How small droplets form in turbulent multiphase flows
本研究利用高分辨率数值模拟并设置减弱强速度梯度的对照实验，揭示湍流多相流中小液滴形成由大液滴破碎的内部动力学主导，高涡量和极端耗散只是破碎结果。
2024-02-29 physics.flu-dyn
Deformation and orientation statistics of neutrally buoyant sub-Kolmogorov ellipsoidal droplets in turbulent Taylor-Couette flow
在许多工业和科学应用中，底层流动拓扑结构对分散在湍流中的亚柯尔莫哥洛夫液滴的形状和尺寸的影响是相当感兴趣的。在这项工作中，我们研究了亚Kolmogorov液滴分散到湍流泰勒-库埃特流的变形和取向统计。连同载体相的直接数值模拟（DNS）和分散液滴的拉格朗日跟踪，我们求解由Maffettone和Minale（\emph{J. Fluid Mech.} 78，227-241（1998））提出的现象学方程以跟踪近似$10^5$椭圆形液滴的形状演变和取向。通过改变液滴的毛细管数$Ca$和粘度比$\hat μ$，我们发现液滴的变形随着毛细管数$Ca$的增加而增加，并且这种效应在边界层区域更加明显。这表明，随着毛细管数的影响，也有一个很强的相关性之间的空间位置和程度的变形的液滴。无论毛细管数$Ca$，椭球的长轴往往与流向方向和拉伸应变率本征方向在边界层区域，而分布是高度各向同性的散装。当液滴和载液之间的粘度比增加时，我们发现不存在优先拉伸轴，这是由于旋转对拉伸和松弛的影响增加。因此，与低粘度比系统中的高度变形的扁长（雪茄状）液滴相比，高粘度比系统中的液滴较少变形和扁（盘状）。
2016-06-13 physics.flu-dyn
Separate and joint clustering characteristics of large Stokes number sprays subjected to moderately turbulent co-flows
本文实验研究了湍流共流中大斯托克斯数喷雾的液滴簇团与空隙特性，发现簇团尺度随斯托克斯数线性变化且簇团内液滴数密度约为空隙的10倍，为工程中调控喷雾聚类行为提供了依据。
2022-12-26 physics.flu-dyn
Global and local statistics in turbulent emulsions
湍流乳状液是一种复杂的物理系统，其特征是小尺度液滴和大尺度流变学之间存在强烈的动力学耦合。通过使用一个专门设计的泰勒-库埃特（TC）剪切流系统，我们能够表征的湍流乳液的统计特性的油滴分散在乙醇-水连续溶液中，在油的体积分数高达40%。我们发现，液滴尺寸的依赖关系的雷诺数的流量在体积分数为1%，可以很好地描述Hinze的标准。液滴尺寸的分布被发现遵循对数正态分布，暗示在破碎过程作为可能的机制主导液滴形成。湍流乳状液的有效粘度随分散油相体积分数的增大而增大，随剪切强度的增大而减小。我们发现，有效粘度对剪切速率的依赖性可以描述的Herschel-Bulkley模型，与流动指数单调下降，随着增加的石油体积分数。这一发现表明，剪切稀化的程度系统地增加与分散相的体积分数。目前的研究结果有重要的意义，桥梁湍流和低雷诺数乳化液流的湍流乳化液流的知识。
2020-11-02 physics.flu-dyn
Experimental study of velocity statistics in wall-bounded turbulent emulsions
本研究通过折射率匹配在Taylor-Couette湍流中测量高体积分数乳化液速度，发现液滴会抑制大尺度湍流并增加速度间歇性，在边界层显著增加整体阻力，为分散液滴调节湍流多尺度特性提供了实验见解。
2025-04-05 physics.flu-dyn
Long-term temporal dependence of droplets transiting through a fixed spatial point in gas-liquid twophase turbulent jets
本文对双粒子动态分析仪测量的气液两相湍流射流信号进行了重标极差分析。提出了一种新的重标度距离分析来研究这些非均匀采样信号。得到喷雾体中速度和其它被动标量的Hurst指数为0.59 $\pm $ ~（0.02），分维为1.41 $\pm $ ~（0.02），这与前人的结果非常一致，而且比前人的结果更精确。这些标度指数被发现是独立的配置和尺寸的喷嘴和流体流。因此，这种类型的系统形成具有不变标度性质的普适类。
2008-01-05 physics.flu-dyn
Droplets in homogeneous shear turbulence
本文模拟了剪切雷诺数为15200的均匀剪切湍流中两种不可压缩不混溶流体的流动。两种流体的粘度和密度相等，在本研究中考虑了不同的表面张力和初始液滴直径。我们表明，两相流达到一个统计上稳定的湍流状态持续的非零平均湍流生产率由于平均剪切的存在。单相流相比，我们发现，所得到的稳态条件下表现出减少泰勒微尺度雷诺数由于分散相的存在下，作为一个水槽的湍流动能的载体流体。在稳态下，平均功率的表面张力是零和湍流的产生率与湍流耗散率是平衡的，其值大于在参考单相的情况下。界面通过在小尺度上引入能量来修改能谱，与单相情况的差异随着韦伯数的增加而减小。这是由于在域中的液滴的数量和总表面积随着韦伯数单调增加。这也反映在随韦伯数变化的液滴尺寸分布中，随着韦伯数的增加，分布的峰值移动到更小的尺寸。我们发现，Hinze估计的最大液滴尺寸，考虑在均匀各向同性湍流中的分裂，提供了一个很好的估计，尽管显着的聚结和平均剪切的存在下的行动。
2019-08-06 physics.flu-dyn
Deformation of ellipsoidal droplets in homogeneous and isotropic turbulence
本文通过三维完全解析模拟基准数据，系统评估多种椭球模型在不同毛细数下描述均匀各向同性湍流中亚 Kolmogorov 尺度液滴变形的适用性。
2025-06-11 physics.flu-dyn
Extreme fluctuations of the relative velocities between droplets in turbulent airflow
我们比较实验和直接的数值模拟来评估的斯托克斯阻力模型，这是广泛使用的惯性粒子在湍流中的研究的准确性。我们专注于统计的耗散尺度和相对粒子速度的极端值为中等惯性粒子（St < 1）。模拟中相对速度的概率分布与实验中的概率分布定性相似。随着Stokes数的增加和相对速度的减小，一致性得到改善。模拟低估了极端事件的概率，这表明斯托克斯阻力模型错过了重要的动力学。然而，在实验和模拟的极端事件的标度行为可以捕捉到相同的多重分形模型。
2016-01-22 physics.flu-dyn
How Violent are the Collisions of Different Sized Droplets in a Turbulent Flow?
