Assessment of a high-order shock-capturing central-difference scheme for hypersonic turbulent flow simulations
高速湍流在大多数与空间有关的应用（包括勘探、旅游和国防领域）中都会遇到，并且在过去几十年中是一个越来越受关注的主题。对这种流动进行高保真模拟的一个主要挑战在于对所使用的数值方案的严格要求。这些必须足够强大，以处理强大的，不稳定的不连续性，同时确保在平稳流动区域的低数量的固有耗散。此外，广泛的时间和空间的活动尺度导致并发需要数值稳定和准确表示的最小分辨率的流尺度下解决配置的情况下。在本文中，我们提出了一个有限差分高阶激波捕捉技术的基础上詹姆森的人工扩散率的方法。由此产生的计划是九阶精度远离间断，并依赖于人工耗散接近大梯度。冲击检测器略有修改，以提高其选择性，并避免虚假激活的冲击捕获项。一套测试用例，从一维到三维配置（即，激波管，舒-Osher问题，等熵涡平流，欠膨胀射流，可压缩泰勒-格林涡，超音速和高超音速湍流边界层）进行了分析，以测试所提出的数值策略处理各种各样的问题，从热量完美的空气多组分反应流的能力。在欠分辨网格上获得的结果也被认为是隐式大涡模拟的背景下，测试所提出的策略的适用性。
2021-03-30 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Rayleigh-Taylor Unstable Flames: Thin and Thick
Northwestern University（西北大学）；Epsilon Delta Labs（Epsilon Delta实验室）
本文研究了瑞利-泰勒不稳定的火焰结构，发现其可通过自身生成的湍流增厚，但结构不同于湍流火焰。
2026-03-12 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Unstable magnetic reconnection self-generates turbulence
The University of Manchester（曼彻斯特大学）
本研究通过高分辨率模拟揭示了不稳定的磁重联如何自动生成湍流，并展示了湍流能量注入与非线性能量 cascade 的机制。
2026-02-24 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Turbulent flame speed of thermodiffusively unstable flames: experimental investigation and scaling
本文通过本生火焰实验研究热扩散不稳定与湍流的相互作用对火焰传播的增强效应，提出基于Karlovitz数和Lewis数的参数化标度律，成功拟合不同湍流水平下的实验结果并捕捉过渡Lewis数处的急剧转变。
2023-11-29 physics.flu-dyn
Unstable periodic orbits and heteroclinic connections in plane Couette flow
管道、槽道和平面库埃特流的平衡解、行波解和周期轨道解现在可以在雷诺数高于湍流开始时精确计算。这些不变的解决方案捕获壁有界的卷和条纹的复杂动力学，并提供了一个框架，了解低雷诺数湍流剪切流动的动力系统。我们目前的流体动力学视频平面Couette流说明周期性轨道，一个密切的通过湍流的周期性轨道，和不稳定平衡之间的异宿连接。
2008-10-10 physics.flu-dyn
Non-normal energy amplifications in stratified turbulent channels
本研究通过线性响应计算探究分层对湍流通道相干结构放大的影响，发现分层效应仅针对流向拉长大尺度结构，且临界与亚临界理查森数下的结构放大源于同一机制。
2023-06-15 physics.flu-dyn
A derivative-free framework for capturing macroscopic behavior of incompressible turbulent flows
University at Albany - State University of New York（纽约州立大学奥尔巴尼分校）；Dartmouth College（达特茅斯学院）
本文提出一种改进的无导数损失方法，通过解析近似游走粒子局部运动以捕捉方向性拉伸并消除采样噪声，作为多尺度求解器更准确地再现二维湍流的宏观能量谱。
2026-09-16 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Forecasting Fluid Flows Using the Geometry of Turbulence
特别是不稳定的Navier-Stokes方程的解决方案（精确相干结构）的存在和动力学的作用，揭示了在实验室研究中的弱湍流薄，电磁驱动的流体层。我们发现，动力学表现出明确的签名，许多不稳定的平衡解决方案，这是使用从实验和完全解决的数值模拟相结合的流量测量计算。我们证明了这些解决方案的动力学的重要性表明，湍流访问他们的状态空间的邻居反复。此外，我们发现，不稳定的流形与这样一个不稳定的平衡预测的演变湍流在实验和模拟相当长的一段时间。
2016-11-07 nlin.CD nlin.PS physics.flu-dyn
Acoustic radiation of thermodiffusively unstable turbulent lean premixed hydrogen-air flames
Polytechnic University of Bari（巴里理工大学）；CERFACS（法国燃烧研究与交流中心）；Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, IMFT, Université de Toulouse, CNRS（图卢兹大学CNRS图卢兹流体力学研究所）
