physics.flu-dyn
Mechanism of Roll-Streak Structure Formation and Maintenance in Turbulent Shear Flow
在壁面剪切流动中，主要拟序结构是流向滚纹（R-S）。在没有相关不稳定性的情况下，R-S被归因于平均流和扰动之间的非正态介导的相互作用。这种相互作用可以直接由于瞬态增长扰动的激发而发生，也可以间接由于湍流雷诺应力引起的R-S不稳定而发生。直接机制和间接机制之间的一个基本区别是，在直接机制中，R-S本身就是增长结构，而在间接机制中，R-S作为自组织结构出现。在突现R-S理论中，基本机制是由雷诺应力条纹组织起来的，这些条纹被配置成通过提升过程来支持其相关的滚动。这需要条纹组织湍流扰动，例如产生被配置为加强条纹的雷诺应力。在本文中，我们提供了详细的分析，解释物理为什么这种正反馈发生，是一个普遍的性质，湍流剪切流。DNS数据从相同的湍流中使用的理论研究（Poisseullle流在R=1650）也进行了分析，验证这种机制在DNS中运行。
2022-05-16 physics.flu-dyn
Nonlinear evolution of the centrifugal instability using a semi-linear model
本文用半线性方法研究了具有高斯角速度的柱状反气旋上离心不稳定的非线性演化。该模型由两个耦合方程组成：一个是轴向平均平均流上最不稳定扰动的线性演化，另一个是由于扰动引起的轴向平均雷诺应力作用下平均流的演化。这种模型类似于\cite{Vlado14}的自洽模型，除了时间平均被空间平均代替。对于Rossby数$Ro=-4$和所研究的雷诺数的两个值：$Re=800$和$2000$（基于初始最大角速度和涡流半径），该半线性模型预测的平均流和扰动的非线性演变与DNS非常一致。一个改进的模型，考虑到二次谐波扰动也被认为是。结果表明，通过脉动雷诺应力的作用，平均流的角动量被均匀化，趋向离心稳定的剖面。将\cite{Kloosterziel07}在无粘极限下预测的最终速度分布扩展到有限高雷诺数。与数值模拟结果吻合较好。
2019-12-20 physics.flu-dyn
Modeling the "rapid" part of the velocity/pressure-gradient correlation in inhomogeneous turbulent flows
本文提出了一个新的雷诺平均纳维-斯托克斯方程中速度/压力梯度关联的“快速”部分的模型。结果表明，在非均匀不可压湍流中，雷诺应力线性模型应包括两个模型系数。在某些极端湍流状态下，分析了系数的函数形式。结果表明，该模型简化为均匀湍流中的标准线性压力-应变模型，且满足可实现性条件，只要系数是平均速度梯度和雷诺应力的函数。在非均匀湍流中，系数应取决于与非均匀效应直接相关的参数。用两种流动的直接数值模拟数据对模型进行了验证：平面尾迹和平面混合层。
2006-11-27 physics.flu-dyn
A turbulence model based on deep neural network considering the near-wall effect
雷诺平均Navier-Stokes（RANS）数值模拟的封闭性要求不断改进湍流模型。机器学习（ML）为在高保真仿真数据的基础上建立先进的经验雷诺应力闭合提供了有效的工具。本文提出了一种基于深度神经网络（DNN）的湍流模型，该模型考虑了雷诺应力各向异性张量与局部平均速度梯度之间的非线性关系以及近壁效应。详细介绍了DNN湍流模型的建立和调试。我们表明，DNN湍流模型训练的数据从直接数值模拟产生一个准确的预测平面通道流的雷诺应力。特别是，我们建议在模型输入中包括局部湍流雷诺数。
2021-03-31 physics.flu-dyn
Towards Physics Constrained Deep Learning Based Turbulence Model Uncertainty Quantification
针对现有EPM湍流模型不确定性估算方法无法确定扰动幅度、导致不确定性区间过宽的问题，提出用CNN预测流场偏差以调节EPM扰动幅度的物理约束深度学习方法，经翼型和周期性山丘湍流场景验证有效。
2025-09-04 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
Generalized Scaling of the Turbulence Structure in Wall-Bounded Flows
该研究揭示了壁面约束流动中雷诺应力梯度空间的普适标度，并扩展至可压缩流动，同时发现了平均速度剖面的积分标度。
