Characteristic scales of Townsend's wall attached eddies
Townsend（1976）提出了一个高雷诺数时壁湍流对数层（log层）的结构模型，其中主要的动量携带运动被组织成附着在壁面上的多尺度涡旋群。在附壁涡框架下，附壁涡的相应长度和速度尺度是摩擦速度和到壁面的距离。在目前的工作中，我们假设，携带动量的涡流控制的平均动量通量和平均剪切没有明确的参考到壁的距离，并提出了新的特征速度，长度和时间尺度与这一论点相一致。我们的假设是支持的直接数值模拟（DNS）的湍流槽道流驱动的非均匀体力和修改后的平均速度配置文件，其中产生的外层流动结构大大改变，以适应新的平均动量转移。所提出的缩放进一步证实了模拟的无滑动壁取代罗宾边界条件的三个速度分量，允许大量的壁正常蒸腾在所有长度尺度。我们表明，外层一点统计和光谱的蒸腾通道同意定量与其壁有界的对应。结果表明，平行壁无滑移条件是不需要恢复经典的壁有界湍流远离壁，更重要的是，也不是在壁的不可渗透性条件。
2019-03-05 physics.flu-dyn
Intermediate Scaling and Logarithmic Invariance in Turbulent Pipe Flow
本文提出了一个三层渐近结构的湍流管流，揭示了在中间变量，存在一个不变量的对数区域。它为解决流向平均速度和方差的标度中的重要问题提供了理论基础。从分析中得出的关键见解是，两个相邻层之间的尺度分离与$\sqrt{Re_τ}$而不是$Re_τ$成比例。这表明，为了实现雷诺数渐近不变性，可能需要更高的雷诺数来实现足够的尺度分离。该公式为解释低雷诺数下管流中平均速度的幂律以及高雷诺数下幂律和对数律的共存提供了理论基础。此外，汤森-佩里'常数'的方差显示出系统的哈罗德数的依赖。
2019-09-26 physics.flu-dyn
Attached flow structure and streamwise energy spectra in a turbulent boundary layer
基于（i）具有大视场和良好空间分辨率的湍流边界层的粒子图像速度测量数据和（ii）能谱与具体模拟的流动结构之间的数学关系，我们表明，在直接受壁面影响的波数范围内，流向能谱$E_{11}(k_{x})$的标度是由附壁涡决定的，但不是由汤森给出的。Perry附上了涡模型对这些谱的预测，至少在这里考虑的雷诺数$Re_τ$介于$10^{3}$和$10^{4}$之间。相反，我们发现$E_{11}(k_{x}) \sim k_{x}^{-1-p}$，其中$p$随着到壁的距离从缓冲层中的负值到惯性层中的正值平滑地变化。指数$p$表征附壁条纹结构内部的湍流水平，条件是这些结构的长度。
2017-11-14 physics.flu-dyn
Characteristics of active and inactive motions in high-Reynolds-number turbulent boundary layers
本研究采用能量分解方案分析高雷诺数TBL数据集，发现附着涡的主动运动仅产生雷诺剪应力，而被动运动负责将流向动量从对数区输运至壁面，揭示了两者在阻力产生中的不同机制。
2024-04-29 physics.flu-dyn
Non-equilibrium turbulence scalings and self-similarity in turbulent planar jets
本文研究了平面湍流射流的自相似性和耗散标度以及理论上隐含的平均流标度。与已经进行此类研究的湍流尾流不同（Dairay等人，2015; Obligado等人，2016），这是一种无边界湍流剪切流，其中局部雷诺数随着距离入口的距离而增加。Dairay等人（2015）修订的Townsend-George理论适用于湍流平面射流。在这个理论中，只有少数轮廓需要自相似。平均流量、湍流耗散、湍流动能和雷诺应力分布的自相似性得到了我们从18到至少54个喷嘴尺寸的实验结果的支持，这是这项工作中研究的最远的位置。此外，在湍流尾流、衰减网格生成湍流、各种周期性湍流和湍流边界层中发现的非平衡耗散标度（Vassilicos 2015，Dairay等人2015，Goto & Vassilicos 2015，Nedic等人2017）也在当前湍流平面射流和Antonia等人（1980）的湍流平面射流中观察到。根据这些观测结果，该理论意味着新的平均气流和喷流宽度定标，这与我们的数据和Antonia等人（1980）的数据是一致的。特别是，它意味着一个迄今为止未知的夹带行为：特征横流中心线流向平均流速的比率衰减为-1/3幂的流向距离在该地区的非平衡耗散缩放举行。
2018-03-28 physics.flu-dyn
Active and inactive components of the streamwise velocity in wall-bounded turbulence