研究热扩散效应如何影响湍流预混槽喷嘴火焰的燃烧噪声，通过直接数值模拟比较了两种热扩散不稳定稀薄氢气-空气火焰与一种热稳定化学计量甲烷-空气火焰，发现热扩散效应显著改变热释放率波动和火焰表面动态，提出扩展经典火焰let理论的理论框架，揭示火焰拉伸是促进噪声辐射的关键机制。
2026-03-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
On Capturing Laminar/Turbulent Regions Over a Wing Using WMLES
NASA LaRC（美国国家航空航天局兰利研究中心）；Analytical Mechanics Associates（分析力学协会）
本文通过WMLES研究机翼上层流与湍流区域的捕捉，采用不同网格分辨率方法，发现细化近壁网格可提高层流区域的精度，但影响湍流区域的解析。
2026-02-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Passive scalar transport in rotating turbulent channel flow
采用直接数值模拟的方法研究了展向系统旋转条件下槽道湍流中标量输运问题。雷诺数$Re = U_b h/ν$固定为$20\,000$，旋转数$Ro = 2 Ωh/U_b$在0至1.2之间变化，其中$U_b$是整体平均速度，$h$是半通道间隙宽度，$Ω$是旋转速率。标量值是恒定的，但在两个壁不同，导致稳定的标量输运通过通道。旋转导致不稳定的通道侧具有相对较强的湍流和湍流标量输送，以及稳定的通道侧具有相对较弱的湍流或层流，弱湍流标量输送，但大的标量波动和陡峭的平均标量梯度。在稳定通道侧的某些$Ro$处观察到的不同的顺磁层流模式在标量梯度场中诱导类似的模式。研究的主要结论是，旋转降低了标量和速度场之间的相似性，标量动量输运的雷诺类比不适用于旋转湍流槽道流。这是由速度和标量波动之间的相关性降低，并强烈减少湍流普朗特数小于0.2的不稳定通道侧远离壁在较高的$Ro$。在不稳定通道一侧，标量尺度变得比湍流尺度更大，根据光谱和湍流标量通量矢量变得更一致的平均标量梯度由于旋转。预算中的标量能量和标量通量的控制方程，以及其他相关的湍流建模统计。
2017-10-30 physics.flu-dyn
A physics-based shock capturing method for large-eddy simulation
提出了一种用于湍流大涡模拟的激波捕捉方法。所提出的方法依赖于物理机制来解决和平滑尖锐的未解决的流动特征，否则可能导致数值不稳定，如冲击波和欠分辨的热和剪切层。为此，我们设计了各种传感器来检测何时何地流体的剪切粘度、体积粘度和热导率不足以稳定数值解。在这种情况下，流体粘度选择性地增加，以确保单元Peclet数是一阶的，使得这些流动特征可以用网格分辨率很好地表示。虽然激波捕捉方法是在间断Galerkin方法的背景下设计的，但它可以与其他离散格式一起使用。通过对跨音速、超音速和高超音速区域内外流和内流的数值模拟，说明了该方法的性能。对于所考虑的问题，激波捕获方法执行鲁棒性，提供尖锐的激波轮廓，并已解决的湍流结构的影响很小。这三个特征对于实现激波流的鲁棒和精确的大涡模拟是至关重要的。
2018-06-17 nlin.CD physics.comp-ph physics.flu-dyn
A continuous pathway between the elasto-inertial and elastic turbulent states in viscoelastic channel flow
我们表明，粘弹性平面Poiffille流成为线性不稳定的惯性的情况下，在高弹性的限制，超稀聚合物溶液。虽然无惯性弹性不稳定性已被预测为曲线剪切流，这是有史以来第一次报告的纯弹性线性不稳定性的直线剪切流。新的不稳定性继续上升到一个雷诺数（$Re$）的$O(1000)$，对应于最近确定的弹性惯性湍流状态被认为是最大阻力减少制度的基础。因此，对于高弹性超稀聚合物溶液，一个单一的线性不稳定的模态分支可能是过渡到弹性湍流在零$Re$，并在中等$Re$的弹性惯性湍流，这意味着连续的路径的存在，连接的湍流状态彼此，并层流的基础状态。
2021-03-11 physics.flu-dyn
Coarse graining the state space of a turbulent flow using periodic orbits
我们表明，在正弦强迫下的三阶周期域中的三维纳维-斯托克斯方程的模拟中出现的湍流动力学可以被描述为对不稳定的时间周期解的邻域的瞬态访问。基于这种描述，我们减少了原来的系统与更多的$10^5$自由度到一个17节点的马尔可夫链，其中每个节点对应于一个周期轨道的邻域。该模型准确地再现长期平均系统的观测值作为加权和周期轨道。
2021-05-11 nlin.CD physics.flu-dyn
Revealing the state space of turbulent pipe flow by symmetry reduction
本文将对称性约化方法应用于管流中，以商化湍流态的流向平移对称性和方位旋转对称性。在简化的状态空间中，所有的行波解都简化为平衡态，所有的相对周期轨道都简化为周期轨道。这些解决方案和他们的不稳定的流形从他们的$\infty$维简化状态空间到适当选择的2-或3-维子空间的投影揭示了他们的相互关系和他们在组织湍流壁有界剪切流中发挥的作用。可视化的切片内的流动和其在平衡的线性化，使我们能够跟踪出不稳定的流形，确定密切递归，确定不同的行波解之间的连接，并发现，第一次为管流，相对周期性的轨道，嵌入在混沌吸引子，捕获湍流动力学在过渡雷诺数。
2012-03-16 physics.flu-dyn