2024-07-17 physics.flu-dyn
DNS of turbulent channel flow at very low Reynolds numbers
采用比现有直接数值模拟（DNS）更大的计算箱尺寸，对非常低雷诺数的充分发展的湍流槽道流动进行了直接数值模拟（DNS）。摩擦雷诺数降低到60，其中摩擦雷诺数基于摩擦速度和通道半宽。当雷诺数减小到60时，计算框尺寸变小，流动变为层流。利用一个大的盒子，我们发现一个局部湍流被观察到以周期性的斜带的形式维持。这种局部无序流动类似于过渡管流中的平衡湍流喷流。提供了各种湍流统计数据，如湍流强度、涡度波动和雷诺应力。特别是，它们的近壁渐近行为和湍流动能预算项进行了讨论，关于雷诺数的依赖性和计算盒大小的影响。还介绍和讨论了与湍流结构有关的其他详细特征。
2014-09-16 physics.flu-dyn
Direct Calculation of the Eddy Viscosity Operator in Turbulent Channel Flow at Re$_τ$=180
本研究针对Re_tau=180的湍流槽道流，用两种宏观强迫策略结合DNS直接计算涡粘性算子，揭示了其各向异性与非局域特性，为壁面湍流动量输运闭合建模提供依据。
2024-11-04 physics.flu-dyn
Conditional statistics of supersonic turbulent boundary layer in the intermittent region
采用直接数值模拟方法研究了超声速湍流边界层间歇区的湍流统计特性。最近，Kwon等人（2016）已经表明，这种间歇性行为（由界面分离的湍流和非湍流共存组成）在使用传统的雷诺分解分析数据时可能会导致危险。在这里，我们将湍流/非湍流界面的研究扩展到超音速状态，并报告界面条件下的湍流统计。我们发现，传统的雷诺/法弗尔分解污染的雷诺应力和热统计的数学假象。我们的条件统计提供了直接的证据，湍流具有正的雷诺切应力无处不在，而非湍流进行零雷诺切应力。湍流和非湍流的热统计在间歇区表现出相反的趋势，这种差异可以追溯到由普朗特数引起的总温度的变化。
2017-10-03 physics.flu-dyn
Turbulence modulation in channel flow of finite-size spheroidal particles
我们研究了颗粒形状对悬浮液中体积分数为$ϕ= 10\%$的球形颗粒湍流的影响，并显示了近壁颗粒动力学如何随着颗粒纵横比的变化而变化，以及这如何影响全局悬浮行为。当雷诺切应力的显著减小大于固相引起的附加应力的补偿时，湍流随扁颗粒的纵横比减小，导致相对于具有纵横比$\mathcal{AR}\leq1/3$的颗粒的单相流的阻力减小。扁圆形颗粒被发现，以避免接近壁的区域，平行于它以小的角速度，同时优先采样的壁区域中的高速流体。扁长颗粒也倾向于平行于壁取向，并避免其附近。它们绕展向轴旋转的不稳定性降低了流动的壁面法向速度波动，因此降低了湍流雷诺应力，这与扁圆体相似;然而，它们在平行于壁面的平面内进行旋转，这增加了额外的固体应力，因为与扁圆体相比，它们具有相对较大的角速度。这些较大的附加应力补偿了湍流活动的减少，并导致类似于单相流的壁阻力。另一方面，与其他研究形状相比，球体在翼展方向上以大的角速度形成靠近壁的层，这除了在悬浮体上施加最大的固体应力之外还增加了湍流活动。因此，球形颗粒相对于单相流增加了壁阻力。
2018-09-05 physics.flu-dyn
A RANS approach to the Meshless Computation of Pressure Fields From Image Velocimetry
提出了一种利用图像测速技术计算湍流平均压力场的三维无网格方法。该方法是由\citet{Sperotto2022}的约束径向基函数（RBF）公式到雷诺平均Navier-Stokes（RANS）框架的扩展。这是为了处理粒子跟踪测速（PTV）中的散射数据和基于相关的粒子图像测速（PIV）中的均匀网格中的数据。RANS扩展包括雷诺应力到约束最小二乘问题。我们测试的方法在数值数据库上具有向后面对步骤（BFS）的雷诺数为6400（相对于进口速度和台阶高度定义），通过直接数值模拟（DNS）获得。
2022-07-11 physics.flu-dyn
Reynolds stress decay modeling informed by anisotropically forced homogeneous turbulence
本文利用各向异性强迫均匀湍流产生覆盖广泛各向异性状态的数据，据此评估并选择含三次项的雷诺应力衰减模型，验证其优于常用模型。