我们研究了二维和三维湍流中多分散液滴悬浮液中的典型碰撞速度，并获得了颗粒对碰撞速度与其相对尺寸的关系的精确理论估计。这些分析结果验证了我们的直接数值模拟的数据。我们发现，冲击速度的饱和指数与颗粒尺寸比的倒数。我们的研究结果是重要的合并或破碎（取决于影响速度）的模型，并将是至关重要的，例如，在获得精确的合并内核来描述水滴的增长，引发雨在温暖的云层。
2016-03-18 nlin.CD physics.flu-dyn
Three-dimensional clustering characteristics of large-stokes number sprays interacting with turbulent swirling co-flows
本研究利用像散干涉粒子成像技术实验探究了大Stokes数喷雾在湍流旋流同向流中的三维团聚特性，揭示了团聚程度、尺度与Stokes数的幂律关系及液滴直径分布规律。
2024-03-23 physics.flu-dyn
Effect of surfactant-laden droplets on turbulent flow topology
本文通过直接数值模拟结合相场法，研究含表面活性剂液滴群对湍流通道流拓扑结构的影响，揭示Marangoni力在界面处促进拉伸型流动并量化局部变化。
2023-09-25 physics.flu-dyn
Droplet-turbulence interactions and quasi-equilibrium dynamics in turbulent emulsions
我们进行直接数值模拟（DNSs）的乳液在均匀，各向同性湍流使用赝势格子玻尔兹曼（PP-LB）方法。通过最小化液滴溶解和杂散电流来改进以前的文献，我们证明了PP-LB技术能够在某些参数区域进行长期稳定的模拟。改变分散相体积分数$ϕ$，我们表明，液滴破碎提取动能从较大的尺度，同时注入能量到较小的尺度，越来越高的$ϕ$，与Hinze规模划分的两种效果。发现液滴尺寸（$d$）分布遵循$d^{-10/3}$标度（Deane & Stokes 2002）。我们表明，需要保持分离的湍流迫使规模和域的大小，以防止形成大的连接区域的分散相。我们第一次发现，湍流乳状液演变成一个准平衡循环交替聚结和破碎为主的过程。在由动能$E_k$、拟能$ω^2$和液滴数密度$N_d$组成的状态空间中研究系统，发现它们的动力学行为类似于具有时滞的极限环。$E_k$演化中的极值表现在$ω^2$和$N_d$的演化中，分别具有$\sim0.3\mathcal{T}$和$\sim0.9\mathcal{T}$的延迟（其中$\mathcal{T}$为大涡时间尺度）。最后，我们还表明，在乳状液中的湍流的流动拓扑结构是显着不同的单相湍流比以前认为的。特别是，涡压缩和轴向应变机制成为液滴相，液滴界面的弹性行为的结果占主导地位。修订版和扩展版现已发表在流体力学杂志：https://doi.org/10.1017/jfm.2019.654
2019-10-03 physics.flu-dyn
Mixing and solvent exchange near the turbulent/non-turbulent interface in a quasi-2D jet
本文通过实验研究准二维湍流射流中溶剂交换与混合的相互作用，揭示油滴成核在湍流/非湍流界面附近的发生与演化规律，并首次基于乙醇浓度和三元相图建立湍流溶剂交换模型。
2023-04-14 physics.flu-dyn
The effect of turbulence, gravity, and non-continuum hydrodynamic interactions on the drop size distribution in clouds
本文研究云滴在15–40 μm“尺寸间隙”的生长瓶颈，揭示湍流碰撞、水汽涨落和非连续流体动力学对跨越该间隙并形成毛毛雨滴的关键作用。
2025-01-02 physics.flu-dyn
What Determines Size Distributions of Heavy Drops in a Synthetic Turbulent Flow?