Energy stability analysis of turbulent incompressible flow based on the triple decomposition of the velocity gradient tensor
在流动可视化的背景下，Kolar在2007年提出了将速度梯度三重分解为无旋应变流、剪切流和刚体旋转流[V.Kolar，International journal of heat and fluid flow，28，638，（2007）]，其最近重新受到关注。三重分解开启了纳维-斯托克斯方程的精细能量稳定性分析，并对湍流的结构、可计算性和规律性的数学分析产生影响。本文对不可压缩湍流进行了能量稳定性分析，指出在宏观尺度上，任何指数不稳定的无旋应变流结构都将迅速演化为线性不稳定的剪切流和稳定的刚体旋转流。这种情况下，不排除无旋应变流接近Kolmogorov微尺度，因为有粘性耗散稳定的不稳定的流动结构。与最坏情况下的能量稳定性估计相反，这种精细的稳定性分析反映了在较长时间内湍流中稳定流动结构的存在。
2021-08-23 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Pre-unstable set of multiple transient three-dimensional perturbation waves and the associated turbulent state in a shear flow
为了理解谱表示是否以及在多大程度上可以有效地突出不同尺度之间的非线性相互作用，有必要考虑流动中不稳定性和湍流发生之前的状态。在这种情况下，系统仍然是稳定的，但是会受到任意3D小扰动的影响。这些可以到达任何时刻，然后经历一个短暂的演变，这是排除了与Navier-Stokes线性化制剂的初始值问题。三维小扰动的集合构成了一个多个空间和时间尺度的系统，该系统受到包括在扰动纳维-斯托克斯方程中的所有过程的影响：线性化对流输送、线性化涡旋拉伸和倾斜以及分子扩散。撇开不同尺度之间的非线性相互作用，这些特征等同于湍流状态的特征。本文确定了作用在一个典型剪切流即钝体尾流上的任意纵向和横向扰动的惯性范围的指数。然后，我们比较了目前的结果与相应的发展湍流状态的指数（臭名昭著的等于-5/3）。对于纵向扰动，我们观察到在惯性范围内的衰减率为-3，通常在二维湍流中遇到。相反，对于纯3D扰动，能量以-5/3的因子减小。如果我们考虑纵向和横向扰动波的组合，对于较大的波数（[50，100]），能谱似乎有-3的衰减，而对于较小的波数（[3，50]），衰减的数量级为-5/3。我们可以得出结论，惯性范围的指数值具有更高的普适性水平，这是不一定与非线性相互作用。
2010-10-06 physics.flu-dyn
Rayleigh-Taylor Unstable Flames -- Fast or Faster?
瑞利-泰勒（RT）不稳定火焰在Ia型超新星爆炸中起着关键作用。然而，这些火焰的动力学仍然没有得到很好的理解。RT不稳定火焰受火焰前缘的RT不稳定性和RT产生的湍流的影响。这些因素的共存复杂的火焰速度亚网格模型的选择全明星Ia型模拟。这两个过程都可以拉伸和起皱火焰表面，增加其面积，从而增加燃烧速率。在过去的研究中，亚网格模型已经基于RT不稳定性或湍流设置火焰速度。我们评估这两个模型，检查他们的假设和正确预测湍流火焰速度的能力。具体来说，我们分析了RT不稳定模型火焰的三维直接数值模拟的大参数研究。这项研究改变了模拟域的宽度和重力，以探测范围广泛的火焰行为。我们表明，RT不稳定火焰是不同于传统的湍流火焰：他们是薄的，而不是厚的湍流更强时。我们还表明，没有几种不同类型的湍流火焰速度模型准确地预测测量火焰速度。此外，我们发现，RT火焰速度模型只能正确地预测在一定的参数制度的测量火焰速度。最后，我们提出，尖点的形成可能是导致火焰传播速度比RT模型预测的更快的因素。
2015-04-30 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Topography generation by melting and freezing in a turbulent shear flow
我们报告了一个理想化的数值研究的融化和冻结固体附近的湍流，浮力影响的剪切流，为了提高我们的理解地形生成的环境中的相变。我们使用相场法来动态耦合固体的热方程和流体的纳维-斯托克斯方程。本文研究了压力驱动的湍流上初始平坦水平固体边界的演化。我们假设一个线性状态方程的流体和改变的热膨胀系数的符号，这样的背景密度分层是稳定的，中性或不稳定的。我们发现，与平均流的方向对齐的通道是由流体-固体界面处的相变自发产生的。流体中的流向涡、界面形貌和固体中的温度场相互影响并调整，直到获得统计稳定状态。在所有情况下，通道的波峰到波谷振幅都大于约10 $δ_ν$，其中$δ_ν$是粘性长度尺度，但不稳定分层比中性或稳定分层大得多且更持久。这是因为稳定的分层使冷熔体流体漂浮，使得其屏蔽通道免于进一步熔化，而不稳定的分层使冷熔体流体下沉，通过上升的热羽流引起进一步熔化。流速和熔化速率的统计数据进行了研究，我们发现，在我们的模拟通道和龙骨出现不显着改变的平均阻力系数。
2020-10-09 physics.flu-dyn
Scaling Laws for Thermodiffusively Unstable Lean Premixed Turbulent Hydrogen-Air Flames
RWTH Aachen University（亚琛工业大学）；Loughborough University（拉夫堡大学）；Vrije Universiteit Brussel（布鲁塞尔自由大学）；Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）；Norwegian University of Science and Technology（挪威科技大学）；SINTEF Energy Research（辛特夫能源研究）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）；Newcastle University（纽卡斯尔大学）