2024-09-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Shear-layer dynamics at the interface of parallel Couette flows
本文对同向流动的平面库埃特流进行了详细的分析。特别地，研究了从湍流区到非湍流区的流量变化。虽然拟能表现出急剧的跳跃，但其他量（例如，平均速度、雷诺法向应力和动能）在界面上表现出连续的变化。雷诺法向应力的预算分析表明，在湍流输送中起关键作用的条款根据所研究的雷诺法向应力而变化。产生、扩散和再分布这些术语在流向雷诺应力中起着重要的作用。在展向雷诺应力中，扩散项起着重要的作用。在壁面法向雷诺应力中，只有再分布项是重要的。通过与标准平面库埃特流（pCf）相比，在系统中发现的额外的平均速度和雷诺法向应力，观察到一种流在同向流状态下对另一种流的影响。将并流系统与常规pCf系统进行比较，前者表现出更大的涡量、涡拉伸和动能。利用流动不变量对流动结构的几何和拓扑结构进行了详细的分析。
2022-10-31 physics.flu-dyn
A recursive neural-network-based subgrid-scale model for large eddy simulation: application to homogeneous isotropic turbulence
本文提出一种递归更新的神经网络SGS模型，利用fLES数据逐级适应更粗滤波和更高雷诺数，并通过双NN架构预测均匀各向同性湍流。
2024-01-03 physics.flu-dyn
Quantifying equilibrium pressure-gradient turbulent boundary layers via a symmetry approach
本文利用对称性方法构建亏损幂律，提出量化平衡逆压梯度湍流边界层尾流区平均速度与雷诺应力剖面的理论，并验证了其预测准确性。
2024-01-16 physics.flu-dyn
Secondary Flows and Near-Wall Turbulence in Channel Flow with Longitudinal Ribs
Department of Mechanical Engineering, IIT Kanpur（印度理工学院坎普尔分校机械工程系）
该研究用大涡模拟研究通道流中矩形和三角形纵向肋条引发的二次流及近壁湍流，设定摩擦雷诺数等参数，对比了两种肋条情况下的涡旋、粗糙度函数、壁面剪切应力、雷诺应力等，发现不同特性及规律。
2026-07-14 physics.flu-dyn
Utilizing indicator functions with computational data to confirm nature of overlap in normal turbulent stresses: logarithmic or quarter-power
通过分析DNS数据指示函数，确认法向应力剖面在Re_τ>2000时存在四分之一幂区域而非对数趋势，并给出其壁面距离范围。
2024-05-23 physics.flu-dyn
Dynamo Action in a Quasi-Keplerian Taylor-Couette Flow
我们数值计算的泰勒-库埃特几何的内，外圆柱体的旋转速率满足$Ω_o/Ω_i=(r_o/r_i)^{-3/2}$的导电流体的流动。在这种准开普勒状态下，非磁性系统对于所有雷诺数$Re$都是瑞利稳定的，并且所产生的纯方位流对于所有磁性雷诺数$Rm$都不能产生运动发电机作用。对于$Re=10^4$和$Rm=10^5$，我们证明了一个有限振幅发电机的存在，从而一个合适的初始条件产生相互维持的湍流和磁场，即使两者都不能存在没有其他。这种发电机解决方案的结果显着增加向外角动量传输，与大部分的运输是由麦克斯韦，而不是雷诺应力。
2017-10-06 physics.flu-dyn
A Bayesian Calibration-Prediction Method for Reducing Model-Form Uncertainties with Application in RANS Simulations