Townsend（1961）引入了壁面湍流的主动和非主动运动概念，主动运动是产生雷诺剪应力的唯一原因，雷诺剪应力是这些流动中的关键动量输运项。虽然速度的壁法线分量仅与主动运动相关联，但速度的壁平行分量与主动运动和非主动运动都相关联。在本文中，我们提出了一种方法来隔离的2-D能量谱的流向速度的活性和非活性成分，从而使我们能够测试的自相似特性的前壁湍流理论模型的核心。该方法是基于分析数据集，包括两点流向速度信号与谱线性随机估计（SLSE）为基础的程序。所考虑的数据跨越摩擦雷诺数范围$Re_τ$ $\sim$ ${\mathcal{O}}$（$10^3$）- ${\mathcal{O}}$（$10^4$）。该程序线性分解成两个组成部分，$Φ_{ia}$和$Φ_{a}$，主要包括来自非活动和活动的运动，分别为整个2-D频谱（$Φ$）。$Φ_{a}$证明了这一点，它在流向和展向波长上都表现出壁面缩比，与文献中报道的雷诺剪应力共谱很好地对应。$Φ_{a}$和$Φ_{ia}$都被发现在靠近壁面的惯性主导区域具有显著的自相似特征，暗示了汤森附加涡的贡献。附着涡的非活动贡献揭示了相关一维谱的纯$k^{-1}$标度（其中$k$是流向/展向波数），为Perry和Chong（1982）的附着涡模型提供了经验支持。
2020-09-06 physics.flu-dyn
Coherent structures in the linearized impulse response of turbulent channel flow
本文利用线性化的纳维-斯托克斯方程研究了孤立的时空脉冲引起的速度脉动的演化。在$Re_τ=10000$中，冲量作为不可压缩通道流中的外部体积力引入。速度波动是关于湍流的平均速度轮廓定义的。湍流涡动粘性被添加到方程中，以将平均速度固定为精确解，这也用于模拟背景湍流对大尺度波动的耗散效应。脉冲体积力产生的流场演变成包含长流向速度条纹的相干结构，其两侧是准流向涡;其中一些脉冲产生发夹涡。随着这些涡纹结构的发展，它们的尺寸增长到名义上的自相似几何形状，纵横比（流向与壁面法线）约为$10$，而它们的动能密度单调衰减。涡纹结构的拓扑结构对脉冲的位置不敏感，但取决于脉冲体积力的方向。所有这些涡纹结构都附着在壁面上，当按离壁面的距离缩放时，它们的雷诺应力崩溃，这与汤森的附着涡假设一致。
2018-05-02 physics.flu-dyn
Identification of the energy contributions associated with wall-attached eddies and very-large-scale motions in the near-neutral atmospheric surface layer through wind LiDAR measurements
最近的工作对壁有界流动已经证实了共存的附壁涡，其统计特征预测通过汤森的附着涡假说（AEH），和超大尺度运动（VLSM），这是不包括在AEH。此外，它已被证明，在对数层内的附壁涡的存在是链接到一个逆幂律区域的外观在流向速度能谱，外部和粘性尺度之间的显着分离。在这项工作中，近中性大气表面层（ASL）探测风激光雷达调查的贡献与附壁和VLSM的流向速度能量的非常高的雷诺数边界层。能量和线性相干谱（LCS）的流向速度的询问，以确定与不同类型的涡流和最大高度达到附壁涡流的光谱边界。受AEH的启发，建立了附壁涡的LCS解析模型。实验结果表明，通过能谱分析识别附壁涡能量贡献导致低估了相关的谱范围，最大高度达到，和湍流强度。这个特征是由于与VLSM相关联的能量的重叠掩盖了逆幂律区域。另一方面，湍流强度的Townsend-Perry常数似乎是通过谱分析正确估计的。LCS分析估计附壁涡的流向/壁面法线比约为14.3，达到湍流外尺度约30%的高度。
2022-08-14 physics.flu-dyn
On the wall-normal velocity variance in canonical wall-bounded turbulence
University of Sydney（悉尼大学）；University of Melbourne（墨尔本大学）；Duke University（杜克大学）
研究通过直接数值模拟探讨了不同摩擦雷诺数下通道、管道和边界层中法向速度方差和谱特性，发现局部剪切应力对法向速度方差有显著影响，提出半经验拟合与文献值一致，但比例常数不具普适性。
2026-03-17 physics.flu-dyn
Consistency between the attached-eddy model and the inner-outer interaction model: a study of streamwise wall-shear stress fluctuations in a turbulent channel flow
内外相互作用模型（Marusic，Mathis & Hutchins，Science，vol.329，2010，193-196）和附着涡模型（Townsend，Cambridge University Press，1976）分别是描述多尺度湍流相互作用和高雷诺数壁边界湍流对数区域中含能运动组织的两个基本模型。本文将附加描述与附壁涡模型耦合，描述了附壁涡引起的流向壁面剪切脉动的产生过程。然后，借助于内外相互作用模型，分离了槽道湍流中由附着涡产生的流向壁面切应力脉动。通过对这两个模型的统计数据进行直接比较，可以看出它们是一致的，并且可以相互补充。同时，通过验证强自相似性和扩展自相似性的有效性，进一步证明了附加涡的叠加严格遵循一个可加性过程。此外，我们提出了一个高斯模型来表征瞬时分布的流向壁面切应力，从附着涡叠加。这些研究结果对发展先进的壁面降阶模型具有重要意义。