研究了湍流氢气-空气火焰中热扩散不稳定性对火焰结构和局部反应性的影响，通过91个DNS案例评估了两种模型，并提出改进的公式，揭示了两种不同区域的尺度行为。
2026-03-27 physics.flu-dyn
Drag reduction utilizing a wall-attached ferrofluid film in turbulent channel flow
本研究探讨了在湍流通道流中利用壁面附着铁磁流体薄膜减阻，通过2D-PTV和界面追踪算法发现，即使界面形成不稳定行波，小波幅利于减阻，大波幅下滑移效应仍能克服湍流脉动实现整体减阻。
2024-01-24 physics.flu-dyn
Underlying mechanism of numerical instability in large eddy simulation of turbulent flows
本文扩展了我们最近的理论工作，涉及使用大涡模拟稳定和精确计算湍流的可行性[Ida和Taniguchi，Phys.Rev.E68，036705（2003）]。在我们以前的论文中，它被证明，基于一个简单的假设，瞬时流向速度，高斯滤波器的应用程序的不可压缩的纳维-斯托克斯方程可以导致出现一个数值不稳定的条款，可以分解为积极和消极的粘度。这一结果提出了一个问题，即是否可以通过一个数值稳定的亚网格尺度模型实现精确的解决方案。在本文中，基于统计平均速度的假设，我们提出了类似的理论研究表明，在几种情况下，剪切出现在统计平均速度场数值不稳定的波动分量，因为推导出一个数值不稳定的长期代表在一个固定的方向负扩散。这一发现可以解释有壁流动的大涡模拟中遇到的数值不稳定性问题。本文的结果表明，这种数值问题在大涡模拟中具有普遍性，如果模拟没有失败，得到的亚网格尺度模式仍然具有不稳定性，即现有的几种亚网格尺度模式的已知不稳定性问题不是可以简单地通过人工技术消除的，而是必须认真对待，以便准确地处理它们。
2004-04-13 nlin.CD physics.comp-ph physics.flu-dyn
Bifurcation structure of unstable periodic orbits in plane Couette flow with the Smagorinsky model
为了深入研究发展平面Couette湍流的动力学行为，本文采用Smagorinsky型涡粘性模型，研究了大涡模拟（LES）系统中不稳定周期轨道（UPO）的分岔结构.以Smagorinsky常数为分岔参数，我们检测了Navier-Stokes系统中两个已知不稳定轨道的分岔点[G. Kawahara和S. Kida，J.流体机械，449，291- 300（2001）]。在中等高雷诺数下，本研究的LES UPO具有展向涡，这似乎是由条纹不稳定性引起的，并出现在通道的中心区域。我们注意到，据我们所知，在壁面流动的UPO分析中还没有报道过展向涡。LES UPO的展向涡的拉伸增强了流向湍流动量的传递，如在发达的近壁湍流中一样。
2021-08-03 nlin.CD physics.flu-dyn
An entropy stable spectral vanishing viscosity for discontinuous Galerkin schemes: application to shock capturing and LES models
我们提出了一个稳定的谱消失粘性间断Galerkin格式，湍流和超音速流动的应用。SVV背后的想法是在空间上过滤耗散通量，使得其集中在较高的波数中，其中流动通常是欠分辨的，留下低波数无耗散。此外，我们推导出一个稳定的近似的Guermond-Popov通量与Bassi-Rebay 1计划，用于引入密度正则化的冲击捕获模拟。这种过滤使用的Cholesky分解的通量，确保该计划的熵稳定性，其中还包括一个稳定的近似绝热壁的边界条件。对于湍流，我们测试的方法与三维泰勒-格林涡，并显示能量被正确地耗散，该计划是稳定的，当一个动能保持分裂形式与低耗散黎曼解算子结合使用。最后，我们测试了我们的方法与Shu-Osher和超音速前向台阶的情况下，没有寄生振荡，即使粗网格的冲击捕获能力，获得良好的结果。
2022-09-16 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Capturing shocks and turbulence spectra in compressible flows. Part 2: A new hybrid PPM/WENO method
在本论文的第1部分中，通过研究几种不同的低阶和高阶有限体积法在捕获可压缩流的湍流谱方面的能力，对它们的性能进行了评估，在可压缩流中，小的光滑湍流结构与激波和不连续性相互作用。比较结果表明，二阶Goddom方法与PPM插值提供的结果几乎相同的四阶WENO计划，但在一个显着较低的成本。然而，它表明，PPM方法未能提供一个准确的表示在高频范围内的频谱。在本论文中，我们表明，这个特定的问题来自于斜率限制程序和一种新的混合PPM/WENO方法的开发，它有能力捕捉湍流谱的准确性正式高阶方法，但在成本的二阶Goddom方法。总体而言，它表明，几乎相同的物理解决方案，可以得到更快地通过细化模拟与二阶方法和精心选择的数值程序，而不是运行一个粗糙的高阶模拟。
2020-03-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Capturing the Edge of Chaos as a Spectral Submanifold in Pipe Flows
本文利用谱子流形理论从速度数据构建管流混沌边缘的低维流形，并通过低维降阶模型预测湍流或层流化转变。
2023-11-12 nlin.CD physics.flu-dyn
