Assessment of one-way coupling methods from a potential to a viscous flow solver based on domain- and functional-decomposition for fixed submerged bodies in nonlinear waves
为了模拟波浪与海洋结构物的相互作用，研究了势流模型与粘性模型的耦合方法。第一种模型是基于谐波多项式单元（HPC）方法的完全非线性势流（FNPF）模型，该模型具有高度精确性，最适合表示长距离波传播。第二个模型是计算流体动力学代码，在\openfoam工具包中求解雷诺平均纳维尔-斯托克斯（RANS）方程，更适合于表示物体附近局部尺度的粘性和湍流效应。两个单向耦合策略的开发和比较，在两个维度，考虑完全淹没和固定的结构。首先考虑区域分解（DD）策略，在体附近引入精细网格，求解RANS方程。边界条件和插值算子从FNPF的结果开发，以加强其外边界的值。第二种耦合策略考虑了局部网格上的变量分解（功能分解，FD）。由于FNPF模拟提供了满足无旋欧拉方程的变量场，因此引入了补充速度和压力分量作为总流量变量与势变量之间的差。这些互补变量是修正的RANS方程的解。比较了非线性波与矩形横截面水平圆柱的相互作用。将四种模拟方法（独立FNPF、独立CFD、DD和FD耦合方案）计算的车身载荷与实验数据进行了比较。结果表明，这两种耦合方法产生的负载和相关的水动力系数在很大范围内的入射波陡度和Keulegan-Carpenter数的准确表示。
2022-06-20 physics.flu-dyn
Mixing at the external boundary of a submerged turbulent jet
本文从实验和理论上研究了淹没湍流射流外边界的混合。在实验研究中，我们使用粒子图像测速仪和图像处理技术的基础上的米氏散射强度的分析，以确定示踪粒子的空间分布。空气射流与熏香烟雾颗粒，其特征在于大施密特数和小斯托克斯数播种。我们确定的喷射流体的空间分布，其特征在于由高浓度的粒子和由低浓度的示踪粒子的特征在于的周围流体。在数据分析中，我们使用两种方法，其中一种方法是基于测量的相函数来研究两种流体的混合状态。另一种方法是基于两点的二阶关联函数的颗粒数密度波动所产生的平均颗粒数密度的梯度由湍流速度场纠缠的分析。该梯度形成于淹没湍流射流的外边界处。我们证明，PDF的射流流体渗透到外部流的相函数和两点二阶关联函数的粒子数密度没有普遍的标度，不能用幂律函数描述。在这项研究中所作的理论预测是在一个定性的协议与所获得的实验结果。
2009-05-11 nlin.CD physics.flu-dyn
Drag cancellation by added-mass pumping
由于附加质量能量的变化，水下物体在突然变形时会受到很大的力。虽然这种现象已被研究为单一的驱动事件，应用于持续推进需要研究\textit{periodic}形状变化。我们这样做，在这项工作中，通过调查的弹簧质量振荡器淹没在静态流体受到周期性变化的体积。我们开发了一个分析模型来研究附加质量变化和粘性阻尼之间的关系，并在大Stokes数下用完全耦合的流固Navier-Stokes模拟来证明其应用范围。我们的研究结果表明，附加质量动能的恢复可以用来完全取消流体的粘性阻尼，驱动持续振荡的振幅高达四倍的平均身体半径$r_0$的发病。一个准线性关系被发现链接的终端振幅的振荡$X$，大小变化$a$的程度，与$X/a$峰值在值从4到4.75取决于形状变化运动学的细节。此外，它被发现，泵浦的频率范围内的$1-\frac{a}{2r_0}<ω^2/ω_n^2<1+\frac{a}{2r_0}$是需要持续振荡。该分析的结果揭示了形状变化机构和生物启发的水下航行器的背景下的附加质量恢复的作用。
2016-05-21 physics.flu-dyn
Tethering and depth of submergence affect the swimming performance of undulatory robots
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）
研究以机器人1-guilla为对象，发现系泊水面游动能耗低于自由游动、浸没深度增加可提升性能，解释了两类机器人研究结果的差异及自然生物偏好浸没推进的原因。
2026-08-03 physics.flu-dyn
An inflow-boundary-based Navier-Stokes wave tank: verification and validation for waves propagating over flat and inclined bottoms
在纳维尔-斯托克斯（NSE）框架中基于质量源函数的数值波浪水槽（NWT）算法的发展受到多个设计问题的阻碍，例如：（a）表征源区的多个变量的优化，（b）波涡相互作用和（c）在造波机两侧对域进行建模的强制性要求。在本文中，我们绕过这些障碍，提出了一个体积保持流入边界为基础的Navier-Stokes波坦克。波的产生和传播是在一个两相PLIC-VOF设置建模。使用运动学拉伸来实现近乎精确的体积保持（在任意大的陡度下），该运动学拉伸的目的是平衡位于静水水位以上和以下的点之间的流向动量。数值阻尼陡峭的波是防止使用混合的三阶和限制器计划的动量平流。此外，网格阶梯步进策略已被用于模拟非笛卡尔浸没边界上的交错变量安排。拟议的NWT模型严格基准对各种波传播的情况。这些包括模拟：（a）各种陡度的单色波，（b）叠加有自由谐波的单色波，（c）深水中的不规则波，以及（d）在水下梯形沙洲上发生的波浪变形。与分析，数值和实验数据的良好协议的报告与验证，以及所提出的NWT模型正在建立的验证。
2019-10-25 physics.flu-dyn
A fully Eulerian solver for the simulation of multiphase flows with solid bodies: application to surface gravity waves