2022-05-16 physics.flu-dyn
Law-of-the-wall for streamwise energy spectra in high-Reynolds-number turbulent boundary layers
提出了近壁区流向能谱高频区的标度关系。这是基于\cite{perry1977}和\cite{Zamalloa2014}的量纲分析方法，以及近壁区的小尺度波动应仅取决于粘性尺度的假设，类似于平均流的普朗特壁定律。这使我们能够检查的下限为高频率制度的墙壁定律的频谱将举行。高雷诺数湍流边界层数据的观测表明，在壁面法向位置和雷诺数范围内，该高频区开始的保守估计值为$f^+$ = 0.005（对应于200个粘性时间单位）。这足以捕获能量粘性尺度的运动，例如近壁条纹，其具有大约100个粘性单位的时间尺度。这种标度关系和谱塌陷与较低雷诺数\cite{Zamalloa2014}下的内流观测结果一致。
2018-05-21 physics.flu-dyn
Single-eddy contributions to streamwise velocity variance in turbulent pipe flow. Part 1. The single-eddy intensity function
School of Mechanical Engineering, Pusan National University（釜山国立大学机械工程学院）
本研究从湍流管流DNS中提取单涡强度函数，揭示流向速度方差中活跃与非活跃涡贡献的缩放规律，并解释近壁峰值缺陷的粘性机制。
2026-09-14 physics.flu-dyn
Complete eddy self-similarity in turbulent pipe flow
对于有壁面的湍流，Townsend的附加涡假设提出对数层由一组能量和几何自相似的涡填充。这些漩涡的尺度只有一个长度尺度，即它们到壁面的距离，而它们的速度尺度在它们的尺寸范围内保持不变。为了研究这种结构在充分发展的湍流管流中的存在，在两个平行的横截面平面中进行立体粒子图像测速测量，所述两个平行的横截面平面间隔开从0到9.97 $R$的变化距离，对于$Re_τ= 1310$、2430和3810。瞬时湍流结构排序的宽度使用方位傅立叶分解，使我们能够创建一组平均涡流速度剖面通过执行方位对齐过程。得到的涡流剖面在$(r,θ)$ -平面中表现出几何自相似行为，其展向长度尺度（$λ_θ/R$）从1.03到0.175。使用两个平面之间的两点相关性进一步研究了流向相似性，其中结构表现出长度尺度（$λ_θ/R$）从大约$0.88$到$0.203$的自相似行为。候选结构从而建立具有$1:80$体积比的结构的完全三维几何自相似性。除了几何相似性，速度大小也表现出自相似性在这些范围内。然而，速度尺度依赖于涡的大小，并遵循的趋势的基础上提出的缩放参数\cite{Perry1986}。
2019-11-24 physics.flu-dyn
An input-output based analysis of convective velocity in turbulent channels
本文采用一种基于输入输出的方法来分析槽道湍流中的对流速度和脉动输运。通过最大化与线性化纳维-斯托克斯方程相关的功率谱密度，得到了在每个壁面法线位置处与流向-展向波长对相关的脉动量的对流速度，该方程具有湍流平均廓线和δ相关高斯强迫。我们首先证明，以这种方式计算的平均对流速度同意与以前在文献中报道的。然后，我们利用的分析框架，以探测潜在的机制，有助于当地对流速度在不同的壁正常位置隔离的贡献，每个展向流向波长对（流量尺度）。分析结果表明，对流速度的行为在近壁区的影响，大尺度结构远离壁。这些结构类似于汤森的附加涡在交叉平面，但在流向方向上显示不完全相似。然后，我们调查的作用，在动量方程中的每个线性项隔离的压力，平均剪切，和粘性效应的对流速度的偏差，从平均在每个流量尺度的贡献。我们的分析突出了粘性效应的作用，特别是在大型通道跨越结构，其影响延伸到近壁区域。这项工作的结果表明，承诺的输入-输出的方法来分析对流速度在一个范围内的流量尺度只使用的平均速度配置文件。
2020-01-15 physics.flu-dyn
Lighthill's mechanism and vorticity cascade in the logarithmic layer of wall turbulence
本研究通过高雷诺数槽道流数据验证了Lighthill关于近壁涡量集中的机制，并证实对数层涡量输运为级联过程，其中发卡涡与披肩涡各贡献一半。
2025-09-09 physics.flu-dyn
Length scales and eddy viscosities in turbulent free shear flows