Capturing multiscale interactions in fluid flow via Lagrangian coherent structures and modal analysis
University of Southern California（南加州大学）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Stanford University（斯坦福大学）；University of Washington（华盛顿大学）
本文通过拉格朗日相干结构和模态分析方法，研究流体流动中多尺度相互作用的动态机制，提供对模态分解的深入物理理解。
2026-08-13 physics.flu-dyn
Tracer density discontinuities in turbulent flows: simple model and scaling laws
充分发展的不可压缩湍流中的混合会导致被动标量场的不连续前沿的级联。开发了贝克地图的一维（1D）变体，捕捉了导致这些不连续性出现的主要机制。对于这个一维模型，不连续锋的高度分布函数和结构函数标度指数$ζ_p$的表达式推导[对于柯尔莫哥洛夫湍流，$ζ_p=\frac 23\log_3(p+1)$ ]。这些分析结果与我们的一维模拟，以及早期的数值和实验研究的结果是在一个很好的协议。
2007-10-26 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Exact coherent structures and shadowing in turbulent Taylor-Couette flow
我们研究了一个理论框架的基础上精确相干结构（ECS）的形式主义的流体湍流建模。虽然很有希望，现有的证据表明，ECS在湍流中的作用主要是间接的，主要来自理想化的数值模拟。特别是，目前还不清楚是否在实验中的三维湍流阴影任何ECS。为了最终回答这个问题，一个层次的ECS应计算域和边界条件完全匹配的实验。本研究在这个方向上迈出了第一步，通过调查一个小的纵横比泰勒-库埃特流与自然周期性边界条件的方位角方向。我们描述的结构的混沌集的基础湍流驱动的反向旋转的圆柱体和提出直接的数值证据的阴影的收集不稳定的相对周期轨道和行波，设置阶段的框架进一步的实验测试。
2021-05-05 nlin.CD nlin.PS physics.flu-dyn
Unified Friction Formulation from Laminar to Fully Rough Turbulent Flow
本文给出了一个新的牛顿流体统一公式，适用于从层流到完全粗糙湍流的所有管流状态。它包括层流、从层流到湍流的不稳定突变以及所有类型的湍流区：光滑湍流区、部分不完全发展的湍流区和完全发展的粗糙湍流区。该公式遵循尼库拉泽实验中提出的曲线的曲折形式，而不是科尔布鲁克和怀特提出的单调形状。建议的统一公式的组成包括开关功能和层流，光滑湍流和完全粗糙的湍流的可互换的公式。建议的切换功能提供了一个平滑和计算便宜的过渡之间的液压制度。因此，这里提出的配方代表了一个连贯的水力模型，适合工程使用。该模型与现有的文献模型进行比较，并显示出平滑和计算便宜的水力制度之间的过渡。
2018-10-01 physics.flu-dyn
Laminar-turbulent boundary in plane Couette flow
我们应用迭代边缘状态跟踪算法研究Re=400时平面Couette流中层流和湍流动力学之间的边界。扰动不足以成为完全湍流，也不足以弱到再层化倾向于在状态空间中的双曲相干结构，称为边缘状态，这似乎是唯一的明显的连续移位对称性。结果表明，当不动点只有一个不稳定方向时，对于面内Couette流的下分支解，迭代边缘跟踪算法收敛于此状态.他们还表明，初始状态的选择并不重要，基本上任意的初始条件可以用来找到边缘状态。
2008-05-07 physics.flu-dyn
Stability and angular-momentum transport of fluid flows between corotating cylinders
角动量的湍流输运是解释天体物理盘吸积的必要过程。虽然在实验中已经测试了盘状流的流体动力稳定性，但结果是矛盾的，并且建议层流或湍流。这里报道的直接数值模拟表明，目前研究的实验室流动是流体动力学不稳定的，并成为湍流在低雷诺数。潜在的不稳定性源于轴向边界条件，影响全局流动，并增强角动量输运。
2012-03-22 physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of thermo-diffusively unstable premixed hydrogen-air flames in a fully-developed turbulent channel flow at $Re_τ=530$
Technical University of Darmstadt（达姆施塔特工业大学）；SINTEF Energy Research（辛特夫能源研究）；Norwegian University of Science and Technology（挪威科技大学）
研究在完全发展湍流通道流中通过DNS分析热扩散不稳定性对预混氢气-空气火焰传播的影响，揭示TD现象与壁湍流的协同作用对火焰速度的增强机制。
2025-11-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Statistics of an Unstable Barotropic Jet from a Cumulant Expansion
研究了旋转球上正压气流的低阶等时统计特性。流动由线性松弛驱动，朝向不稳定的纬向急流。对于相对较短的弛豫时间，流动由临界层波主导。对于足够长的弛豫时间，流动是湍流。从二阶累积展开得到的统计数据进行比较，在直接数值模拟中积累的，揭示了不同的弛豫时间的扩展的优势和局限性。
2007-11-01 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.ao-ph
Multistability and memory effect in a highly turbulent flow: experimental evidence for a global bifurcation
我们报告了一个实验证据的全球分歧的高度湍流冯卡门流。平均流提出了多个解决方案：规范对称的解决方案变得稍微不稳定的流动，甚至在非常大的雷诺数打破了基本对称的驱动装置。这些状态之间的全局分叉是高度亚临界的，因此系统保持其历史的记忆。该跃迁使人想起低维动力系统的跃迁，并表现出非常特殊的统计特性。我们从两个方面讨论湍流的作用：流体动力学解的多重性和波动对过渡性质的影响。
2004-09-22 physics.flu-dyn
Revealing the state space of turbulence using machine learning
尽管湍流的表面复杂性，确定一个更简单的描述的基础动力系统仍然是一个根本的挑战。正如霍普夫在1948年所设想的那样，利用某种有效的表示法来捕捉湍流如何在相空间中的不稳定状态（简单不变解）之间蜿蜒流动，这是实现这一目标的最好希望，尽管识别这些状态存在固有的困难。在这里，我们通过证明深度卷积自动编码器可以识别与表征湍流吸引子的简单不变解密切相关的二维湍流的低维表示，向这一目标迈出了重要的一步。为了建立这一点，我们开发了潜傅立叶分析，将流嵌入分解成一组正交的潜傅立叶模式，这些模式解码成类似于简单不变解的物理上有意义的模式。通过分析$Re=40$的湍流Kolmogorov流（在大尺度下被迫在2D环面上流动），突出了这种方法的实用性，其中，在间歇性突发之间，流动驻留在不稳定状态的附近，并且是非常低维的。到个人的潜在傅立叶波数的投影揭示了简单的不变的解决方案，组织静态和爆裂的动态系统的方式无法访问以前的方法。
2020-09-17 physics.flu-dyn
Turbulent 2.5 dimensional dynamos
我们研究由具有形式（u（x，y，t），v（x，y，t），w（x，y，t））的三个分量的湍流二维流驱动的发电机不稳定性，有时称为2.5维流。这种类型的流动提供了一种近似的非常快速的旋转流动经常观察到的性质。系统的低维数允许调查范围广泛的流体雷诺数Re，磁雷诺数Rm和强制长度尺度相对于域的大小，仍然是禁止的全三维数值模拟。因此，我们能够确定的发电机开始作为一个功能的Re和最不稳定的模式在大Rm极限的渐近行为的属性。特别是它已被证明：在一个非螺旋流在一个无限域的临界磁雷诺数Rmc成为一个常数在大Re限制。螺旋流总是导致发电机与平均场的预测一致。对于薄层的螺旋和非螺旋流的RMC规模作为一个幂律的Re。当Re和Rm足够大时，最快增长模的增长率变得与Re和Rm无关。在这个极限中，最不稳定的长度尺度与强迫长度尺度成线性关系。因此，虽然平均场的预测是有效的，他们预计不会占主导地位的大Rm限制。
2015-12-12 physics.flu-dyn
Periodic orbits exhibit oblique stripe patterns in plane Couette flow
过渡平面Couette流的时空混沌动力学可以产生规则的平行层流条纹图案，其具有大尺度图案波长和相对于层流方向的倾斜取向。最近的斜条纹图案的动力系统分析表明，纳维-斯托克斯方程具有不稳定的平衡解，该平衡解捕获斜条纹图案的三维空间结构。在这里，我们确定不稳定的周期性轨道，不仅表现出倾斜的大规模振幅调制，但也有一个特征的时间演化，不同于稳定的平衡解决方案。周期性轨道表示在粘性扩散时间尺度上缓慢地传播穿过流动中的波状速度条纹的驻波。不稳定的周期轨道嵌入在平面Couette流的对称子空间中的混沌的边缘，从而可以调解过渡到和从湍流与斜图案。
2019-12-20 nlin.PS physics.flu-dyn
Hyperbolicity, shadowing directions and sensitivity analysis of a turbulent three-dimensional flow
本文用可压缩流动模拟方法分析了雷诺数525和马赫数0.1条件下弱湍流三维圆柱绕流的双曲性、阴影方向和敏感性。通过计算前40个协变李雅普诺夫向量（CLV），我们发现，不稳定的CLV是活跃的近尾区，而稳定的CLV是活跃的远尾区。这种现象与双曲性有关，因为它表明CLV指向不同的方向;它还表明，对于开放流，有很大一部分CLV是稳定的。然而，由于额外的中性CLV和CLV之间偶尔的相切，我们的系统是不一致的双曲。利用非侵入式最小二乘阴影算法，计算了长时间平均目标的阴影方向和灵敏度。我们的结果表明，跟踪方法可能对一般的混沌流体问题有效。
2019-06-25 nlin.CD physics.comp-ph physics.flu-dyn
Wall-modelled large-eddy simulation of turbulent channel flow with unstable stratification
Institute of Extreme Mechanics, School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University（西北工业大学航空学院极端力学研究所）；National Key Laboratory of Aircraft Configuration Design, Key Laboratory for Extreme Mechanics of Aircraft of Ministry of Industry and Information Technology（飞机总体设计全国重点实验室、工业和信息化部飞机极端力学重点实验室）
本研究提出浮力修正的对数-二次壁面模型，用于不稳定分层湍流槽道流动的壁面模化大涡模拟，在高达Reτ≈6000和Ra=10^10下显著减少网格数量，并准确预测平均速度、温度及全局输运量。