本文提出了一种用于多相流研究的全欧拉解算器，用于模拟表面重力波在潜体上的传播。本文采用流体体积法求解不可压纳维-斯托克斯方程，用浸没体法求解固体，用强耦合迭代法求解流固耦合。通过泊松方程的解来强制流体的不可压缩性，由于液相界面上的密度跳跃，泊松方程必须采用Dodd & Ferrante的分裂程序[12]。求解器通过与经典的流体-结构相互作用的测试用例进行比较来验证，如压力驱动通道中的颗粒迁移，多相流，圆柱体的水出口，并且所有测试都具有良好的一致性。此外，我们显示的情况下，表面重力波传播的求解器的应用程序，并验证了求解器可以重现波和钟摆之间的能量交换。最后，考虑了水下球体诱导波浪的三维溢出破碎问题。
2020-06-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
The compressible granular collapse in a fluid as a continuum: validity of a Navier-Stokes model with $μ(J)$-$ϕ(J)$-rheology
不可压缩$μ(I)$流变学已被用于研究陆上颗粒流，并取得了显著的成功。对于水下颗粒流，颗粒和孔隙流体之间的阻力要高得多，物理行为也更复杂。高拖曳力限制了颗粒的重新排列和粘性，导致孔隙压力的显著增加。其瞬态和动态的描述是模拟水下颗粒流的关键，但不可压缩模型的范围。在这项工作中，我们推进从不可压缩的$μ(I)$ -流变性的可压缩的$μ(J)$ - $ϕ(J)$ -流变性占孔隙压力，粘性，并在水下条件下的标度律。该模型是补充临界状态理论产生正确的性质在准静态极限。孔隙流体由一组附加的守恒方程描述，与颗粒的相互作用由拖曳模型描述。这种新的实现使我们能够以高度透明的方式包括与淹没颗粒流相关的大多数物理过程。这两个，不可压缩和可压缩的流变学实现到OpenFOAM和各种模拟在低和高斯托克斯数进行与这两个框架。我们发现$μ(J)$ - $ϕ(J)$ -流变学与不可压缩模型无法描述的低斯托克斯数实验具有良好的一致性。颗粒流变学、孔隙压力和拖曳模型的组合导致了复杂的现象，如表观凝聚、重塑、滑水和浊流。模拟给显着的见解，这些现象，并增加了我们的理解水下质量运输。
2021-02-15 physics.flu-dyn
Kelvin wake pattern at small Froude numbers
众所周知，在稳定移动扰动后面形成的表面重力波图案包括发散波和横波，包含在独特的V形尾流中。本文从理论上研究了尾流为横波主导的慢运动扰动（小佛汝德数）的极限。我们考虑三种配置：流过去的淹没源奇点，淹没偶极子，和施加到表面的压力分布。我们对待这些问题的线性化版本，并使用固定相和指数渐近的方法来证明，表观尾流角小于经典的开尔文角和量化的减少，在表观尾流角弗劳德数减少。这些结果补充了一些最近的研究足够快的移动扰动（大弗劳德数）的表观尾流角也小于经典的开尔文角。以及脱落光的尾流角，我们还研究了我们的三个配置在各种限制下的完全非线性问题，以证明在小弗劳德数的开尔文尾流图案的独特和有趣的功能。
2021-01-28 physics.flu-dyn
Extrapolation theory for Stokes flow past a deformed sphere
我们制定了一个方法来计算斯托克斯流通过一个高度变形的球与任意定义的表面速度。基本成分是一个显式的外推算子，从球的表面延伸的速度场，这是表示在一组完整的基础斯托克斯场的压力和速度来自标量和矢量球谐函数。我们提出了一个矩阵代数包装适用于数值计算的任意阶的变形幅度（偏离球形）。本文用基场幅值表示了作用在具有任意表面速度的变形球体上的水动力和力矩，并针对旋转和平移的刚体的经典问题，显式地计算了流场的一阶变形修正以及水动力和力矩。
2018-01-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Pathologies of low-Froude free-surface flows over smoothed bodies
本研究针对低弗劳德数下光滑物体绕流产生波浪的悖论，证明其斯托克斯线源于自由面量解析延拓在无穷远处的本性奇点，并探讨了将指数渐近方法推广至光滑几何的一般波-结构问题的困难。
2024-02-06 physics.flu-dyn
Artificial boundary conditions for stationary Navier-Stokes flows past bodies in the half-plane
我们讨论了人工边界条件的定常Navier-Stokes流过去的机构在半平面，为一系列低雷诺数。当为了数值目的将半平面截断为有限域时，会出现人工边界。我们以问题解的渐进展开形式给出了这些边界处速度的显式狄利克雷条件。与传统边界条件的计算结果相比，我们显示出阻力和升力的计算值的准确性有了很大的提高。我们还分析了定性行为的解决方案中的流线的流动。新的边界条件是通用的，因为它们仅通过一个常数依赖于给定的物体，该常数可以在反馈回路中作为求解过程的一部分来确定。
2012-08-17 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Slip-induced odd viscous flow past a cylinder
Institute for Theoretical Physics, University of Amsterdam（阿姆斯特丹大学理论物理研究所）；Dutch Institute for Emergent Phenomena (DIEP), University of Amsterdam（阿姆斯特丹大学荷兰涌现现象研究所）
研究通过奇粘性广义洛伦兹互易定理，揭示滑移条件下斯托克斯流中升力的产生机制，并推导低雷诺数下奥塞恩升力的主导滑移长度贡献。
2024-07-31 physics.flu-dyn