本文利用轴对称尾流和湍流平面射流的实验数据，讨论了纵向积分长度尺度（$L$）与特征平均流宽度（$δ$）之间的比例关系这一重要问题。这是一个基本的假设时，推导自相似标度律在自由剪切流，湍流耗散标度无关。我们表明，$L/δ$确实是恒定的，至少在特征入口尺寸（$L_{ref}$，喷嘴宽度或尾流发生器尺寸）的15和50倍之间的流向距离的范围内。此外，我们重新审视湍流闭合模型，如普朗特混合长度\cite{prandtl1925}和恒定涡粘性的光的非平衡耗散标度。我们发现，混合长度模型，与$l_m\sim δ$，不符合缩放产生的非平衡版本的理论，我们反而得到$l_m\sim δ\sqrt{Re_G/Re_{0δ}}$，其中$Re_G$和$Re_{0δ}$是一个全球和当地的雷诺数，分别。类似地，涡流粘度模型在理论的非平衡版本的情况下保持不变，只要涡流粘度在任何地方都是恒定的，而不仅仅是在平衡情况下垂直于流向方向的截面。我们得出结论，相互比较不同的模型的结果，并与实验数据和改进的模型（以下汤森），占流动的不稳定性，并纠正跨流动边界的涡流粘度变化。
2018-11-06 physics.flu-dyn
Effects of mean flow skew on turbulent shear layers. Part II. Experimental investigation
Cornell University（康奈尔大学）；University of Maryland（马里兰大学）
通过实验方法生成并表征偏斜湍流混合层，发现平均流偏斜使平均和湍流量系统性降低约40%，但基本动力学特性不变，结构参数保持恒定。
2026-06-12 physics.flu-dyn physics.soc-ph
Turbulent Flow in Pipes and Channels as Cross-Stream "Inverse Cascades" of Vorticity
管道和通道中的压力驱动湍流的一个常见观点是流向壁面粘性层的动量的“级联”。在本文中，我们提出了另一种图片，这些流动的展向涡量的“逆级联”，在横流方向，但远离粘性子层。我们表明，有一个恒定的空间通量展向涡量，由于涡量守恒，这个通量是必要的，以产生压降和能量耗散。涡量运输被证明是占主导地位的粘性扩散的距离比峰值雷诺应力更接近壁，以及到经典的日志层。Perry-Chong模型基于“代表性”发夹/马蹄涡预测了整个对数层上湍流涡度通量的单一符号，而实际通量必须在最大应力位置改变符号。符号反转可以通过假设对于大于发夹长度尺度的壁法线距离，汤森“涡流强度函数”的缓慢幂律衰减来实现。这里呈现的涡旋级联图像与量子超流体和超导体理论中的量子涡旋线的“相位滑移”非常相似。因此，我们的大多数结果也适用于管道和通道中的超流湍流。并从这一角度讨论了减阻问题。
2008-09-16 cond-mat.supr-con physics.flu-dyn
Self-similar, spatially localized structures in turbulent pipe flow from a data-driven wavelet decomposition
本文利用数据驱动小波分解提取高雷诺数管道流中的局部化结构，发现其在流向和壁面法向大范围内具有自相似性且形似Meyer小波，为Townsend附着涡假设提供了新证据。
2023-07-05 physics.flu-dyn
Effects of porous substrates on the structure of turbulent boundary layers
本研究通过实验考察不同多孔基底对湍流边界层的影响，发现基底厚度与密度决定外层相似性是否成立，厚且致密的基底破坏相似性，薄且稀疏的基底则保持相似性。
2024-01-12 physics.flu-dyn
Wave Motion Induced By Turbulent Shear Flows Over Growing Stokes Waves
Sajjadi、Hunt和Drullion（2014年）（SHD 14）提出的最近多层分析的数值解是吹在低到中等陡度的非定常Stokes水波上的大气湍流切变流。它表明，作为波陡进一步的内层超过临界层和下方的猫眼有一个强大的反向流动，然后将影响表面阻力，但在表面的流量调整自己的轨道速度的波。我们表明，在c_r=U_* 很小的极限，即慢波时，用涡粘性模型计算的向波的能量传递率β与Belcher和Hunt（1993）的渐近稳态分析和Townsend（1980）的早期模型一致。计算的情况下，当波传播速度更快，增长显着表明，一个临界剪切层外的内表面剪切层形成陡峭的波。我们发现，临界层产生了显着的，但不是主导的效果，一个弱的背风侧射流形成的惯性动力学在临界层，这增加了由遮蔽效应产生的阻力。在尖峰波上，背风侧的内层流动趋于减慢和分离，在增长的快波上，流线和背风侧的临界层向上缺陷。因此，使用早期研究SHD 14提出，与单色波的增长率相比，当波浪为非线性时，本文确定的波浪诱导运动机制有助于风驱动水波的更大净增长。这是因为在非线性波中，单个谐波具有较强的正增长率和较弱的负增长率.