复杂力学系统模型形式的不确定性是预测仿真的主要障碍。减少这些不确定性是至关重要的债券持有人作出风险知情的决策的基础上的数值模拟。例如，在涉及湍流的关键任务系统中越来越多地使用雷诺平均纳维尔-斯托克斯（RANS）模拟。然而，对于许多实际流动，RANS预测有很大的模型形式的不确定性，源于模拟雷诺应力的不确定性。最近，一个物理信息贝叶斯框架已被提出来量化和减少模型形式的不确定性，在RANS模拟利用稀疏观测数据。然而，在工程系统的设计阶段，测量数据通常不可用。在目前的工作中，我们将原来的框架扩展到没有可用数据的情况下进行预测的流量。在所提出的方法中，我们首先校准模型的差异与现有数据的相关流，导致统计模型的不确定性分布的雷诺应力差异。然后对获得的分布进行采样，以校正要预测的流量的RANS模型雷诺应力。扩展框架是贝叶斯校准预测方法。所提出的方法的优点是证明了两个流是具有挑战性的标准RANS模型。由于不需要观测资料来预报，本校准预报方法将在实际工程应用中得到更广泛的接受。虽然RANS建模被选择来证明所提出的框架的优点，该方法通常适用于其他复杂的力学模型，涉及固体，流体流动，或两者之间的耦合，其中模型形式的不确定性存在于本构关系。
2015-10-20 physics.flu-dyn
Universal Model of Finite-Reynolds Number Turbulent Flow in Channels and Pipes
在这封信中，我们提出了一个简单的和物理上透明的分析模型的压力驱动的湍流壁有界流动在高，但有限的雷诺数Re。该模型给出了准确的定性描述的轮廓的平均速度和雷诺应力（二阶相关的速度波动）在整个通道或管道在很宽的范围内，仅使用三个Re独立的参数。该模型揭示了冯-卡门和普朗特的百年历史对数律理论的支持者和一个新的理论促进幂律来描述平均速度剖面的中间区域的提议者之间的长期争议。
2007-12-07 nlin.CD physics.flu-dyn
The dissipation tensor $\varepsilon_{ij}$ in wall turbulence
本文研究了壁湍流中的耗散张量$\varepsilon_{ij}$。可用的DNS数据进行检查，以说明在各向异性的耗散张量$\varepsilon_{ij}$相对于的各向异性的阻尼应力$r_{ij}$的差异。的耗散张量$\varepsilon_{ij}$的输运方程的预算进行了研究，使用新的DNS数据的低雷诺数湍流平面槽道流的空间分辨率足够精细，以准确地确定产品的2-导数的脉动速度$u_i'$和压力$p'$出现在各种条款的相关性。最后，使用Vreman和Kuerten的可用DNS数据（Phys. Fluids 26（2014）085103）研究雷诺数对$\varepsilon_{ij}$（$\varepsilon_{xx}$、$\varepsilon_{yy}$、$\varepsilon_{zz}$）的对角分量及其输运方程中各项的影响。
2016-09-13 physics.flu-dyn
Assessing turbulence sensitivity using stochastic Monte Carlo analysis
雷诺平均Navier Stokes（RANS）模型是研究工业应用中湍流的主力。这种单点湍流模型在考虑非局部物理和流动历史对湍流演化的影响方面具有局限性。在这种情况下，我们调查的灵敏度固有的单点模型，由于其表征的内部结构的均匀湍流的雷诺应力的手段。对于各种平均流量，我们研究了由于这种粗粒度的描述所产生的预测区间。这种变异性的性质及其对参数的依赖性，如平均流拓扑结构，初始雷诺应力张量和归一化应变率的识别，分析和explicated。这种变异性的经典RANS封闭模型的制定上的分歧突出。
2017-04-18 physics.flu-dyn
Linearised Reynolds-Averaged predictions of secondary currents in turbulent channels with topographic heterogeneity
本文提出了一种基于线性化雷诺平均纳维-斯托克斯方程的二次流快速预测方法，用于研究湍流槽道流中与流向无关的表面形貌调制所产生的二次流。该工具是通过耦合的雷诺平均动量方程的Spalart-Allmaras传输方程的湍流涡动粘度，使用雷诺应力的非线性本构关系，以正确地捕捉二次运动。线性方程，描述了稳定的流动响应任意表面调制，推导出假设表面调制是浅的。由于方程是线性的，叠加原理成立，任意调制引起的流动响应可以通过适当地组合在多个展向长度尺度上正弦调制获得的基本响应来获得。该工具允许快速探索大的参数空间表征结构化的表面形貌以前在文献中检查。在这里，考虑具有正弦形壁和具有纵向矩形脊的通道。对于正弦曲线的墙壁，一个大的响应观察到在两个翼展方向的波长缩放内，外单位分别，反映了放大机制，从瞬态增长分析观察到的湍流剪切流。对于纵向矩形脊，该模型表明，响应的分析和二级结构的拓扑结构的解释时，脊宽度和脊之间的间隙被用来代替文献中提出的其他组合。