Comment on "The wave-driven current in coastal canopies" by M. Abdolahpour et al
过去十年的实验室和实地测量表明，在淹没植被冠层中存在着强烈的波浪驱动的平均流。Luhar等人（2010年）认为，这种平均流类似于裸露海床上波浪边界层中产生的流动，并开发了一个简单的能量和动量平衡模型来预测其大小。然而，该模型预测平均电流的大小不取决于冠层空间密度，这与Abdolahpour等人（2017）在最近的实验室实验中所做的测量不一致。受观测结果的启发，波驱动的平均流在冠层界面最明显，Abdolahpour等人（2017）对其起源提出了另一种解释：它是由冠层阻力产生的轨道运动的垂直不均匀性驱动的。这种不均匀性可以引起不完整的粒子轨道附近的冠层界面和拉格朗日平均流类似于斯托克斯漂流的方向上的波传播。由这种物理洞察力和维度分析指导的模型能够生成更准确的预测。本文旨在调和这两种不同的模式波驱动的平均流淹没檐篷。
2020-05-01 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Fundamental solutions of MHD Stokes flow
对均匀磁场中的磁流体动力学stokeslet问题，得到了一个简单的解析解。这个解表示流过小颗粒的流动，也可以解释为离有限尺寸物体足够远的流动。基本解决方案中发现的速度，压力和标量势分布的流动，由于集中力或电流源。前者包括两个基本的解决方案，平行的和横向的磁场的力量，分别。所有的基本解都具有哈特曼边界层的特征长度尺度和沿磁场发展的两个抛物线尾迹。
2013-09-16 physics.flu-dyn
A high-resolution DNS study of compressible flow past an LPT blade in a cascade
使用内部开发的用于求解三维可压缩纳维-斯托克斯方程的代码，求解了在$Re \approx 52000$和冲角$α= 45.5^{0}$下叶栅中低压涡轮叶片的流动。该程序ANUROOP是在有限体积框架下采用保动能的二阶中心差分格式进行通量计算而开发的，与混合网格兼容。ANUROOP是根据马赫数范围从0.1（泰勒-格林涡）到1.5（可压缩湍流通道流）的几个测试用例进行验证和确认的。计算结果表明，该程序具有较好的鲁棒性和稳定性，动能衰减服从可压缩纳维-斯托克斯方程。涡轮叶片模拟采用混合网格，在边界层采用高分辨率六面体正交网格，在其余区域采用非结构（也是六面体）单元。总网格大小（1.6亿）比以前相同流动条件下使用类似数值方法的模拟高出约一个数量级。在早期的研究中的压力分布与实验数据相比的差异已被删除，在这个模拟。后缘分离泡的特点和表面曲率的影响进行了详细的讨论。
2016-11-29 physics.flu-dyn
Nonreciprocal transmission of sound in viscous fluid with asymmetric scatterers
声传播中非互易性的两个常见概念是基于非线性效应[1，2]和流体的局部循环[3，4]。它们起源于两种已知的打破时间反演对称性的方法，这是观察非互易效应所必需的。这两种概念都需要安装额外的设备，并配备自己的电源。最近的研究表明，声学损失可能是T对称破坏的一个来源，从而导致梯度折射率超颖表面反射声音的非互易性[5]。在这里，我们探讨流体的粘度作为一个自然因素的T-对称性破缺。我们报告的实验观察的非互易性传输的超声波通过水淹没声子晶体组成的非对称杆。不对称性，或破缺的P对称性，是非互易性的第二个必要因素。实验结果与基于纳维-斯托克斯方程的数值模拟结果基本一致。这种无源非互易线性装置便宜、坚固并且不需要能量源。
2017-09-07 physics.flu-dyn
Flow Past a Circular Cylinder on Curved Surfaces
本文研究了在固定雷诺数为100的条件下，圆柱体和球面上的绕流问题。对于表面上的流动，用外微积分符号表示纳维-斯托克斯方程是方便的。我们采用离散外部微积分（DEC）方法（Mohamed et al.（2016））来数值求解方程。我们探讨了曲率对感兴趣的动力学量所起的作用：阻力系数（Cd），升力系数（Cl）和Strouhal数（St）。我们的模拟表明，表面曲率对这些量和整体流动动力学的影响是微不足道的，从而意味着流动的动力学通过一个固定的圆柱体具有普遍性，独立的嵌入表面的几何形状。
2018-10-25 physics.flu-dyn
Hydrodynamic response of a surfactant-laden interface to a radial flow
本文研究了浸没射流作用于液-气界面时径向斯托克斯流的特性。表面活性杂质的存在赋予界面抵抗入射流的面内弹性。分析和数值计算都表明，微量的表面活性剂就足以深刻地改变流动的形态。界面的水动力响应也受到影响，随着表面可压缩性的减小，从滑移边界条件转变为无滑移边界条件。我们认为，发散向外流动和界面的弹性响应之间的竞争实际上可以用作检测和量化少量杂质的实用方法。
2019-09-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Exponential asymptotics and Stokes surfaces in nonlinear three-dimensional flows
本研究拓展了已有三维点源绕流建模工作至源强为O(1)的一般非线性流动，提出从解析延拓自由面向实空间打靶的数值格式求解斯托克斯曲面，验证了与已有结果的交线差异并给出后续研究方向。
2024-03-08 physics.flu-dyn
Cahn-Hilliard Navier-Stokes Simulations for Marine Free-Surface Flows