我们提出的结果从一个单独的粒子为基础的模型的碰撞，凝聚和破碎的重滴在湍流中移动。这样的模型框架可以帮助弥合两相流的完全流体动力学模拟之间的差距，两相流的完全流体动力学模拟通常只能研究很少的颗粒和严重依赖于参数化的基于平均场的凝结和破碎方法，并且例如不能完全捕获颗粒惯性。我们研究的稳定状态，从凝聚和破碎之间的平衡和颗粒的性质和流动特性的影响，这个稳定状态的结果。我们比较了两种不同的破碎机制，尺寸限制的碎片，当超过最大尺寸和剪切碎片，颗粒破碎时，在流中的局部剪切力超过颗粒的结合力。对于尺寸限制破碎的稳定状态主要是由最大稳定颗粒尺寸的影响，而颗粒和流动特性只影响的方法，以稳定状态。对于剪切破碎，达到稳定状态的方法和稳定状态本身取决于颗粒和流动参数。在那里，我们发现的稳定状态和颗粒和流动参数，由破碎的稳定性条件确定的标度关系。
2009-12-14 physics.flu-dyn
Physical mechanisms for droplet size and effective viscosity asymmetries in turbulent emulsions
在Taylor-Couette（TC）湍流剪切流动中，通过改变油的体积分数，研究了乳状液的微观液滴尺寸和宏观流变性。尽管此处乳液中的油和水具有几乎相同的物理性质（密度和粘度），但出乎意料地，我们发现水包油（O/W）和油包水（W/O）乳液具有非常不同的流体动力学行为，即，这个系统显然是不对称的。从微观尺度看，无论是O/W还是W/O，液滴平均直径几乎不随油体积分数变化。然而，对于W/O，它比O/W大约50%。在宏观尺度上，O/W的有效粘度比W/O的高。这些不对称行为可以追溯到系统中的表面活性污染物的存在。通过引入高浓度的油溶性表面活性剂，我们显着地恢复了O/W和W/O乳液之间的对称性（液滴尺寸和有效粘度）。在此基础上，我们提出了一个可能的机制负责初始不对称性。接下来，我们讨论是什么设置湍流乳液中的液滴尺寸。我们发现了一个-6/5缩放依赖的液滴大小的雷诺数的流动。结合标度依赖性和液滴韦伯数，我们得出结论：决定液滴尺寸的液滴破碎发生在边界层内，并由Levich（1962）提出的平均流梯度引起的动压控制，而不是Kolmogorov（1949）提出的湍流波动引起的动压控制。本研究结果提供了一个理解的微观液滴的形成和宏观流变行为的动态乳化，并连接它们。
2022-01-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Filamentary vortex in a swirling turbulent flow under strong stretching
能量耗散和压力波动是湍流运动的固有特征，也是时空温度波动的内在根源。通过测量当地的速度、压力或温度，有可能检测到相干结构的存在-比如集中的漩涡-并量化它们的强度。在这里，我们报告的速度和温度的测量，在一个附加的旋涡躺在一个强烈拉伸湍流气流。在我们的实验中测得的最大核心温度下降是$ΔT = 9$ K，而测得的最快空气速度是$v_{max} = 200$ m/s，对应于马赫数$M_{max} = 0.59$。在$M \approx 0.1$温度下，温度下降约为$0.5$ K。这些结果与Jelkassem和Vatistas [J. Fluids Eng. 129，1073（2007）]的可压缩涡流模型一致。
2014-05-22 physics.flu-dyn
Sub-Kolmogorov droplet dynamics in isotropic turbulence using a multiscale lattice Boltzmann scheme
采用格子Boltzmann扩散界面模型研究了各向同性湍流中单个液滴的变形和动力学，该模型考虑了外部湍流的产生，并考虑了边界条件。我们专注于一个小的，子Kolmogorov液滴，其规模是远远小于Kolmogorov长度尺度的湍流。外部流场是通过描述被动示踪剂在各向同性湍流中的轨迹的伪谱模拟数据获得的。通过这种方式，我们将液滴的微观尺度和湍流的宏观尺度结合起来。从这个完全解决的模型得到的结果进行比较，以前的研究亚Kolmogorov液滴的动力学在各向同性湍流，其中的分析模型，假设液滴的形状是一个椭圆体在任何时候，是用来描述液滴变形。我们的研究结果证实，混合伪谱格子玻尔兹曼算法是能够研究液滴变形和破碎的制度远远超出了椭球近似。
2021-12-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Droplet dynamics in homogeneous isotropic turbulence with the immersed boundary-lattice Boltzmann method
本研究开发了一种结合格子玻尔兹曼与浸没边界方法的数值方案，并引入网格正则化以模拟均匀各向同性湍流中小尺度液滴的动力学，报告了变形与取向的统计结果及与理论模型的对比。
2024-05-23 physics.flu-dyn
Buoyant finite-size particles in turbulent duct flow
本文采用粒子图像测速技术（PIV）和粒子跟踪测速技术（PTV）研究了水平方管湍流中比载流稍重的有限尺寸球形粒子的动力学行为。界面解析直接数值模拟（DNS）也进行了浸没边界法（IBM）在相同的实验条件下，散装雷诺数$Re_{2H}$ = 5600，管道高度颗粒尺寸比$2H/d_p$ = 14.5，颗粒体积分数$Φ$ = 1%和颗粒流体密度比$ρ_p/ρ_f$ = 1.0035。在两相的总压降、浓度分布和湍流统计方面，实验和模拟之间已经观察到了很好的一致性。在相同的$Re_{2H}$下，报告了考虑两种粒度$2H/d_p$ = 14.5和9以及多个$Φ$ = 1、2、3、4和5%的附加实验结果。对于上述参数，压降随体积分数单调增加，几乎是线性的，几乎与颗粒尺寸无关。然而，尽管相似的压降，微观图像，流体速度统计，显着不同的颗粒大小。模拟和实验之间的这种一对一的比较扩展了复杂的湍流多相流中的界面分辨DNS的有效性，并突出了实验在相当详细的情况下调查这种流动的能力，即使在局部体积分数相对较高的区域。