2017-04-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn
An extended analytical wake model and applications to yawed wind turbines in atmospheric boundary layers with different levels of stratification and veer
本研究针对现有解析尾流模型忽略浮力与科里奥利力效应的问题，结合大气边界层垂直结构解析表示、涡片偏航尾流模型及新的尾流扩展率预测方法，构建了考虑热分层和风转向的偏航风力涡轮机尾流模型，经LES验证吻合度高，显著提升了强稳定分层下尾流功率损耗预测精度。
2024-12-15 physics.flu-dyn
A Generalized Brownian Motion Model for Turbulent Relative Particle Dispersion
本文采用广义布朗运动模型来描述更接近实际的湍流中颗粒的相对弥散问题。作用在流体颗粒上的脉动压力被认为是一种有色噪声，并遵循一个平稳的过程，并由Uhlenbeck-Ornstein模型描述，而它似乎似乎合理的采取他们的相关时间有一个幂律依赖于流动雷诺数$R_e$，从而引入了拉格朗日量和欧拉参数之间的桥梁，这个问题。这一分析与Corrsin [26]早先推测的脉动压力的白噪声表示与Kolmogorov [4]理论中三维充分发展湍流（FDT）的大$R_e$假设之间存在联系的可能性以及Monin和Yaglom [23]的论证和Sawford [13]以及Borgas和Sawford [24]的结果定性一致。拉格朗日加速度在无限$R_e$极限下是δ函数自相关的。它还提供了一个洞察的结果，Richardson-Obukhov标度仅在无限的$R_e$限制，否则消失。这一分析进一步证实了Lin-Reid [18]关于脉动压力参数与湍流能量耗散率之间关系的猜想，并得出了Lin和Reid [18]推测的两者之间依赖于$R_e$的显式关系。更具体地说，该分析提供了作为$R_e$的函数的Richardson-Obukhov常数$g$的确定，其具有无限$R_e$极限中的渐近常数值。结果表明，在小- $R_e$极限下，它与Batchelor-Townsend [27]标度在3D FDT中均方颗粒间分离的变化率…
2015-08-06 math-ph math.MP physics.flu-dyn
A data-driven quasi-linear approximation for turbulent channel flow
本文提出数据驱动的准线性近似（DQLA），通过匹配DNS二维波数谱确定自相似流向波数权重，扩展了MQLA，在高达$Re_τ=10^5$范围内准确预测湍流统计与谱标度行为。
2023-05-24 physics.flu-dyn
Active and inactive contributions to the wall pressure and wall-shear stress in turbulent boundary layers
本文基于主动与非主动运动概念，解释湍流边界层中壁面剪切应力和壁面压力谱随雷诺数增长的机制，提出非主动运动负责大尺度能量输运，从而揭示壁面压力谱增长更快的原因。
2024-08-24 physics.flu-dyn
Asymptotic limits of the attached eddy model derived from an adiabatic atmosphere
该研究利用62米气象塔210天数据，检验附着涡模型在高雷诺数近中性大气表面层的对数行为，发现排除非平稳性后Townsend-Perry系数收敛至1-1.25，并验证了垂直速度方差常系数及“-1”标度与对数行为的关系。
2024-11-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn
