Non-equilibrium statistical mechanics of turbulence
流体动力学湍流的宏观研究在抽象的层次上等同于对适当的机械系统的热流的微观研究。湍流波动（湍流度）则对应于热波动，这允许估计与耗散波动和速度波动的时刻相关联的指数τ_p和zeta_p。这一办法是在早先的一份说明中提出的，在此将更加谨慎地加以采用。特别是，我们推导出在有限雷诺数的耗散和速度波动的概率分布，后者允许解释的数值实验。具体地说，如果p（z）dz是径向速度梯度的概率分布，我们可以解释为什么当雷诺数增加时，log p（z）从凹曲线变成线性曲线，然后变成凸曲线。我们表明，中心极限定理适用于耗散和速度分布函数，使逻辑关系与对数正态理论的Kolmogorov和Obukhov的建立。然而，我们发现，对数正态分布函数的行为失败的大值的参数，使对数正态理论不能正确地预测指数τ_p和zeta_p。
2014-05-22 physics.flu-dyn
Modeling Statistical Properties of Solar Active Regions through DNS of 3D-MHD Turbulence
太阳光球湍流磁场的统计特性，特别是活动区（AR）的统计特性，已经使用SOHO和其他几种仪器拍摄的磁图的视线数据进行了研究（例如，参见Abramenko等人（2002，2003），Abramenko和Yurchyshyn（2010））。这包括结构函数及其指数、平坦度曲线和关联函数。在这些工作中，结构函数指数（$ζ_p$）的顺序的结构函数（$\it{p}$）的依赖性建模使用非间歇K41模型。现在众所周知，AR是高度动荡的，并与强间歇性事件有关。在本文中，我们比较了Abramenko等人（2003）的一些观察结果与用于模拟间歇性MHD湍流的对数泊松模型（Biskamp 2003）。接下来，我们分析的结构函数数据从直接数值模拟（DNS）的均匀，不可压缩的三维MHD湍流在三种情况下：持续强迫，自由衰减和流动最初驱动，后来允许衰减（情况3）。相应的DNS复制了AR的$ζ_p$对$\it{p}$的图中所见的属性。我们还再现了在平坦度[Abramenko和Yurchyshyn（2010）]和AR的关联函数[Abramenko等人（2003）]中观察到的不稳定性的趋势和变化。从这个分析中，它建议在耀斑的发作阶段的AR可以被视为一个强制的3D-MHD湍流系统在其最简单的形式和耀斑阶段是衰减的3D-MHD湍流的代表。它还推断，显着的变化，从耀斑的初始发作阶段，其最终的峰值耀斑阶段，是由系统所需的时间，以…
2013-07-16 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
The Leidenfrost effect as a directed percolation phase transition
沉积在热固体上的挥发性液滴可以悬浮在它们自己的蒸汽垫上，而不接触表面。我们建议了解发病的这种所谓的莱顿弗罗斯特效应，通过类比表现出定向渗滤相变的非平衡系统。当执行过热的固体的影响，我们观察到一个制度的时空不稳定性，局部湿补丁共存的衬底上的干燥区域。我们报告的临界表面温度，这标志着悬浮和接触共存的温度范围大的上限。在此范围内，随着温度的降低，平衡湿分数从零到一连续增加。此外，时空间歇制度的统计性质是一致的定向渗流普适类。这个类比使我们能够重新定义莱顿弗罗斯特温度，并阐明了控制向莱顿弗罗斯特状态转变的物理机制。
2021-08-17 physics.flu-dyn
Non-equilibrium formulation for inertial particles in turbulent swirling flows
本文通过马尔可夫过程和福克-普朗克方程研究湍流旋流中惰性粒子的动力学，揭示了惯性过滤和间歇性效应，并建立了随机热力学与粒子流体之间的定量联系。
2025-12-05 nlin.CD physics.flu-dyn
Meso-scale modeling: beyond local equilibrium assumption for multiphase flow
这是同一标题文章的摘要，已接受发表在《化学工程进展》，47：193-277（2015）上。气固流态化是一个典型的具有多尺度结构的非线性非平衡系统。特别是，中尺度结构的气泡或集群，其特征在于非平衡功能的双峰速度分布，能量非均分，和相关的密度波动，是关键因素。传统的双流体模型（TFM）和相关封闭模型依赖于局部平衡和均匀分布假设，即使在细网格分辨率下也无法预测循环流化床中的动态非平衡现象。相比之下，中尺度模拟，例如能量最小化多尺度（EMMS）模式，是一致的非平衡多相流的功能。因此，结构相关的多流体模型守恒方程与基于EMMS的中尺度模拟大大提高了预测精度的流动，传质和反应，以及流态转换的理解。这种差异提出了TFM的局部平衡假设的适用性问题，并进一步阐明了中尺度模拟的必要性。