2022-05-26 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
Generative AI for subgrid turbulence in large-eddy simulations
针对大涡模拟中亚网格应力参数化的随机性捕捉难题，提出用去噪扩散概率模型从粗粒度速度场重建亚网格应力，性能优于传统模型和已有深度网络，为高雷诺数湍流建模开辟新方向。
2025-10-01 physics.ao-ph physics.flu-dyn
RANS Equations with Explicit Data-Driven Reynolds Stress Closure Can Be Ill-Conditioned
湍流闭合模型的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）模拟在工业流动模拟中继续发挥重要作用。然而，常用的线性涡粘性模型本质上不能处理非平衡湍流流动。另一方面，雷诺应力模型因缺乏鲁棒性而受到困扰。最近在平面通道流动中的研究发现，即使将直接数值模拟（DNS）数据库中误差小于0.5%的雷诺应力代入RANS方程，也会导致速度误差较大（高达35%）。虽然这样的观测结果可能与传统的雷诺应力模型只有很小的相关性，但对于最近出现的将雷诺应力作为RANS方程中的显式源项的数据驱动模型来说，这是令人不安的，因为它表明具有此类模型的RANS方程可能是病态的。到目前为止，这类模型的条件下，仍然缺乏严格的分析。因此，在这项工作中，我们提出了一个度量的基础上局部条件数函数的先验评估的条件的RANS方程。我们进一步表明，病态不能解释的整体矩阵条件数的离散RANS方程。对不同雷诺数下的槽道湍流以及两种复杂流动进行了全面的数值试验，流过周期性的山丘，并在方形管道中流动。结果表明，所提出的度量可以充分解释以前研究中的观察结果，即，随着雷诺数的增加，模型条件恶化，与显式处理相比，隐式处理雷诺应力的条件更好。该指标可以在数据驱动的湍流模型的未来开发中发挥关键作用，通过将调节作为这些模型的要求来实施。
2019-03-10 physics.flu-dyn
Mean-flow-based reduced-order models of turbulent channel flow
Universidad de Chile（智利大学）；Instituto Tecnológico de Aeronáutica（航空技术学院）；Pontificia Universidad Católica de Chile（智利天主教 Pontificia 大学）
研究提出基于平均流的湍流降阶模型框架，通过修正模态基和平均流知识求解雷诺应力投影，在低雷诺数下实现与直接数值模拟可比的湍流统计，还评估了短时预测，能扩展基于平均湍流线性化的分析。
2026-07-07 physics.flu-dyn
Investigation of Self-Preservation Theory in Two Dimensional Turbulent Mixing Layers
本文研究了二维定常湍流混合层的特性。除通常的速度分量外，还计算并给出了雷诺应力的所有贡献分量。结果表明，在二维定常湍流混合层中，自保持理论并不适用于所有的流动区域，流动是湍流区，分为两个区域。通过计算流动起始点处的雷诺应力分量，表明在包含流动奇点的区域中的湍流并不像以前认为的那样是自保持的。
2003-01-27 physics.flu-dyn
Modelling the Pressure Strain Correlation in turbulent flows using Deep Neural Networks
压力应变相关性在雷诺应力输运模型中起着关键作用。压力应变相关性的精确建模导致湍流应力的正确预测，并随后导致工程感兴趣的其他条款。然而，经典的压力应变相关模型往往是不可靠的复杂湍流。基于机器学习的模型已经在湍流建模中显示出前景，但是它们的应用在很大程度上限于基于涡粘性的模型。在这篇文章中，我们概述了优先应用机器学习和湍流数据在雷诺应力建模水平上开发模型的基本原理。作为示例，我们开发了数据驱动模型的压力应变相关的湍流槽道流使用神经网络。神经网络的输入特征是使用基于物理的原理来选择的。用不同摩擦雷诺数下槽道湍流的高分辨率DNS数据对网络进行了训练。在其他摩擦雷诺数和湍流平面Couette流的未知流量统计模型的测试进行。基于本文中提出的结果，所提出的机器学习框架表现出相当大的希望，并可用于开发精确的雷诺应力模型进行流量预测。
2021-03-01 physics.flu-dyn