2018-11-28 physics.flu-dyn
Recent developments of turbulent emulsions in Taylor-Couette flow
乳液在许多自然和工业环境中很常见。近年来，湍流乳状液的动力学研究受到了广泛的关注。本文综述了近年来湍流Taylor-Couette流中乳状液的一些研究，主要集中在分散相的统计和系统的整体动量输运。我们首先研究了低体积分数（稀）的湍流乳液的分散液滴的尺寸分布和破碎机制。对于具有高体积分数的分散相（致密）的系统，我们解决了湍流乳液的全局传输（有效粘度）的详细响应及其与液滴统计的连接。最后，我们将讨论灾难性的相转化，这可能会发生在动态乳化过程中的分散相的体积分数超过一个临界值。最后，我们总结和展望，包括未来研究的一些开放性问题的手稿。这篇文章是主题问题的一部分“泰勒-库埃特和相关的流动泰勒的种子哲学交易文件的百年纪念”。
2022-09-01 physics.flu-dyn
Sessile condensate droplets as quasi-static wall deformations in direct numerical simulations of channel flow with condensation
由于在环境条件下空气中普遍存在湿度，冷凝是许多流动应用的重要方面。对于这种流动的直接数值模拟，将气相模拟为特征在于由潜热的释放和吸收耦合的温度和湿度的混合物已被证明以降低的成本产生与多相直接数值模拟一致的结果。固着液滴作为准静态变形的基础上，在表面上的基本冷凝率扩展的单相方法，包括液滴和流之间的相互作用，同时保留模拟气相的优势。通过有液滴和无液滴的冷却的垂直通道的湍流的模拟结果表明，由于冷凝液滴的存在，在液滴附近和整个通道中，热量和蒸汽的湍流传输增加。特别地，壁的对称性的破坏将冷凝从周围区域转移到液滴表面上。
2022-06-28 physics.flu-dyn
How interfacial tension enhances drag in turbulent Taylor-Couette flow with neutrally buoyant and equally viscous droplets
本文通过直接数值模拟研究Taylor-Couette湍流中中性浮力等黏液滴的阻力增强机制，揭示界面张力对液滴前端的作用阻碍连续相并促进低速条带形成，从而增加系统阻力。
2024-11-20 physics.flu-dyn
Simulation of cloud drop collisions in ABC flow
模拟湍流环境中云滴的碰撞行为在数值上是昂贵的。由于云滴的典型尺寸，它们的运动主要受气流中最小湍流尺度的影响。我们可以利用这个属性，通过使用Arnold-Beltrami-Childress（ABC）流，而不是一个完整的直接数值模拟（DNS）来模拟湍流对云滴碰撞的影响。这允许使用比DNS所需的少得多的计算资源来模拟液滴运动，并且因此允许利用更多的液滴和更大的模型域或更复杂的云物理学进行模拟。这在需要研究特定过程并且对实际湍流的复杂性和细节不感兴趣的情况下是有用的。结果表明，使用ABC流的模拟可以忠实地再现碰撞统计更全面的DNS计算时，使用类似的泰勒微尺度和均方根速度在ABC和DNS流。来自ABC流的结果对于这两个参数在合理范围内的变化是稳健的，即使对参数的调整可以用于进一步调整结果。
2020-10-15 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Electric-field-induced turbulent energy cascade in an oil-in-oil emulsion
我们观察到电流体动力驱动的湍流在低雷诺数的双流体乳液组成的微米级液滴。在存在电场的情况下，液滴产生相互作用的流体动力学流动，这导致在比单个液滴的尺寸大得多的空间尺度上的动态组织。我们的特点与这些结构的动态视频成像和同时，在原位，测量的时间变化的体积雷诺应力与流变仪。结果表明，在空间和时间的能量谱标度不变性。
2014-12-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Microbubbles and microparticles are not faithful tracers of turbulent acceleration
本文报道了在湍流中Stokes数St << 1的小气泡和示踪粒子加速度的拉格朗日统计。在降低雷诺数，气泡加速度显示的示踪剂粒子的偏差，即他们偏离海森堡-Yaglom预测，并显示出更快的去相关，尽管他们的小尺寸和分钟ST。使用直接数值模拟，我们表明，这些效果出现由于这些粒子通过湍流的漂移。我们从理论上预测这种重力驱动的效果发达的各向同性湍流，与斯托克斯弗劳德数或等效的粒子漂移速度的比例控制的加速度方差的增强和相关时间和不稳定性的减少。我们的预测与实验和数值结果吻合得很好。目前的发现与一系列场景有关，包括在湍流的海洋和大气中漂流的微小气泡和液滴。他们还质疑在湍流研究中通常使用微气泡和微液滴作为示踪剂。
2016-06-07 physics.flu-dyn
Computation of Mean Velocity Distribution in a Turbulent Flow
本文提出了一种计算湍流中平均速度分布的近似方法。该方法基于雷诺应力和平均速度之间的关系式。利用压降和平均（总）流速的测量值，计算了各种流体和气体在不同管道和通道中的湍流特性，如平均速度和雷诺应力分布，并与实验测量值进行了比较。这些结果表明，在很大范围的雷诺数下，它们具有良好的一致性。