本文致力于海洋气水两相流的模拟。重点放在扩展的经典的流体体积（VoF）方法的Cahn-Hilliard（CH）模型和它的好处，模拟不混溶，不可压缩的两相流的扩散贡献。这种流动主要是用隐式VoF方案来模拟的，该方案主要采用启发式顺风偏置近似来模拟尖锐的界面。该策略引入了严格的时间步长限制，并需要稳定流的伪时间步长。我们的总体目标是一个健全的描述的自由表面区域，简化人工时间步长的限制，有利于一个有效的和强大的数值框架，并固有地包括表面张力的影响，在需要时。该方法被验证的分析库埃特流的例子和气泡的形成下的表面张力力的影响。2D验证示例涉及从重力到毛细尺度的层流驻波以及浸没的水翼流。最后的应用是指三维流动周围的实验研究的集装箱船在固定的浮动Re=1.4E+07和Fn=0.26。结果进行了比较，从VoF的方法得到的数据，辅以分析解决方案和测量。研究表明，优越的效率，再锐化能力和更广泛的预测领域的CH为基础的扩展自由表面流动与有限的空间范围内的接口柯朗数。
2020-03-23 cs.NA math.NA physics.comp-ph
High-order immersed boundary method for subsonic aeroacoustics and compressible Navier-Stokes equationsHigh-order immersed boundary method for subsonic aeroacoustics and compressible Navier-Stokes equations
Institut PPRIME, CNRS-Université de Poitiers-ENSMA（普里梅研究所，法国国家科学研究中心-普瓦捷大学-国立高等航空航天学院）
本文提出一种基于高阶格式和鬼点法的新型离散鬼点浸没边界方法，用于求解亚声速气动声学和可压缩Navier-Stokes方程，并通过圆柱绕流等算例验证了其有效性。
2026-09-22 physics.flu-dyn
Exploring external rarefied gas flows through the method of fundamental solutions
针对稀薄气体二维绕流存在的Stokes佯谬，采用CCR扩展流体动力学模型，结合基本解方法求解，验证了方法有效性并拓展至半圆柱绕流等无解析解的二维问题。
2025-03-20 math-ph math.MP physics.flu-dyn
A Minimal Model of the Hydrodynamical Coupling of Flagella on a Spherical Body with application to Volvox
鞭毛是附着在微生物上的毛发状附属物，允许生物体穿过其流体环境。团藻是球形游泳者，其表面上有数千个单独的鞭毛，它们的协调性尚未完全了解。在这项工作中，一个先前开发的鞭毛同步化的极小模型被扩展到浸没在流体中的球体的外表面。每个跳动的鞭毛尖端被建模为一个小球体，弹性约束到一个圆形轨道上的球面和一个正则化的图像系统的斯托克斯流外的一个球体是用来执行无滑移条件。生物相关的分布转子的结果在一个快速发展和强大的辛异时波从前面到后面的球形团藻体。
2020-04-11 physics.bio-ph physics.flu-dyn
On a separation criterion for symmetric elliptic bluff body flows
通过考虑壁面法向速度在雷诺数参数空间中的变化，导出了一个新的描述椭圆柱绕流分离起始的解析判据。结果表明，该准则可用于计算圆柱绕流经典问题的分离雷诺数Re_s，这是一个至今仍有争议和悬而未决的问题。应用上述准则，计算求解了二维纳维-斯托克斯方程，得到了Re_s的精确值。
2006-01-12 physics.flu-dyn
Mathematical properties of the Navier-Stokes dynamical system for incompressible Newtonian fluids
流体动力学的一个显著特点是它与经典动力学和统计力学的关系。这在过去的数学研究中以一种特殊的方式激发了基于动力学理论的“推导”，特别是不可压缩的纳维-斯托克斯方程（INSE）的玻尔兹曼方程。然而，以这种方式确定的连接通常仅仅是渐近的（即，它只能达到合适的极限函数），因此存在其自身的困难。该特征已经建议基于合适的逆动力学理论的构建来寻找替代方法（IKT; Tessarotto等人，2004-2007），这可以避免他们。IKT，事实上，允许实现流体方程的精确表示，通过确定它们与适当的力矩方程的一个合适的（逆）动力学方程。后者可以用在时间上推进相空间概率密度函数（PDF）的刘维尔方程来识别，根据该相空间概率密度函数来确定流体场的完整集合（规定流体的状态）。在本文中，我们打算调查的基本\textit{finite-dimensional}相空间经典动力系统，表示为\textit{Navier-Stokes dynamical system}，它可以建立这样的数学性质。我们打算建立的结果具有根本性的影响，无论是对纳维-斯托克斯方程的数学研究，以及在流体动力学和应用科学的各种后果和应用。
2010-03-15 physics.flu-dyn
Odd viscous flow past a sphere at low but nonzero Reynolds numbers
该研究针对低但非零雷诺数下的绕球奇黏性流动问题，用渐近匹配法和Lorentz互易定理解决相关障碍，发现轴对称条件下升力消失但会产生流动诱导的非零转矩，完善了奇黏性流体力学的相关理论。
2024-05-26 physics.flu-dyn
A p-Multigrid Accelerated Nodal Spectral Element Method for Free-Surface Incompressible Navier-Stokes Model of Nonlinear Water Waves
本文提出一种基于节点谱元法和几何p-多重网格加速的不可压缩Navier-Stokes自由表面模型，用于高效高精度模拟非线性水波，并通过经典潜堤谐波基准验证了其谱收敛性、实验一致性和O(n)计算可扩展性。
