Criteria Of Turbulent Transition In Parallel Flows
基于能量梯度法，分别提出了压力驱动流和剪切驱动流的湍流转捩判据。对于压力驱动流，湍流转捩的充分必要条件是平均流中存在速度拐点。对于剪切驱动流，湍流转捩的充分必要条件是平均流剖面中存在零速度梯度。结果表明，湍流转捩可以通过能量梯度函数的奇异性来实现，这种奇异性可能与动力系统中的混沌吸引子有关。扰动在过渡中的作用也阐明了导致能量梯度函数接近奇点。最后，令人感兴趣的是，可以通过调制能量梯度函数的分布来控制湍流。
2009-06-02 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Towards Scalable Parallel-in-Time Turbulent Flow Simulations
MIT（麻省理工学院）
提出一种非定常湍流模拟的重新表述，通过松弛初始条件并允许信息在时间上前向和后向传播，将混沌动力系统模拟转化为良态时域边值问题，从而实现可扩展的时间并行湍流模拟。
2013-07-18 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Evolution of turbulent spots in a parallel shear flow
采用全三维数值模拟方法研究了平行剪切流中湍流斑的演化过程。流动由自由表面限定，并由体积力驱动。在展向斑点横截面中可以确定三个区域：湍流内部，具有突出的流向条纹和旋涡的界面层和由斑点的存在引起的具有大尺度流动的层流外部区域。在靠近光斑界面的区域，可以清楚地观察到由非正态放大引起的流向条纹的抬升现象。该点的特征可以是指数衰减的前缘，其移动速度不同于横流流出速度或流向滚转模式的展向相速度。斑点的增长似乎与大尺度外部流动密切相关，因为沿下游方向延伸穿过盒的湍流带不显示大尺度流动，并且不增长。定量地说，大尺度流动在斑点附近引起线性不稳定，但相关的锋速度太小，无法解释斑点的扩展。
2001-03-26 nlin.CD physics.flu-dyn
Dynamical and statistical phenomena of circulation and heat transfer in periodically forced rotating turbulent Rayleigh-Benard convection
在本文中，我们提出的结果，从实验研究到湍流瑞利-贝纳德对流强迫外部周期性调制的单向旋转速率。我们发现大尺度环流的方位角旋转速度$\dotθ$（t）和热振幅$δ$（t）受到强迫的调制，表现出多种动力学特征，包括相位延迟的增加和$\dotθ$（t）振幅的共振峰。我们还专注于调制的旋转速率的随机停止/重定向事件的发生频率$η$的影响，以及这些事件和周期性调制的响应$\dotθ$（t）之间的相互作用。在这里，我们确定了一种机制，其中$η$可以被放大的调制响应和这些正常的随机事件可以发生高的规律性。我们提供了一个建模框架，解释所观察到的幅度和相位响应，并扩展这种方法，使停止事件的发生和概率分布的$\dotθ$（t）和$δ$（t）在调制周期的不同阶段的预测，基于绝热的方法，分别对待每个阶段。最后，我们表明，这种周期性的强迫有影响LSC动力学以外的后果，通过调查它如何可以修改的热传输，即使在条件下，埃克曼泵效应是占主导地位的，强烈增强的热传输发生。我们确定的相位和振幅响应的热传输，并显示如何增加调制的平均努塞尔数的影响。
2016-09-13 physics.flu-dyn
Transition phenomena in unstably stratified turbulent flows
我们研究实验和理论上的过渡现象所造成的外部强迫从Rayleigh-Benard对流与大尺度环流（LSC）的限制制度的不稳定分层湍流没有LSC的温度场的行为像一个被动标量。在实验中，我们使用的瑞利-贝纳德装置与两个振荡网格位于附近的侧壁室产生的额外的湍流源。当网格振荡频率大于2 Hz时，湍流对流中的大尺度环流被破坏，大尺度环流的破坏伴随着平均温度分布的强烈变化。然而，在不稳定分层湍流的所有状态下，比率$\big[(\ell_x \nabla_x T)^2 + (\ell_y \nabla_y T)^2 + (\ell_z \nabla_z T)^2\big] / < θ^2 >$略有变化（即使在温度场的行为与被动标量的行为不同的参数范围内）。其中$\ell_i$是湍流沿x、y、z方向的积分尺度，T和θ是流体温度的平均和波动部分。在所有频率的网格振荡，我们已经检测到的长期非线性振荡的平均温度。基于湍流动能、湍流温度脉动和湍流热通量收支方程的理论预测与实验结果一致。
2011-01-22 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
High-order gas-kinetic scheme with parallel computation for direct numerical simulation of turbulent flows
本文研究了高阶气体动力学格式（HGKS）对各向同性可压缩湍流的直接数值模拟（DNS）的性能。由于HGKS的多尺度特性和时空耦合演化过程，它为可压缩湍流的数值模拟提供了一个有效的工具。基于区域分解和消息传递接口（MPI），本文开发了一个适用于大规模计算的并行HGKS程序。从近不可压缩流到超声速流，包括Taylor-Green涡问题、湍流槽道流和各向同性可压缩湍流，通过标准测试验证了并行实现的可扩展性、效率、精度和鲁棒性。对于近不可压湍流，HGKS的性能与高阶有限差分格式相当，包括流动结构的分辨率和计算效率。根据数值解的精度，对该格式在湍流模拟中的数值耗散进行了定量评价。作为一种介观方法，HGKS方法由于其高阶精度而优于格子玻尔兹曼方法（LBM）和离散统一气体动力学方法（DUGKS）。同时，基于动力学方程的HGKS方法在超声速湍流模拟中具有较高的精度和鲁棒性。目前的工作表明，HGKS作为一个强大的DNS工具的能力，从低速到超音速湍流研究，这是很少报告的框架下的有限体积格式。