2015-12-14 physics.flu-dyn
Lagrangian modeling of a non-homogeneous turbulent shear flow: Molding homogeneous and isotropic trajectories into a jet
针对实际非均匀各向异性湍流建模难题，提出一种利用均匀湍流速度信号转化为湍流射流拉格朗日轨迹的高效模型，多尺度统计量与实验吻合度高，且易实现可扩展。
2023-10-06 physics.flu-dyn
Non-Equilibrium Modeling of Arc Plasma Torches
建立了一个双温度热非平衡模型，并应用于直流电弧等离子体炬内部流动的三维时变模拟。的非平衡模型与平衡模型的结果的详细比较。在这两个模型中的流体和电磁方程的数值近似在一个完全耦合的方法由变分多尺度有限元法。与平衡模型相比，非平衡模型不需要单独的再附着模型来产生电弧再附着过程并限制总电压降和电弧长度的大小。非平衡结果显示在等离子体-冷流相互作用区域和靠近阳极表面处存在大的非平衡区域。在电弧动力学，特别是在电弧再附着过程中，并在总电压降和出口温度和速度的大小模型之间的显着差异进行观察。非平衡结果与实验观测结果一致性提高。
2013-01-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Non-equilibrium time-relaxation kinetic model for compressible turbulence modeling
首次提出了非平衡时间松弛动力学模型（NTRKM）用于不可分辨网格上的可压缩湍流模拟。在非平衡时间弛豫框架下，将NTRKM推广为修正的Bhatnagar-Gross-Krook模型。NTRKM基于一阶Chapman-Enskog展开式，与六变量宏观控制方程相联系。前五个控制方程对应于质量、动量和总能量的守恒定律，而第六个方程控制未解决的湍流动能Kutke的演化。NTRKM中的未知量，包括湍流弛豫时间和源项，通过基本梯度型假设和标准动力学模拟方法确定。因此，目前的不可分辨网格上的广义动力学模型为可压缩大涡模拟中的一方程亚网格尺度湍流动能Ksgs模型提供了一个深刻的介观理解。为了精确、鲁棒地求解NTRKM，在已有的求解纳维-斯托克斯方程的气体动力学格式的基础上，发展了一种非平衡气体动力学格式。在不可分辨网格上模拟了三维衰减可压缩各向同性湍流和时间可压缩平面混合层，以评价广义动力学模型和非平衡气体动力学格式。二阶统计量的关键湍流量的性能证实了NTRKM与广泛使用的涡粘性Smagorinsky模型（SM）和动态Smagorinsky模型（DSM）。在时间可压缩平面混合层中，与DNS解相比，NTRKM的性能更接近DSM，优于SM。该研究为不可分辨网格上可压缩湍流的数值模拟提供了一种可行的方法。
2021-12-16 physics.comp-ph 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
An investigation of non-equilibrium heat transport in a gas system under external force field
外力场作用下的气体动力学由于密度和局部努森数的大幅度变化而具有多尺度性质。单尺度流体动力学方程（如Boltzmann方程和纳维-斯托克斯方程）在其各自的建模尺度下都是有效的，而跨不同区域的多尺度问题的建模和计算以及捕获相应的非平衡流动物理是具有挑战性的。基于离散空间中守恒律的直接模拟，发展了一种求解外力场作用下多尺度流动输运的平衡统一气体动力学格式（UGKS），并将其用于外力场作用下非平衡气体流动的研究。随着模型规模的变化，即，的细胞大小和时间步长，UGKS是能够恢复跨尺度流动物理从粒子输运流体动力学波传播。基于动力学模型方程的理论分析，从概念上说明了外力对非平衡热输运的影响。
2017-10-30 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Modeling and Simulation of Non-equilibrium Flows with Uncertainty Quantification