2024-11-22 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Steady Stokes flow with long-range correlations, fractal Fourier spectrum, and anomalous transport
我们考虑不可压缩流体的粘性二维定常流通过双周期固体障碍物阵列。在一类这样的流动中，拉格朗日观测量的自相关按照幂律衰减，傅立叶谱既不是离散的也不是绝对连续的。我们证明了在这种流动中示踪剂液滴的扩散是非常快的。由于该流等价于具有1个自由度的可积哈密顿系统，这提供了具有长程关联、分形功率谱和异常输运性质的可积动力学的一个例子。
2006-09-04 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Stratified flow past a sphere at moderate Reynolds numbers
本文对雷诺数为$Re=200$和$Re=300$的球形绕流进行了数值研究。在这些流态中，中性分层层流引起明显不同的近尾流特征。然而，流动行为的变化显着的分层增加，抑制了流体包裹的垂直位移的规模。对一系列弗劳德数$Fr\in [0.1,\infty]$的计算表明，随着弗劳德数的减小，两种雷诺数下的流型变得相似。在$Fr=0.625$和二维旋涡脱落在$Fr=0.25$制度的背风波不稳定性的代表性模拟示出的流动过去的单个和串联的球体，从而提供了进一步的洞察力的动态分层流动过去的钝体。特别是，报告的研究检查的相对影响的粘度和分层的分割流线高程，尾流结构和流动分离。在适用于多体模拟的非结构网格上，得到了不可压Boussinesq极限下的纳维-斯托克斯方程的解。计算是使用有限体积，非振荡的时间向前（NFT）多维正定传输算法（MPDATA）的求解器。数值近似的影响和有效性，特别是表现出强烈的分层的情况下，也进行了讨论。与现有的实验室实验和以前的数值研究定性和定量的比较证实了数值方法的有效性。
2021-01-18 physics.flu-dyn
Effect of surfactant concentration and interfacial slip on the flow past a viscous drop at low surface Péclet number
本文研究了在低表面Péclet数限制的任意非定常Stokes流中，当界面完全被表面活性剂的停滞层覆盖时粘性液滴的运动。还考虑了界面滑移系数对流场行为的影响。流体动力学问题是解决的螺线管分解法和阻力计算法克森的法律使用的扰动ananastrance在幂的表面Péclet数。液滴迁移速度的解析表达式也得到了幂的表面Péclet数。进一步的情况下，对应于一个给定的环境流均匀流，库埃特流，Poietille流进行了分析。此外，它被观察到，一个表面诱导的横向流迁移的液滴发生向中心线在Couette流和Poiffille流的情况下。计算了不同参数（如Péclet数、Marangoni数等）下拖曳力和迁移速度的变化。
2016-09-12 physics.flu-dyn
Reconfiguration and dynamics of clamped fibers under finite-amplitude surface gravity waves
本研究通过全分辨率直接数值模拟，发现完全浸没于有限振幅表面重力波下的柔性茎秆会根据其固有频率与波频率的比值表现出笔直对称振荡、Stokes漂流诱导的弯曲重构以及共振三种不同的动力学响应。
2024-12-22 physics.flu-dyn
Attenuating surface gravity waves with mechanical metamaterials
近年来，超材料和光子/声子晶体已经成功地发展，以实现先进的波操纵和控制，无论是在电磁学和力学。然而，基本的概念尚未完全应用于流体动力学和水波领域。在这里，我们提出了一个表面重力波与机械超材料，即周期性水下振荡谐振器的相互作用的例子。特别是，我们研究了一个装置组成的一个阵列的周期性淹没谐振子，其目的是吸收波能和耗散的形式在流体内的热量。研究是使用最先进的直接数值模拟的纳维-斯托克斯方程在其二维形式的自由边界和移动机构。我们使用的体积的流体界面技术跟踪的表面和浸没的边界方法的流体-结构的相互作用。我们首先研究一个单色波与一个单一的振荡器的相互作用，然后添加到四个谐振器耦合只有流体机械。我们研究的总能量耗散方面的设备的效率，并发现，通过添加谐振器，耗散增加在一个非平凡的方式。正如预期的那样，当波和谐振器的特征在于相似的频率时，实现了大的能量衰减。随着谐振器数量的增加，衰减频率的范围也增加。本文提出的概念和结果是相关的应用在海岸保护。
2021-04-16 physics.flu-dyn
Jacobian-free Newton-Krylov methods with GPU acceleration for computing nonlinear ship wave patterns
本文将定常自由面绕流淹没源的非线性问题作为三维船波问题的一个研究实例。特别令人感兴趣的是在流体表面形成的独特的楔形波图案。通过用标准的边界积分方法重新制定控制方程，我们推导出一个非线性代数方程组，该方程组在二维网格上的每个中点处强制执行奇异积分微分方程。我们的贡献是解决系统的方程与雅可比自由牛顿-克雷洛夫方法与带状预条件，精心构造的条目从线性化问题的雅可比。此外，我们能够利用图形处理单元加速显着增加网格细化和减少我们的解决方案的运行时间相比，目前在文献中采用的方案。我们的方法提供了机会，探索三维船波模式的非线性特征，如陡峭的波接近其极限配置的形状，在某种程度上，已经有可能在二维模拟了一段时间。
2014-03-20 physics.flu-dyn
On the theory of body motion in confined Stokesian fluids