1999-04-14 physics.flu-dyn
Interface Fluctuations in a Turbulent Binary Fluid using Data-Driven Methods
Center for Condensed Matter Theory, Indian Institute of Science（印度科学学院凝聚态理论中心）；Centre for Ocean, River, Atmosphere and Land Sciences, Indian Institute of Technology, Kharagpur（印度理工学院卡拉格普尔分校海洋、河流、大气与陆地科学中心）
本研究利用数据驱动方法分析湍流二元流体中的界面波动，通过比较四种模型发现SLR在预测动力学方程和效率方面表现最佳。
2026-03-02 physics.flu-dyn
On The Critical Reynolds Number For Transition From Laminar To Turbulent Flow
在这种可视化中，从层流到湍流的转变的特征在于壁面流体间歇地喷射到外部流中。粘性流层的归一化厚度达到渐近值，但物理厚度在过渡后呈指数下降。临界过渡管雷诺数可以简单地通过将其与粘性流层归一化厚度的渐近值相等来获得。关键词：转捩，临界稳定雷诺数，临界转捩雷诺数，非牛顿管流
2010-07-14 physics.flu-dyn
Experimental and numerical characterization of single-phase pressure drop and heat transfer enhancement in helical corrugated tubes
本文研究了不同螺距的波纹管内从层流到湍流的流动，以表征波纹管内的三维流动以及波纹管几何形状对压降和对流换热的影响。以水作为工作流体，并施加壁面热通量，范围从约4至33 kW/m2，用CFD商业软件开发了数值模型，其中k Ω SST用于模拟湍流。进行了实验测试，涵盖雷诺数范围从约300至5000，这使得识别过渡区和验证的数值模型。结果表明，由于旋流器产生的旋流，降低了开始向湍流转变的临界雷诺数。热性能因子，它量化的传热强化的压力降为代价，被用来比较的波纹管与光管的参考情况。基于此，除了层流状态下的低雷诺数（Re<500）外，所有研究的波纹几何形状均优于光滑管。总的来说，具有最小节距的波纹管在雷诺数的中间范围（1000<Re<2300）内表现出明显更好的性能，是过渡和湍流状态中更宽范围的操作条件的最佳选择。
2021-07-16 physics.flu-dyn
Direct numerical simulations of transient turbulent jets: vortex-interface interactions
界面分裂成级联的液滴及其随后的聚结是对大量工业设置（例如混合、分离和燃烧）具有中心重要性的通用问题。采用混合界面跟踪/水平集方法，在三维笛卡尔坐标域中考虑表面张力，研究了液体射流通过圆柱形喷嘴进入滞止粘性相的破碎过程.数值解的范围内的雷诺数（Re）和韦伯数（We）。我们发现，方位角和流向涡分量之间的相互作用导致不同的界面特征和流态在Re-We空间。结果表明，流向涡量对射流表面三维不稳定性的发展起着关键作用。在高Re和我们的惯性控制制度，我们暴露的细节的时空发展的旋涡结构影响的界面动力学。在射流的前缘处形成蘑菇状结构，从而在其内部产生液体片，该液体片经历破裂以形成液滴。这些液滴由于它们与占主导地位的旋涡结构的相互作用而在蘑菇状结构内旋转。此外，Kelvin-Helmholtz涡的注入点附近形成的变形在流向方向上形成发夹涡，这反过来，触发射流核心的界面波瓣的形成。叶片的变薄引起孔的产生，所述孔膨胀以形成液体线，所述液体线经历毛细管破裂以形成液滴。
2021-05-26 physics.flu-dyn
Heat transfer in drop-laden turbulence
本文通过DNS与相场方法耦合，研究含可变形液滴湍流中的热传递，发现增大普朗特数会减缓传热，并揭示液滴平均温度随时间演化经t/Pr^2/3重标定后具有自相似普适行为。
2023-09-25 physics.flu-dyn
Turbulent convection in emulsions: the Rayleigh-Bénard configuration
本研究通过直接数值模拟探讨了三维多相Rayleigh-Bénard对流中的热量与湍流调制，发现调整分散相体积分数及粘度与热扩散率比可显著改变全局热传递效率及液滴尺寸分布的标度律。
2024-08-23 physics.flu-dyn
Turbulence drag modulation by dispersed droplets in Taylor-Couette flow: the effects of the dispersed phase viscosity
湍流中的分散相可以从几乎无粘流体变化到高粘性流体。通过改变分散液滴相的粘度，实验研究了分散液滴的变形能力对湍流乳状液整体输运量的影响。采用不同种类的硅油以产生范围为$0.53$至$8.02$的粘度比$ζ$。液滴体积分数$ϕ$在0 ~ 10%范围内变化，间距为2%。由归一化摩擦系数$c_{f,ϕ}/c_{f,ϕ=0}$量化的全局输运量显示出由于液滴的有限尺寸效应消失而对湍流强度的弱依赖性。有趣的事实是，随着$ζ$的增加，$c_{f,ϕ}/c_{f,ϕ=0}$首先增加，然后饱和到与刚性颗粒悬浮液相似的平台值。通过图像分析，从液滴变形性的角度解释了这种阻力变化，这是液滴破碎和聚结效应的原因。对液滴粒径分布的统计分析表明，随着$ζ$的增加，界面张力对液滴粒径的稳定作用逐渐增强，纯惯性破碎过程占主导地位。沿系统径向的液滴分布的测量显示出体积聚集效应，这可以归因于液滴的不可忽略的聚结效应。结果表明，随着$ζ$含量的增加，液滴聚结效应受到抑制，从而影响界面张力对总应力的贡献，并解释了所观察到的乳液流变性。