Ultra-High Reynolds Number Is Not Necessary for Comprehensive Log Scaling in a Turbulent Boundary Layer
实验中的异常湍流边界层称为汇流，表现出完美的流向不变性，显示了很大程度的对数缩放的时刻流向速度高达12阶，即使在中等雷诺数。这与典型的定压湍流边界层形成了鲜明的对比，后者仅在超高雷诺数时才显示出如此全面的对数标度。这表明，超高雷诺数是不必要的综合日志缩放发生;虽然汇流的具体细节是特殊的，一般的湍流边界层的相关性是，汇流强调的重要性，需要满足在一般的流量，以获得日志缩放的流向不变条件。实际上，一个简单的启发式理论表明，对于惯性子层中的对数缩放，沿平均流线的无量纲平均速度和高阶矩的不变性是一个充分必要条件。超高雷诺数似乎主要使这些日志缩放通用。
2015-11-10 physics.flu-dyn
Pore-resolved investigation of turbulent open channel flow over a randomly packed permeable sediment bed
本文通过孔隙解析DNS研究不同渗透率雷诺数下湍流明渠流与随机堆积可渗透沉积物床的相互作用，揭示了床面应力统计特征及其对潜流带输运建模的意义。
2023-08-15 physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of supersonic pipe flow at moderate Reynolds number
本文研究了高雷诺数条件下圆管中的可压缩湍流。根据DNS数据，讨论了压缩性变换的有效性、速度/温度关系、被动标量统计和湍流涡的大小等经典问题，在速度统计方面，我们发现Huang变换具有很好的普适性，而Trettel和Larsson（2016）提出的转换更好地代表了缓冲层中密度和粘度的强烈变化对平均速度分布的影响。一个明确的对数层恢复转换速度和壁距坐标在较高的雷诺数下仔细检查（$\Rey_τ \approx 1000$），而核心部分的流量被发现的特点是由一个通用的抛物线速度分布。基于流向速度和被动标量输运方程之间的形式相似性，我们进一步提出了上述压缩性变换的扩展，也实现了被动标量统计的普遍性。速度/温度关系的分析提供了证据的二次依赖，这是非常好的近似由张等人提出的热类比。（2014年）。的方位角速度和标量谱显示的组织非常类似于典型的不可压缩流，具有凹凸形状的分布在整个流量尺度，其峰值随壁距离增加。我们发现，尺寸增长的效果是很好地占通过一个有效的长度尺度占当地的摩擦速度和当地的平均剪切。
2018-10-08 physics.flu-dyn
Turbulence without inertia in quantum fluids
氦-II流体动力学的数值计算表明，超流涡的密集缠结在初始静止的正常流体中诱导出具有-2.2能谱标度指数和单位阶数的波动雷诺数的高度耗散的、复杂的旋涡流型（“湍流”）。在这种正常的流体流动中，来自超流涡的相互摩擦激励的影响和粘性应力的影响是相同量级的。结果表明，在以前的实验中，衰减，高雷诺数，量子湍流的动力学只能微弱地影响到量子化的旋涡。因此，它们的能谱将是（非常好的近似）经典的，纳维尔-斯托克斯型，正常流体成分的能谱。
2004-05-07 physics.flu-dyn
Statistical analysis of coherent structures in transitional pipe flow
过渡管流的数值和实验研究表明，下游涡主导的相干流结构的流行。它们引起了特别的关注，因为它们主要对湍流中雷诺应力的增加起作用。在本研究中，我们引入了一个方便的检测器，这些相干态，计算的时间分数的结构出现在流中，并提出了一个马尔可夫模型的结构之间的过渡。当雷诺数约为2200时，显示出涡结构的状态的比例超过24%，当雷诺数为2500时，显示出涡结构的状态的比例降低到约20%。这些状态之间的过渡的马尔可夫模型是在良好的协议与观察到的状态的分数，并在合理的协议与预测其持久性。当雷诺数增加时，它提供了对流动的主要定性变化的洞察。
2006-11-02 physics.flu-dyn
Effect of subgrid-scale anisotropy on wall-modeled large-eddy simulation of turbulent flow with smooth-body separation
California Institute of Technology（加州理工学院）；University of Tennessee（田纳西大学）