本文提出一种理论方法，将受限斯托克斯流体中物体绕流解分解为无界流体物体（Faxén 算子）和受限域（斯托克斯多极子）两个问题，通过反射法推导表达式并分析收敛性，应用于球体和椭球体系统获力与力矩特性。
2024-04-19 physics.flu-dyn
Accelerating high order discontinuous Galerkin solvers through a clustering-based viscous/turbulent-inviscid domain decomposition
本研究利用无监督聚类划分不可压缩流动的粘性/湍流与无粘区域，结合间断Galerkin框架分区求解不同方程，搭配局部P-自适应后最高可降低45%计算成本且保持精度。
2024-03-08 physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann Method simulations of high Reynolds number flows past porous obstacles
采用格子玻尔兹曼方法（LBM）对分形和非分形障碍物上的湍流进行了数值模拟。在不同雷诺数条件下，从流场松弛、斯特劳哈尔数和尾迹长度等方面对尾流的水动力特性进行了比较和讨论。研究了三种障碍拓扑结构：实体（SS）、多孔规则（PR）和多孔分形（FR）。特别是，我们观察到，在固体正方形的情况下存在的振荡可以被消灭或仅被推向下游，这取决于多孔障碍物的拓扑结构。格子玻尔兹曼方法（LBM）在雷诺数从12352到49410的四个范围内实现。LBM的适用性，这些高雷诺数的情况下进行了研究。其结果进行了比较，现有的实验数据和已发表的文献。令人信服的协议之间的所有三个测试的障碍物显示了显着的验证LBM作为一种工具，以调查高雷诺数复杂的几何形状的流动。这是特别重要的，因为LBM方法比基于经典纳维-斯托克斯方程的计算方法耗时少得多，并且需要以足够的细节（即分辨率）实现高雷诺数以预测例如冠层流。
2019-02-22 physics.flu-dyn
A Simple but Efficient Transformer-Based Physics-Informed Neural Network for Incompressible Navier--Stokes Equations
Indian Institute of Technology Mandi（印度技术学院曼迪分校）；Sikkim Manipal Institute of Technology（锡金曼尼普尔理工学院）
本文提出了一种基于变换器的物理信息神经网络框架PhysicsFormer，用于复杂流体流动模拟，通过编码器-解码器多头注意力机制捕捉长时序依赖性，提高收敛性、稳定性和预测精度，同时在计算效率和准确性方面优于现有方法。
2026-05-20 physics.flu-dyn
U-shaped disks in Stokes flow: Chiral sedimentation of a non-chiral particle
本文通过有限元方法求解3D Stokes方程，研究了U型圆盘在零惯性极限下的沉降不稳定性，发现其会沿复杂螺旋轨迹沉降，且轨迹手性由初始条件决定。
2024-06-19 physics.flu-dyn
Benchmark stress tests for flow past a cylinder at higher Reynolds numbers using EMAC
本文针对雷诺数500和1000的圆柱绕流测试问题，考察了Navier-Stokes方程的EMAC形式性能，发现其在最低阶Taylor-Hood单元上优于标准对流形式，但在高阶单元和欠解析网格上可能不稳定。
2025-07-12 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Trapped modes and resonances for thin horizontal cylinders in a two-layer fluid
描述斜波的线性水波问题的精确解在一个淹没的水平圆柱的小横截面（但在其他方面相当任意）在两层流体构造的收敛级数的形式在权力的小参数表征的“薄”的圆柱。这些系列的条款表示通过解决外部诺伊曼问题的拉普拉斯方程描述的流动的无界流体过去的气缸。所获得的解决方案描述的捕获模式对应于离散的本征值的问题（躺在接近的截止频率的连续谱）和共振躺在接近嵌入式截止。我们提出了一定的条件，淹没在上层的圆柱体时，这些共振转换成以前未观察到的嵌入式捕获模式。
2021-07-06 math-ph math.MP physics.flu-dyn
An explicit meshless point collocation solver for incompressible Navier-Stokes equations
本文提出了一种强形式的无网格点配置显式求解器，用于求解二维瞬态不可压缩粘性N-S方程。我们数值求解控制流方程的流函数涡量公式。我们使用一个统一的笛卡尔嵌入网格来表示流域。我们使用无网格点配置（MPC）方法计算空间导数。我们验证了常用的基准问题，包括盖驱动的空腔流，流动后向台阶和圆柱后的旋涡脱落的数值方案的准确性。我们已经研究了所提出的方案的适用性，通过考虑流的情况下，复杂的几何形状，如在管道中的流动与圆柱形的障碍物，在一个分叉的几何形状的流动，和流动过去的复杂形状的障碍物。我们的方法提供了高精度和优良的计算效率所证明的验证例子，同时保持稳定的时间步长相比，在无条件稳定的隐式方法。
2019-06-10 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Constrained Sparse Galerkin Regression