在气体动力学的研究中，理论建模和数值模拟大多建立在确定性的设置上。考虑到流体理论中的粗粒度建模，流场解与真实世界物理之间可能存在相当大的不确定性。从分子水平到流体动力学水平研究不确定性的产生、传播和演化，为发展合理的理论和可靠的多尺度算法带来了巨大的机遇和挑战。本文研究了多尺度气体动力学系统的随机行为，特别是非平衡效应。基于动力学模型方程及其升尺度宏观系统，采用随机Galerkin方法进行了理论分析。采用一种新的随机动力学格式对均匀松弛、正激波结构、剪切层和盖驱动空腔问题进行了数值模拟。不同种类的不确定性与气体演化过程有关。新的物理观测，如平均场和不确定性之间的协同传播模式，不同阶数的不确定性的敏感性，以及从连续到稀薄区域的边界效应的影响，将被识别和理论分析。本文作为一个启发式的研究量化的不确定性在多尺度流动动力学。
2020-08-06 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Wave-Particle Based Multiscale Modeling and Simulation of Non-equilibrium Turbulent Flows
本文提出一种基于波粒分解的多尺度方法，通过耦合动能、热能与湍流能量演化及粒子非平衡输运，统一模拟层流与湍流，可直接获取雷诺应力，优于传统RANS和LES方法。
2025-03-10 physics.comp-ph physics.flu-dyn
POD-mode-augmented wall model and its applications to flows at non-equilibrium conditions
本文提出一种POD模态增强壁面模型，通过在壁面律基础上增加基于本征正交分解的模态并在两个离壁位置与LES匹配，成功捕捉了现有壁面模型无法捕捉的非平衡流动中壁面剪应力的快速变化。
2023-10-17 physics.flu-dyn
Discrete Boltzmann modeling of multiphase flows: hydrodynamic and thermodynamic non-equilibrium effects
建立了一个离散Boltzmann模型（DBM），用于研究相分离过程中的流体动力学和热力学非平衡（TNE）效应。粒子间力驱动变化，而由宏观量的梯度引起的梯度力则与变化相反。在本文中，我们通过对各种非平衡观测量的详细检查来研究它们之间的相互作用。基于TNE特征，我们定义了一个TNE强度，它粗略地估计了偏离热力学平衡的幅度。TNE强度随时间的演化提供了一个方便有效的物理判据来区分调幅分解和畴生长的阶段。通过DBM模拟和该判据，定量研究了相变潜热和表面张力对相分离的影响。结果表明，TNE强度在失稳分解阶段末达到最大值，随着潜热从零开始增加，TNE强度逐渐减小。表面张力的作用有三个方面，即延长了失稳分解阶段的持续时间，降低了最大TNE强度，并加快了畴生长阶段的速度。
2015-05-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
On universal features of the turbulent cascade in terms of non-equilibrium thermodynamics
对三种不同的湍流流场进行了实验研究。分析的重点是发展的湍流是否表现出普遍的小尺度特征。为了回答这个问题，纵向速度增量的两点统计和联合多尺度统计进行了分析。湍流级联的马尔可夫属性的证据，这对应于一个3点封闭，减少了联合多尺度统计简单的条件概率密度函数（cPDF）。cPDF在尺度上由Fokker-Planck方程及其Kramers-Moyal系数（KMCs）描述。KMCs是通过自洽优化程序从测量数据中获得的，并导致每个数据集的福克-普朗克方程。这些随机级联方程的知识，使利用非平衡态热力学的概念，从而确定沿个别级联轨迹的熵产生。除了这个新的概念，它表明，局部熵产生几乎完美平衡的所有数据集的积分波动定理（IFT）。因此，IFT的有效性可以作为湍流叶栅的一个新定律，同时独立地证实了湍流叶栅的物理过程是一个无记忆的尺度马尔可夫过程。IFT作为一种新的工具被用来证明Fokker-Planck方程的最优泛函形式，并由此研究小尺度湍流的普适性问题。分析结果表明，湍流叶栅具有普适性和非普适性特征。我们确定小规模的不稳定性作为一个普遍性的突破功能。我们的结论是，特定的湍流有自己的特定的多尺度级联，换句话说，他们自己的随机指纹。
2018-04-11 physics.flu-dyn
A new temperature evolution equation that enforces thermodynamic vapour-liquid equilibrium in multiphase flows -- application to CO2 modeling
本文提出一种用于模拟CO2储罐和管道减压的新框架，通过将传统四方程VLE系统简化为单一方程并从UV-Flash方程推导出ODE与流体控制方程耦合求解，显著降低了计算成本。