2026-09-22 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Probabilistic neural networks for predicting energy dissipation rates in geophysical turbulent flows
基于海洋观测数据，提出了一个概率神经网络（PNN）模型，用于计算密度分层湍流中由速度梯度和密度梯度组成的垂直柱的湍流能量耗散率。我们在衰减湍流的高分辨率模拟上对模型进行训练和测试，该模型旨在模拟与海洋中发现的地球物理条件相似的地球物理条件。PNN模型优于广泛用于计算垂直切变海洋观测耗散率的基线理论模型，在湍流衰减过程中，在多个不同时间点捕获输出分布的尾部时更加稳健。差分灵敏度分析表明，这种改善可能是由于网络的能力，以捕捉额外的底层物理引入的密度梯度流。
2021-12-02 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Capturing Velocity Gradients and Particle Rotation Rates in Turbulence
湍流流体流动表现出复杂的小尺度结构，经常出现极端的速度梯度。粒子探测这种漩涡和应变区域的响应与一个复杂的形状依赖的取向动力学，这敏感地依赖于粒子的历史。在这里，我们系统地开发了一个降阶模型的小尺度动力学的湍流，它捕获沿粒子路径的速度梯度统计。由此产生的随机动力系统的分析，可以精确定位的出现非高斯统计和非平凡的时间相关性的涡度和应变，如先前报道的实验和模拟。基于这些见解，我们使用我们的模型来预测湍流中各向异性颗粒的取向统计，从而实现复杂颗粒流的大量建模应用。
2020-11-27 physics.flu-dyn
Statistics and structure of spanwise rotating turbulent channel flow at moderate Reynolds numbers
通过直接数值模拟研究了展向系统旋转条件下充分发展的平面槽道湍流。为了研究雷诺数和展向旋转对通道流动的影响，雷诺数$Re = U_b h/ν$从低3000变化到中等$31\,600$，旋转数$Ro = 2 Ωh/U_b$从0变化到2.7，其中$U_b$是平均体积速度，$h$是通道半间隙，$Ω$是系统旋转速率。在较高的$Re$下，平均流向速度剖面也呈现出与$2 Ω$相近的斜率特征线性部分，湍流动能产生率和耗散率剖面也出现相应的线性部分。随着$Ro$的增加，通道中出现了具有大的展向和壁面法向雷诺应力的明显不稳定侧和具有弱得多的湍流的稳定侧。流动开始在通道的稳定侧重新分层，并且在较高的$Re$下出现持续的顺层模式。如果$Ro$进一步增加，稳定侧的流动将变成层流状，而在更高的$Ro$下，整个流动将重新层化，尽管平静期可能会被反复的湍流爆发所破坏，如Brethouwer（2016）所解释的那样。雷诺数的影响是相当大的，特别是在通道的稳定侧上，其中速度波动更强，并且在较高的$Re$下流动重新层化不太快。可视化和统计表明，在$Ro=0.15$和0.45时，不稳定侧出现大尺度结构和大反向旋转流向滚转胞。当$Ro$升高时，尤其是在较高的$Re$时，这些变化变得不那么明显并最终消失。在高$Ro$时，最大的能量结构在低$Re$时更大。
2017-10-30 physics.flu-dyn
Momentum transport and torque scaling in Taylor-Couette flow from an analogy with turbulent convection
我们概括了旋转剪切流和分层剪切流之间的类比。表1中总结了这种类比。我们在不稳定的情况下使用这种类比（离心不稳定流与离心不稳定流）。对流），以计算泰勒-库埃特配置中的扭矩，作为雷诺数的函数。在低雷诺数下，当大部分耗散来自平均流时，我们预测无量纲扭矩$G=T/ν^2L$，其中$L$是圆柱长度，与雷诺数$R$和间隙宽度$η$，$G=1.46 η^{3/2} (1-η)^{-7/4}R^{3/2}$成比例。在较大的雷诺数下，速度波动在耗散中变得不可忽略。在这些区域中，扭矩与雷诺数之间没有精确的幂律关系。相反，我们得到对数校正经典的超硬（指数2）制度：$$ G=0.50\frac{η^{2}}{(1-η)^{3/2}}\frac{R^{2}}{\ln[η^2(1-η)R^ 2/10^4]^{3/2}}.$$这些预测被发现是在良好的协议与现有的实验数据。还提供了速度波动缩放的预测。
2011-06-08 cond-mat.other physics.flu-dyn
Absolute linear instability in laminar and turbulent gas/liquid two-layer channel flow
本文研究了两相分层流动，其中底层是薄层液体，上层是充分发展的气体流。气流可以是层流或湍流。为了确定对流和绝对不稳定之间的边界，我们使用Orr-Sommerfeld稳定性理论，以及线性模态分析和射线分析的组合。对于湍流气流，密度比r=1000，我们发现大区域的参数空间，产生绝对不稳定。这些参数范围涉及与油/气流直接相关的粘度比。相反，如果气体层是层流的，则对于密度比r=1000，绝对不稳定性持续存在，尽管对流/绝对稳定性边界出现在比湍流情况小一个数量级的粘度比处。另外两个不稳定的时间模式存在于层流和湍流的情况下，其中之一可以排除绝对不稳定。我们将我们的结果与实验确定的流态图进行比较，并讨论了本方法在非线性分析中的潜在应用。
2012-08-03 physics.flu-dyn
Fast magnetic field amplification in the early Universe: growth of collisionless plasma instabilities in turbulent media