虽然在过去的几十年里，线性系统的降阶和辨识已经取得了很大的进展，但非线性低阶模型的推导仍然是一个挑战性的任务。在这项工作中，我们开发了一个新的数据驱动的框架，通过结合降维技术（例如适当的正交分解）和稀疏回归技术从机器学习，识别非线性降阶模型的流体。特别是，我们扩展了稀疏识别的非线性动力学（SINDy）算法，以执行物理约束的回归，即能量保持二次非线性。所得到的模型（下文称为Galerkin回归模型）结合了Galerkin投影的许多有益方面，但不需要全阶或高保真解算器来投影纳维-斯托克斯方程。相反，最简约的非线性模型是确定的，是与观察到的测量数据一致，并满足必要的约束。Galerkin回归模型也容易推广到包括高阶非线性项，其对截断模式的影响进行建模。Galerkin回归的有效性证明了两种不同的流动配置：二维流动通过一个圆柱和剪切驱动的空腔流。对于这两种情况下，所确定的模型的准确性比较有利的降阶模型从一个标准的Galerkin投影程序。目前的研究结果突出了立方非线性的重要性，在建设中的准确的非线性低维近似的流动系统，这是不能很容易地获得使用标准的Galerkin投影的纳维-斯托克斯方程。最后，我们的约束稀疏Galerkin回归算法的整个代码库可以在线免费获得。
2016-12-23 physics.flu-dyn
Accurate iteration-free mixed-stabilised formulation for laminar incompressible Navier-Stokes: Applications to fluid-structure interaction
稳定化混合速度-压力列式是计算层流不可压Navier-Stokes方程数值解的常用有限元格式之一。在这些公式中，Newton-Raphson格式被用来解决对流项中的非线性。这种方法的一个基本问题是在每个负载/时间步长的Newton-Raphson迭代中产生的计算成本。在本文中，我们提出了一个迭代自由混合有限元制定不可压缩Navier-Stokes方程，保持二阶时间精度的广义α和相关计划的速度和压力场。首先，我们证明了二阶时间精度使用数值收敛研究的一个例子与制造的解决方案。随后，我们通过研究流过固定圆柱体的基准示例来评估所提出的方案的精度和计算效益。为了在更广泛的背景下展示所提出的技术的适用性，还考虑了用于没有稳定化的制剂的inf-sup稳定P2-P1对。最后，所产生的好处，使用所提出的方案的流体-结构相互作用问题的说明使用两个基准的例子在流体-柔性结构相互作用。
2020-06-17 cs.CE physics.flu-dyn
Critical inertia for particle capture is determined by surface geometry at forward stagnation point
本研究揭示颗粒捕获的临界惯性由前驻点表面几何决定，且临界斯托克斯数随雷诺数变化，扁平纤维具有更高尺寸选择性。
2025-02-25 physics.flu-dyn
Molecular transport and flow past hard and soft surfaces: Computer simulation of model systems
采用分子动力学模拟和平均场单链动力学模拟方法研究了硬、软基底上聚合物液体的性质。硬，波纹基板建模FCC的Lennard-Jones固体，而聚合物刷作为一个典型的例子，软，可变形的表面进行了研究。从分子模拟中，我们提取粗粒度的参数，这些参数描述了与衬底接触的液体的平衡和流动性质：表面和界面张力，以及流体动力学边界条件的参数。如此确定的参数进入连续描述，如斯托克斯方程或润滑近似。
2010-05-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Vortex dynamics of accelerated flow past a mounted wedge
本文研究了在均匀和加速流动介质中，通道雷诺数分别为$Re_c=1560$、$6621$和$6873$的复杂流体流动问题。在非均匀直角坐标网格上，采用二阶时空精度紧致有限差分方法对非定常N-S方程进行离散。我们的数值模拟已经很好地捕捉到了Pullin和Perry（1980）的一个著名实验室实验的所有流动特性，并且我们提供了同样的定性和定量评估。此外，参数$m$的影响，控制的加速度的强度，已被详细讨论，随着有趣的后果，无量纲化的N-S方程有关的这种流动。在一个时间跨度上的流动模拟明显大于上述实验室实验是当前研究最值得注意的成就。对于加速流动，剪切层不稳定性的开始导致更复杂的流动向湍流的转变也得到了适当的解决。流动中相干结构的存在验证了我们模拟的质量，我们的模拟与Lian和Huang（1989）关于典型平板加速流动的高雷诺数实验结果的显著相似性也验证了我们模拟的质量。旋涡脱落的所有三个步骤，包括极其复杂的三重结构，都已被相当有效地捕捉到。
2022-11-28 physics.flu-dyn
From Navier-Stokes millennium-prize problem to soft matter computing
克莱数学研究所在2000年提出了七个可能影响和指导21世纪研究进程的未解决的数学问题。Navier-Stokes正则性问题是七大正则性问题之一，至今尚未得到解决。这些方程支配粘性流体的运动，例如液体、气体、凝胶、聚合物。本文是一个关于NSE问题的焦点：回顾过去和当前解决它的努力，以及我们对这些方程不断变化的观点和理解。主要的争论是要么证明Navier-斯托克斯方程（NSE）的解是光滑的，要么证明解在有限时间达到奇点（爆破）;给定一些初始条件。虽然在过去，重点是寻找光滑解的边界，但最近，人们对寻找爆破解的兴趣越来越大。当前的文章将欧拉方程（NSE的一个子类）的图灵完备性置于中心阶段，通过讨论最近的发展，指出流体方程应被视为“计算机程序”的想法。鉴于这种情况下，文章然后认为，看到“连续流体”从一个复杂的概念，因此，作为一个图灵机。这一概念将流体力学学科与“神经形态计算，水库计算”等学科联系起来，并可能导致新兴学科“软物质复杂性，计算和学习”，其中每一个都进行了简要讨论。
2022-12-03 math-ph math.AP math.FA
Subspace Acceleration for Efficient Nonlinear Water Wave Simulation