2024-08-22 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Consistent kinetic modeling of compressible flows with variable Prandtl numbers: Double-distribution quasi-equilibrium approach
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）
本文提出一种双分布框架下的准平衡方法，用于准确建模所有普朗特数和比热比下的压缩流，通过详细分析流体极限和构造平衡与准平衡吸引子，确保Navier-Stokes-Fourier方程的准确恢复。
2026-01-19 math-ph math.MP nlin.CG
Physical Modeling and Numerical Studies of Three-dimensional Non-equilibrium Multi-temperature Flows
对于越来越稀薄的流场，Navier-Stokes（NS）方程失去了部分准确性，由于单一的温度近似。为了克服这一障碍，本文提出了一种基于Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）方程和Landau-Teller-Jeans松弛模型耦合的连续多温度模型，用于二维高超声速非平衡多温度流场计算。近年来，发展了一种两阶段四阶气体动力学格式（GKS），该格式在时间和空间上都达到了四阶精度，具有较高的计算效率和鲁棒性。为了准确、高效地模拟多温非平衡流动，在两阶段四阶框架下，采用四阶Simpson插值规则对新出现的源项进行插值，实现了高阶三维多温GKS。通过对衰减均匀各向同性湍流、低密度喷管流、稀薄高超声速平板绕流和IV型激波-激波干扰的数值模拟，验证了多温度模型的正确性。统一气体动力学方案（UGKS）的结果，和直接模拟蒙特卡罗（DSMC）的解决方案，以及在某些情况下进行验证。计算结果不仅证实了该格式的高阶精度和较强的鲁棒性，而且与UGKS和DSMC相比，计算效率有了显著提高，特别是在近连续流区。
2018-10-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Multi-Group Maximum Entropy Method: Modeling Translational Non-Equilibrium
本文结合粗粒化框架与最大熵原理构建 Boltzmann 方程降阶模型，通过速度空间分群和子体积守恒方程描述非平衡，并在 BGK 弛豫与一维驻定激波中验证其精度。
2024-10-22 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Out-of-equilibrium modeling of lyotropic liquid crystals: from binary simulations to multi-component theory
本文提出基于GENERIC形式化方法的Lyotropic液态晶体非平衡态建模理论，通过数值模拟验证了多组分系统中液态晶体有序性与拓扑缺陷的实验一致性。
2025-12-01 cond-mat.soft math-ph math.MP
Discrete Boltzmann multi-scale modeling of non-equilibrium multiphase flows
本文的目的是双重的：第一是制定和验证一个多尺度离散玻尔兹曼方法（DBM）的基础上的密度泛函动力学理论的热多相流系统，从连续过渡流制度;第二是提出一些新的见解热流体动力学非平衡（THNE）的影响，在相分离过程中。从方法上讲，DBM包括三个主要支柱：（i）确定最少的动力矩关系，这是描述连续流体力学范围之外的显著THNE效应所需要的，（ii）构造恢复所有期望的动力矩的适当的离散平衡分布函数，（iii）检测、描述、基于非平衡分布矩（$f-f^{(eq)}$）的THNE的介绍和分析。适当的附加高阶热力学动力学矩的结合大大扩展了DBM的处理较大值的液体-蒸气密度比，抑制寄生电流，并确保质量-动量-能量守恒的能力。与仅具有一阶THNE的DBM（GAN et al.软物质11，5336）相比，该模型获得了超过三阶超Burnett水平的动力学矩，并且即使当局部Knudsen数超过$1/3$时，对于弱、中等和强THNE情况也是准确的。在物理上，THNE与有关物理参数之间的线性关系的终点提供了一个明确的标准，以确定系统是否接近或远离平衡。此外，表面张力对界面附近的THNE有抑制作用，但通过界面的平滑和加宽，使THNE的范围扩大，强度增强。
2022-09-05 cond-mat.soft physics.class-ph physics.flu-dyn