研究亚网格尺度各向异性应力在壁面模化大涡模拟光滑体分离流中的作用，发现基于涡粘的模型在网格细化时预测分离泡尺寸非单调，而各向异性模型更一致；迎风面强顺压梯度区是关键，各向异性应力通过改变亚网格耗散和扩散影响雷诺应力和分离起始。
2026-06-12 physics.flu-dyn
DNS of the very large anisotropic scales in a turbulent channel
湍流壁面流外层的大结构具有重要的物理意义，因为它们包含了流向动能和雷诺应力的相当大的一部分。然而，壁湍流的外部区域的组织在历史上受到的关注比内部区域少，因此，它仍然是许多开放的实验和理论问题的主题。为了解决其中的一些问题，我们已经进行了直接的数值模拟的湍流不可压缩流在平面通道在雷诺数185 - 550。本文介绍了一些模拟结果，侧重于统计描述的流向速度的大结构的大小和它的缩放与雷诺数。
2013-09-10 physics.flu-dyn
Law of the wall in an unstably stratified turbulent channel flow
我们进行直接数值模拟的不稳定分层湍流槽道流解决浮力的影响，边界层动力学和平均场的数量。我们系统地跨越摩擦雷诺数（$Re_τ$）和瑞利数（$Ra$）的空间中的参数范围。我们的重点是偏离对数定律的墙壁，由于浮力运动。对流在相关范围内的影响进行了讨论，提供速度，温度和雷诺应力以及摩擦系数的平均剖面的测量。提出了一种唯象模型，并示出捕捉所观察到的偏差的速度分布在对数律区域从非对流的情况下。
2022-06-10 physics.flu-dyn
Sparse data assimilation for under-resolved large-eddy simulations
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
本文提出基于变分同化稀疏时间平均速度数据的方法，用于提升LES中湍流流动的模拟精度，优化平均流动、涡旋脱落频率及各向异性雷诺应力。
2025-12-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Large-scale structures in high Reynolds number rotating Waleffe flow
我们进行直接数值模拟旋转湍流Waleffe流，两个平行板之间的流动与正弦流向剪切驱动力，研究大尺度结构的形成和动量传输的机制。我们模拟不同的气旋和反气旋旋转的范围内的无量纲的旋转数（逆Rossby数）$R_Ω$ $\in$ $[-0.16, 2.21]$，并固定雷诺数为$Re=3.16\times 10^3$，足够大，使剪切运输几乎完全是由于雷诺应力和粘性运输是可以忽略不计的。我们发现一个最佳的旋转在反气旋制度在$R_Ω=0.63$，其中一个给定的流向动量传输在壁法线方向实现最小的平均能量的流向流。我们将这种最佳传输与大尺度结构的强度联系起来，如Brauckmann \& Eckhardt在平面Couette中所做的那样（J.Fluid Mech.，815，2017）。此外，我们探讨了展向旋转下的大尺度结构及其行为，并发现在$R_Ω=0$无序的大结构，但在反气旋制度的高度有组织的结构，类似于旋转平面库埃特和湍流泰勒库埃特流的轧辊。比较了平面Couette流和Waleffe流的大尺度结构，发现流向涡量主要集中在涡核内部。我们表明，轧辊采取能量的平均流量在长时间尺度，并将这些结构的特征值的流函数。
2019-10-02 physics.flu-dyn
Effect of surfactant on elongated bubbles in capillary tubes at high Reynolds number
采用混合前沿跟踪/水平集方法，通过大量的三维数值模拟，研究了表面活性剂对细长气泡在圆形毛细管中传播的尾部和膜动力学的影响.重点是粘惯性制度，这发生在雷诺数的流量是远远大于单位。在这些条件下，“干净”气泡在尾部\cite{Magnini_prf_2017}附近呈现出界面波动，其幅度随雷诺数增加。我们进行了系统的分析，广泛的表面活性剂的性质，包括弹性，散装表面活性剂的浓度，溶解度和扩散性，在惯性效应的存在下的气泡和流动动力学的影响。结果表明，表面活性剂的引入是有效的抑制尾部波动，因为它们往往积累在气泡尾部附近。在这里，产生了大的马兰戈尼应力，这导致了气泡的局部“硬化”。这种效果变得更明显的较大的表面活性剂的弹性和吸附深度。在表面活性剂溶解度降低时，在气泡后部形成较厚的刚性膜区域，在此建立库埃特膜流，而波动仍然出现在下游“清洁”膜区域的后缘。在这种情况下，气泡长度成为一个有影响力的参数，短气泡变得完全刚性。
2020-05-24 physics.flu-dyn