2022-10-10 physics.flu-dyn
An efficient phase-field method for turbulent multiphase flows
为了有效地用相场法模拟三维多相湍流，提出了一种新的Cahn-Hilliard方程双调和项（四阶导数项）离散格式.这种新的方案可以显着降低计算成本，同时保持相同的精度为原来的程序。我们的相场方法建立在一个直接数值模拟求解器之上，名为AFiD（www.afid.eu），由我们的研究小组开源。它依赖于铅笔分布式并行策略和基于FFT的泊松求解器。为了处理两相之间的大密度比，已将压力分裂方法[1]应用于泊松解算器。为了进一步降低计算成本，我们实现了一个多分辨率的算法，其中的离散化的纳维-斯托克斯方程和标量方程：而一个拉伸的壁解决网格用于纳维-斯托克斯方程，对于Cahn-Hilliard方程，我们使用一个精细的均匀网格。本方法显示出出色的计算性能，为大规模计算：网格高达80亿个节点和3072 CPU核心，多相流只需要略低于1.5倍的CPU时间的单相流求解器在同一个网格上。本方法是通过比较结果与以前的研究剪切流中的液滴变形的情况下，包括网格细化的收敛测试，和密度比高达1000的上升浮力气泡的破裂进行验证。最后，我们模拟了瑞利数为$10^8$的湍流Rayleigh-Bénard对流中大液滴的破碎和O（10^3）液滴的合并，观察到与理论结果很好的一致。
2021-05-05 physics.flu-dyn
Enhanced heat transport by turbulent two-phase Rayleigh-Bénard convection
本文报道了乙烷（C $_2$ H $_6$）样品的湍流传热测量结果，当外加温差$ΔT$跨越液-气共存曲线$T_ϕ(P)$时，从下面加热乙烷样品。当样品顶部温度$T_t$降低到$T_ϕ$以下时，液滴发生凝结，蒸发潜热$H$提供了额外的传热机制，有效电导率$λ_{eff}$随$T_t$的降低而线性增加，并达到最大值$λ_{eff}^*$，比单相$λ_{eff}$大一个数量级。当$P$接近临界压力时，即使$H$消失，$λ_{eff}^*$也急剧增加。我们把这种现象归因于接近临界点时液滴成核速率的提高。
2008-12-13 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Turbulent pipe flow with spherical particles: drag as a function of particle size and volume fraction
针对含中性浮力球形颗粒的湍流管道流动，研究结合MRV和DNS技术探究了颗粒尺寸与流量对压力降、整体阻力及颗粒分布的影响，并构建了一条比传统修正粘度方法更准确的阻力变化主曲线。
2024-11-15 physics.flu-dyn
Turbulent dynamics of pipe flow captured in a reduced model: puff relaminarisation and localised `edge' states
通过长管道的流动的完全三维计算需要大量的自由度，使得探索参数空间非常昂贵，并且难以隔离底层动力学的结构。因此，我们引入一个管流的“2+ 1”维模型，它是轴对称情况的最小三维化：只保留了方位角加方位角位移的正弦变化，但发现了与实验相似的动力学。特别是，该模型保留了完全分辨的管流的亚临界动力学，捕获了现实的局部“喷”状结构，这些结构在长时间后会突然衰减，以及全球性的“鼻涕虫”湍流。重新层化统计的泡芙重现管流的记忆功能，并表示存在的雷诺数的寿命迅速发散，只要管足够长。指数发散的寿命是普遍存在于较短的周期域。在短管道中，在层流和湍流边界上的流动轨迹附近找到了精确的行波解。在长管中，层流-湍流边界上的吸引态是一个局部结构，类似于光滑的粉扑。即使雷诺数的湍流状态是全球性的，这种“边缘”状态仍然是局部的。
2008-10-13 physics.flu-dyn
The clustering instability of inertial particles spatial distribution in turbulent flows
本文提出了惯性粒子在湍流速度场作用下，由于其空间分布的不稳定性而引起的惯性粒子的群聚理论。团簇不稳定性的原因是粒子惯性和速度场的有限关联时间的综合作用。团簇不稳定性的关键参数是颗粒的尺寸。临界尺寸估计为一个强的集群（与有限部分的颗粒在集群中）与增长的平均绝对值的颗粒数密度和弱集群与增长的第二和更高的时刻。本文提出了由不可压速度场有限关联时间引起的湍流扩散张量可压缩性的新概念。在这个速度场模型中，拉格朗日轨迹场不是无发散的。提出了团簇不稳定性的饱和机制，它与团簇中粒子的碰撞有关。应用所分析的影响，在湍流大气中的液滴的动力学进行了讨论。一个估计的非线性水平的饱和度的水滴数密度在云中超过了数量级的平均数密度。团簇形成所需云滴的临界尺寸大于$20 μ$ m。
2002-04-12 nlin.CD physics.flu-dyn
Directed percolation describes lifetime and growth of turbulent puffs and slugs