在这项工作中，我们报告的宇宙磁场放大由于碰撞等离子体不稳定性的数值研究。无碰撞磁流体动力学方程推导帐户的压力各向异性，导致在特定条件下，消防水龙带和镜像不稳定性。我们研究了在这种不稳定性的影响下，湍流中种子场的时间演化。给出了磁场随时间演化的近似解析解。数值模拟和分析预测进行了比较。我们发现：（1）磁场的放大作用在水龙带不稳定湍流区是有效的，而在镜像不稳定模型中则不是有效的;（2）磁能密度的增长速率比湍流发电机快得多;（3）有效的放大作用发生在小尺度上。通过数值模拟证实了生长时间尺度与压力各向异性比之间的相关性的解析预测。这些结果加强了这样一种观点，即压力各向异性-在湍流无碰撞介质中自然驱动，例如星系际介质-可以有效地放大早期宇宙（后重组时代）的磁场，在第一个大尺度引力结构崩溃之前。这种机制虽然对于小尺度场（$\sim$ kpc尺度）是快速的，但是不能在大尺度下提供相对强的磁场。此处未考虑的其他机制（例如，一旦不稳定性被淬灭，碰撞湍流，速度剪切，或引力诱导的气体流入星系和星系团）可以在之后的长期演化中建立大尺度相干场结构。
2015-06-21 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.flu-dyn
Capturing Extreme Events in Turbulence using an Extreme Variational Autoencoder (xVAE)
本文提出极端变分自编码器（xVAE），将重尾分布的最大无穷可分过程嵌入VAE框架，用于准确建模湍流中的极端事件，并在野火羽流大涡模拟中验证其优于POD的极端值捕捉能力和不确定性量化性能。
2025-02-07 physics.flu-dyn stat.AP stat.ML
Effect of confinement on the transition from 2D to 3D fast rotating flows
本文通过直接数值模拟研究大尺度摩擦约束下快速旋转二维湍流的三维线性失稳，揭示离心型与参数型不稳定性阈值、模态标度及纵横比影响。
2023-05-20 physics.flu-dyn
Secret Hidden in Navier-Stokes Equations: Singularity and Criterion of Turbulent Transition
本文导出了时均流纳维-斯托克斯方程的一种新的表述形式，并精确地找到了纳维-斯托克斯方程中可能存在的奇点，指出层流向湍流的转变必须通过这个奇点来实现。对于压力驱动流，该奇点对应于速度分布上的拐点。研究发现，对于不可压缩压力驱动流动，流动的稳定性取决于总机械能梯度的方向。当这个方向更接近流线的法线方向时，流动更不稳定。进一步证明了时均纳维-斯托克斯方程中奇异性的存在是湍流转捩的充分必要条件。在湍流转捩中，可以观察到扰动的作用是促使流动接近产生这个奇点。这些结果是能量梯度理论的重要组成部分。
2014-12-28 math.AP nlin.CD physics.flu-dyn
Subcritical transition and multistability in liquid metal magnetoconvection with sidewalls
该研究揭示液态金属磁对流在侧壁存在时，转变实际为亚临界，由亚临界分支控制湍流路径，并决定湍流平均流的空间对称性。
2025-10-08 math.DS physics.flu-dyn
Turbulent patterns in wall-bounded flows: a Turing instability?
在它们的方式/从湍流，平面壁有界流动显示一个有趣的过渡制度，层流和湍流斜带交替，其起源仍然是神秘的。根据Barkley最近关于管流过渡的工作，考虑了平面Couette流，并将Waleffe的经典四变量自持过程模型转化为反应扩散模型。我们表明，在履行其变量的相对扩散率的条件下，无特征的湍流制度成为不稳定的图案作为一个图灵不稳定性的结果。一个简化的双变量模型可以帮助我们描绘出参数空间的适当区域。因此，第一次将{ \it内在}状态赋予图案的波长。美德和模型的局限性进行了讨论，呼吁微观的现象学方法的支持。
2012-05-25 nlin.PS physics.flu-dyn
Laminar gaps mirror turbulent puffs in pipe flow
Technion Israel Institute of Technology（以色列理工学院）；University of Warwick（华威大学）
该研究通过直接数值模拟发现，管道流中Re≈2900以下的层流间隙是与湍流泡类似的独特动力学状态，由剪切自调节机制稳定，寿命呈指数分布，其消失对应时空均匀湍流的起始。
2026-08-06 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Nonaxisymmetric instabilities in turbulent electromagnetic pumps
采用三维直接数值模拟方法研究了环形电磁泵的稳定性。当感应效应主导耗散过程时，线性感应电磁脉冲变得不稳定，并导致非轴对称状态相对不同于以前的理论模型所预测的。我们表明，三维不稳定的流是深深连接到轴对称状态，总是出现作为一个局部失速流的二次分叉，即使所施加的磁场是轴对称的。最后，我们建立了一个旨在优化泵效率的配置模型，通过在泵的两侧（内缸和外缸）施加电流。这种构造提高了泵的效率，但是产生了复杂的动力学，其与位于泵的活动区域中的大涡流的周期性振荡相关联。最后，我们证明了这种电磁泵的效率存在一个上限，它永远不会超过50%。
2019-12-13 physics.flu-dyn
Onset of three-dimensionality in rapidly rotating turbulent flows
本研究针对快速旋转湍流的二维-三维转捩阈值问题，通过对二维湍流基态做线性稳定性分析、借助GPU实现高雷诺数参数扫描，揭示了不同雷诺数区间的两类失稳机制。
2021-01-08 physics.flu-dyn