Technical University of Denmark（丹麦技术大学）
本文提出子空间加速技术，用于高效非线性水波模拟，通过改进初始猜测减少迭代次数，提升计算效率。
2025-11-22 physics.flu-dyn
Stokes flows in three-dimensional fluids with odd and parity-violating viscosities
斯托克斯方程描述了当惯性力与粘性力相比可以忽略时的流体运动。在这篇文章中，我们探讨了宇称破坏和非耗散（即奇）的粘度在三维斯托克斯流的后果。宇称违反粘度是在空间的镜像反射下不恒定的粘度张量的系数，而奇粘度是不有助于机械能耗散的粘度。这些粘度可能出现在从合成和生物活性流体到磁化和旋转流体的系统中。我们首先系统地列举了所有可能的宇称违反粘度兼容的圆柱对称性，突出其连接到潜在的微观实现。然后，使用的分析和数值方法相结合，我们分析了奇偶违反粘度的影响，对Stokeslet的解决方案，在过去的一个球体或一个气泡的流动，并对许多粒子的沉降。在所有的情况下，我们分析，宇称违反粘度引起的方位角流动，即使当驱动力是平行的圆柱对称轴。对于一些沉降颗粒，与传统的斯托克斯流相比，方位流使轨迹弯曲。对于粒子云来说，方位流阻碍了球形云转变成环面，以及随后分裂成更小的部分，否则会发生这种情况。在圆柱对称系统（球、泡、粒子云）中，方位流的存在可以作为实验系统中宇称违反粘度的探针。
2022-01-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A unified framework for N-phase Navier-Stokes Cahn-Hilliard Allen-Cahn mixture models with non-matching densities
本文为具有非匹配密度的N相不可压缩Navier-Stokes Cahn-Hilliard Allen-Cahn混合物模型提出统一框架，该框架源于连续介质混合物理论，具有能量耗散结构且对基本变量选择不变，为探索现有模型联系及计算奠定基础。
2025-03-31 math-ph math.AP math.MP
Passively parallel regularized stokeslets
Stokes流，由G.G. Stokes在1851年描述了许多微观生物流动现象，包括纤毛驱动的运输和鞭毛运动;量化和理解这些流动的需要激发了数十年的数学和计算研究。正则化stokeslet方法，这已被使用和完善，在过去的二十年中，提供了显着的优势，在简单的实施，最近的修改的基础上最近邻插值提供显着的提高效率和准确性。此外，这种方法可以通过内置的线性代数实现大部分计算，这意味着后者中最先进的硬件和软件开发，特别是多核和GPU计算，可以通过对现有MATLAB计算机代码的最小修改（“被动并行”）来利用。因此，并且利用广泛可用的GPU硬件，可以获得正则化stokeslet方法的效率的显著提高。该方法通过对三种模型生物流的计算实验进行了验证：多个C. Elegans，模拟多个精子在几何限制区域中的前进和运输，以及小鼠胚胎腹节中左右对称性破坏粒子的运输。一般而言，观察到效率的数量级改善。这种发展进一步扩大了生物流动系统的复杂性，而无需广泛的代码开发或专业设施。
2020-03-31 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Noise-induced transitions past the onset of a steady symmetry-breaking bifurcation: the case of the sudden expansion
针对受弱噪声作用、经历稳态对称破缺分岔的流体流动，推广多尺度弱非线性展开推导随机受迫Stuart-Landau方程，经突扩流动验证，该降阶模型以低成本准确复现直接数值模拟的统计结果。
2024-03-11 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Generalized fundamental solutions for unsteady viscous flows
本文提出了一系列新的关于广义非定常Oseen流和Stokes流的封闭基本解。这些解被分解成对应于一个纵波和一个横波的两部分。作为应用实例，本文用新的广义基本解计算了低雷诺数下非定常流场中作用在球体或圆柱上的平动流体动力。本文给出了旋转粘性流流过作脉冲运动的球体和作脉冲运动的圆柱体的结果。
2014-03-13 physics.flu-dyn
Modelling of Flow Past Long Cylindrical Structures
湍流在工程和环境中是基本的，但是它们的混沌和三维（3-D）性质使得它们的模拟在计算上昂贵。在这项工作中，降维技术进行了研究，以利用流呈现均匀的方向，如尾流挤压二维（2-D）的几何形状。首先，我们在$Re=10^4$上研究了均匀方向跨度对不可压缩圆柱绕流尾流湍流动力学的影响。据发现，固体壁的存在下诱导3-D结构，即使在高度收缩的域。如果圆柱体跨度为直径的50%或更小，由于跨度短于自然尾流模式B不稳定波长，则三维结构通过大尺度卡门涡快速二维化[.]。有了这个物理的理解，2-D数据驱动的模型，结合3-D的影响，发现在3-D尾流，提出。2-D模型是从一种基于局部展向平均流的新的流分解中推导出来的，产生展向平均纳维尔-斯托克斯（SANS）方程[...]。一个机器学习（ML）模型提供封闭的SANS方程。在先验框架中，ML模型产生了SSR项的准确预测，与完全无法捕获闭合项结构的标准涡粘性模型相反[...]。在后验分析中，虽然我们发现了动力系统长期ML预测的已知稳定性问题的证据，但封闭的SANS方程仍然能够预测尾流指标和诱导力，误差在1- 10%之间。这导致在大约一个数量级的改进，在标准的2-D模拟，同时减少了99.5%的3-D模拟的计算成本。
2020-12-14 physics.flu-dyn