我们表明，定向渗流（DP）模拟在3 + 1维的管道几何形状完全捕捉到所观察到的复杂现象的过渡到湍流。在低雷诺数（Re），湍流喷流的形式和自发再层化。在高Re时，湍流段塞均匀地扩展到层流区域。在这两个制度之间的时空间歇状态的Re，泡芙分裂和湍流区域表现出层流补丁。DP还捕捉到了过渡的主要定量特征，在过渡下方具有超指数发散的特征寿命。逾渗阈值以上，活性（湍流）集群扩展到非活性（层流）相与一个定义明确的速度与控制参数（雷诺数或逾渗概率）的缩放是与实验结果一致。我们的结果为Pomeau的一个猜想提供了强有力的证据。
2011-07-13 physics.flu-dyn
Beyond the Mean-flow: A Spectral-Dynamic Approach to Unraveling the Physics of Droplet Capture in Fog Harvesting Meshes
IIT Kanpur（印度坎普尔理工学院）；Jadavpur University（贾达浦大学）
本研究提出谱动力学框架，通过双向耦合欧拉-拉格朗日模型揭示雾收集网液滴捕获机制，引入动态匹配参数Π，为网几何优化提供设计指导。
2026-08-06 physics.flu-dyn
Experimental observation of spontaneous temperature fluctuations in turbulent flows
即使在没有外部施加的温度梯度的情况下，在湍流中也会出现自发产生的温度波动。我们在马赫数为$10^{-3}$的封闭的冯卡门旋转空气流中实验研究了这些波动，其边界保持在恒定的温度。我们观察到间歇性的低温峰值与内流的压降，并表明它们是由涡丝。测量的温度与压力脉动的比值与基于涡核内绝热冷却的预测一致。实验研究表明，虽然流动的马赫数很小，但在流动中存在一些区域，在这些区域中，可压缩效应在温度方程中不能被忽略，并且局部地支配粘性耗散效应。
2023-01-30 physics.flu-dyn
Coordinate-free description of corrugated flames with realistic density drop at the front
波纹火焰前的完整的流体动力学方程组减少到一个系统的坐标自由方程在前面使用的事实，涡的影响仍然相对较弱，即使波纹火焰。它表明如何小，但有限的火焰厚度可以考虑在方程。在小火焰区的湍流燃烧得到类似的方程。湍流波纹火焰的方程与外部湍流稳定的泰勒假设是一致的。
2012-10-30 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Can flamelet manifolds capture the interactions of thermo-diffusive instabilities and turbulence in lean hydrogen flames? -- An a-priori analysis
本研究针对小火焰模型能否应用于湍流稀氢火焰的问题，通过模拟评估拉伸效应，发现原有制表流形存在局限，提出需构建同时纳入应变与曲率变化的新型流形以支撑相关燃烧模型开发。
2024-01-30 physics.flu-dyn
Turbulent-laminar patterns in shear flows without walls
湍流-层流不连续性，通常以条带和斑点的形式出现，是壁面剪切流中通向湍流的途径的普遍特征。在这里，我们研究的理想化的剪切无应力边界驱动的正弦体力和证明定量协议之间的湍流在这种流动和发现在内部的平面Couette流-该区域不包括边界层。利用边界层的情况下，我们构建了一个模型流，只使用四个傅立叶模式的剪切方向，但鲁棒地捕捉到的过渡中观察到的时空现象的范围，从斑点增长湍流带和均匀湍流。该模型在保持基本物理特性和与纳维-斯托克斯方程的直接联系的同时，大大降低了模拟间歇性湍流结构的成本。我们证明了这一过程的通用性，通过引入无应力的等效流平面Poietille和管流再次捕获的过渡中看到的顺层结构。
2016-02-17 physics.flu-dyn
Deformation statistics of sub-Kolmogorov-scale ellipsoidal neutrally buoyant drops in isotropic turbulence
湍流中的小液滴可以经历高度可变的变形和取向动力学。对于小于柯尔莫哥洛夫尺度的中性浮力液滴，来自周围湍流的主导效应通过速度梯度张量的拉格朗日时间历史产生。在这里，我们研究了代表性的液滴使用的模型，包括旋转和拉伸效果从周围的流体，和恢复效果从表面张力，包括一个恒定的液滴体积约束，同时假设液滴保持椭圆形的演变。该模型与从湍流DNS中提取的速度梯度张量的拉格朗日时间历程相结合，以获得模拟的液滴演变。这些用于表征湍流中小液滴的尺寸、形状和取向统计。一个临界毛细管数，$Ca_c$被确定与一个或两个液滴的半轴的无界增长。利用与湍流中聚合物动力学的类比，可以基于最大有限时间李雅普诺夫指数的大偏差理论来预测$Ca_c$数。此外，对于亚临界$Ca$的理论能够预测的斜率的幂律尾部的液滴尺寸分布在湍流。当液滴和外部流体的粘度不同的方式，使涡解相关的形状从应变方向的情况下，大偏差形式主义的基础上的拉伸性能的速度梯度张量失去有效性和其预测失败。即使考虑到假设的椭圆形液滴形状的限制，结果突出了液滴变形，取向和局部流体速度梯度张量之间的复杂耦合，当小粘性液滴与湍流相互作用时。
2015-02-12 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
Caustics and Intermittency in Turbulent Suspensions of Heavy Particles
在不可压缩的湍流中悬浮的非常重的惯性颗粒之间的速度差的统计被发现是非常间歇的。当粒子在粘性子区间内以一定距离分开时，安静的规则区域和多值焦散线之间的竞争导致粒子速度结构函数的准双分形行为，高阶矩带来焦散线的统计特征。相比之下，对于由惯性距离分开的粒子，速度差统计的特征在于局部霍德尔指数，这是尺度依赖的粒子斯托克斯数的函数。高分辨率的直接数值模拟结果的支持。有人认为，这些发现可能有影响的早期阶段的雨滴形成的暖云。
2009-05-08 physics.flu-dyn
Experimental investigation of turbulent suspensions of spherical particles in a square duct
本文报道了方形管道中球形颗粒湍流的实验观测。三种粒度，即：研究了$2H/d_{p}$ = 40、16和9（$2H$是管道全高，$d_{p}$是颗粒直径）。颗粒相对于悬浮流体几乎是中性浮力的。折射率匹配-粒子图像测速法用于测量流体速度，即使在最高的粒子体积分数（20%）下，粒子跟踪测速法用于测量两种最大尺寸粒子的粒子速度统计，而对于最小的粒子，仅报告压力测量。在最低体积雷诺数$Re_{2H}\approx$ 10000时观察到沉降效应，而在最高体积雷诺数$Re_{2H}\approx$ 27000时，颗粒几乎完全悬浮。悬浮液的摩擦系数被发现是显着大于单相管道流在较低的$Re_{2H}$调查，但是，差异减小时，增加流量和总阻力的值接近单相流在较高的雷诺数考虑。对于几乎所有的$Re_{2H}$，发现压降随着体积分数低于$ϕ$ = 10%的粒径而减小。然而，在最高的体积分数$ϕ$ = 20%，我们报告了一个奇特的非单调行为：压降首先减少，然后增加，随着颗粒尺寸。在最低体积分数下，湍流阻力随颗粒尺寸的减小与湍流的衰减有关。然而，对于$ϕ$ = 20%的两个最大颗粒尺寸，尽管湍流应力大幅降低，但仍会出现阻力增加，因此，这是由于显著的颗粒诱导应力。
2018-09-18 physics.flu-dyn
Clustering of Aerosols in Atmospheric Turbulent Flow
本文讨论了大气湍流中与团簇不稳定性有关的气溶胶和液滴空间发布小尺度不均匀性的形成机制。颗粒的聚集是由于聚集不稳定性导致其均匀空间分布的自发破裂的结果，并且是由颗粒惯性和湍流速度场的有限相关时间的组合效应引起的。本文进一步发展了Phys.Rev.E66，036302（2002）中提出的理论方法，并应用于研究大气湍流中小尺度气溶胶非均匀性的形成机制。将粒子团簇不稳定性理论推广到粒子Stokes时间大于Kolmogorov时间尺度，但远小于湍流积分尺度下的关联时间的情形。我们确定了Stokes数大于1时成团不稳定性的判据。讨论了所分析的效应在大气湍流中气溶胶和液滴动力学中的应用。
2007-02-15 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Catastrophic phase inversion in high-Reynolds number turbulent Taylor--Couette flow
乳液在食品工业、医疗保健和化学合成中无处不在。在这封信中，亚稳油-水乳状液的动力学在高度湍流（$10^{11}\leq\text{Ta}\leq 3\times 10^{13}$）泰勒-库埃特流，远离平衡，进行了研究。通过改变水包油空隙率，可以触发水包油和油包水乳液之间的灾难性相转化，显著改变混合物的形态（包括液滴尺寸和流变性质）。这些不同的状态的表现是通过结合全局扭矩测量和局部原位激光诱导荧光（LIF）显微镜成像。尽管湍流状态的流动和动态平衡的油-水混合物，系统的全球扭矩响应被发现是，如果流体是牛顿的，和混合物的有效粘度被发现是几倍大或小比它的成分。
2020-12-09 physics.flu-dyn
Self-similar invariant solution in the near-wall region of a turbulent boundary layer at asymptotically high Reynolds numbers
在足够高的雷诺数下，壁面附近的剪切流湍流具有普遍的性质。当长度和速度由湍流的适当特征尺度重新标度，从而在\emph{inner units}中测量时，流的统计特性变得与雷诺数无关。我们证明了平行边界层的完全非线性三维纳维-斯托克斯方程的附壁非混沌精确不变解的存在性，该解捕获了近壁湍流结构的特征自相似标度。行波解的分支可以继续到$Re=1,000,000$。理论和数值相结合的证据表明，解决方案是渐近自相似和精确的尺度内单位雷诺数趋于无穷大。证明存在的不变的解决方案，捕获自相似的缩放特性的湍流在近壁区域是一个步骤，扩展的动力系统方法湍流从过渡制度充分发展的边界层。
2019-12-10 physics.flu-dyn
The feedback effect caused by bed load on a turbulent liquid flow
实验上的影响，由于仅仅是一个移动的颗粒层上的液体流动（反馈效应）。非侵入式测量进行了一个封闭的管道通道的矩形截面，其中颗粒作为推移质通过湍流水流。采用粒子图像测速技术，对相同粒度的固定和流动颗粒床的水流速度剖面进行了测量。测量的空间分辨率允许反馈效应的实验量化。本文的研究结果对预测推移质输沙率和输沙过程中的压力降具有重要意义。
2016-09-02 physics.flu-dyn
Drop impact on a flexible fiber
当液滴撞击纤维介质时，液体可以被纤维捕获或接触然后脱离。先前的研究表明，刚性纤维捕获液滴的效率取决于冲击速度，并定义了一个阈值速度，低于该阈值速度时液滴被捕获。然而，有必要考虑弹性和毛细效应的耦合，以实现对软衬底的捕获过程的更好理解。在这里，我们实验研究的动态影响薄的柔性纤维上的一个单一的下降。我们的结果表明，阈值捕获速度依赖于纤维的灵活性在一个非单调的方式。我们得出结论，调整纤维的机械性能可以优化液滴捕获的效率。
2015-10-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