2020-05-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A two-phase mixing layer between parallel gas and liquid streams: multiphase turbulence statistics and influence of interfacial instability
平行气液两相流之间形成的两相混合层是多相湍流的一个重要基础问题。这个问题与许多工业应用和自然现象有关，例如燃料喷射系统中的空气喷射雾化器和海洋中的破碎波。气体和液体流之间的速度差触发界面不稳定性，其可以是对流的或绝对的，这取决于流的性质和注入参数。本文对处于绝对不稳定区的气液两相混合层进行了直接数值模拟。在数值模拟中观察到了一个主频率，数值结果与粘性稳定性理论的预测吻合得很好。由于界面波在湍流转捩和发展中起着关键作用，湍流脉动（如涡度拟能）的时间演化也表现出类似的频率。为了研究多相湍流的统计响应，模拟已经运行了很长的物理时间，以便可以进行时间平均，以产生雷诺应力和湍流动能（TKE）预算的统计收敛结果。已经进行了使用800万至约40亿个单元的广泛的网格细化研究。与TKE预算中的其他条款相比，湍流耗散对网格分辨率的要求很高。与最好的网格得到的结果被证明是不远的收敛结果的湍流耗散，使我们能够获得估计的Kolmogorov和Hinze尺度。计算的Hinze尺度明显大于观察到的液滴的尺寸，并且似乎不是描述雾化中形成的液滴的最小尺寸的相关长度尺度。
2018-08-06 physics.flu-dyn
Beyond chaos: fluctuations, anomalies and spontaneous stochasticity in fluid turbulence
The Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；University of California San Diego（加利福尼亚大学圣地亚哥分校）
本文探讨湍流中波动、异常和自发随机性，分析湍流现象的统计流体动力学发展及渐近极限的细致考虑。
2025-12-30 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Transition Probability to Turbulent Transport Regime
用统计理论分析了在亚边缘湍流等离子体中观察到的热噪声态和湍流态之间的转变现象。通过对具有滞后特性的朗之万方程的数值模拟，得到了湍流脉动的时间发展过程。分析了两种状态之间的转换率。从亚临界分岔点到线性稳定边界之间的整个区域都发生了从湍流状态到热噪声状态的转变。
2002-04-04 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Stochastic Transition between Turbulent Branch and Thermodynamic Branch of an Inhomogeneous Plasma
用统计理论分析了亚边缘湍流等离子体中热力学分支与湍流分支之间的过渡现象。通过数值模拟具有亚边缘特征的朗之万方程，得到了湍流脉动的时间发展。分析了两种状态之间的概率密度函数和跃迁率。从亚临界分岔点到线性稳定边界之间的几乎整个区域都发生了从湍流分支到热力学分支的转变。
2002-04-04 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Three-dimensional generative adversarial networks for turbulent flow estimation from wall measurements
本文提出用单个三维GAN直接从壁面测量重建近壁湍流三维场，在误差相当的同时降低训练成本，并揭示结构壁面足迹对重建精度的影响。
2024-09-10 physics.flu-dyn
Turbulent transport for wall shear stress fluctuations
The University of Houston（休斯顿大学）；Imperial College London（帝国理工学院）
本文通过量纲分析和直接数值模拟，研究泊肃叶流与库埃特流中壁面剪切应力脉动的谱特性，发现其由湍流输运主导且随雷诺数增大而增强，并伴随逆能量传递。
2025-10-15 physics.flu-dyn
Turbulent Kinetic Energy Spectra of Solar Convection from NST Observations and Realistic MHD Simulations
宁静太阳的湍流特性代表了表面条件的基本状态，也是太阳活动各种过程的背景。因此，了解这一“基本”状态的性质和动力学，对于研究更复杂的现象、光球和大气层中观测到的现象的形成和发展是重要的。对于表征的湍流特性，我们比较动能光谱颗粒和亚颗粒尺度上获得的红外TiO观测与新的太阳望远镜（大熊太阳天文台）和三维辐射MHD数值模拟（'SolarBox'代码）。我们发现，数值模拟需要一个高的空间分辨率与10 - 25公里的网格步长，以重现惯性（柯尔莫哥洛夫）湍流范围。观测数据需要一个平均程序，以消除噪音和潜在的仪器伪影。由此产生的动能谱显示出模拟和观测之间的良好一致性，为太阳上更复杂的湍流现象的详细联合分析开辟了新的视角，并可能在其他恒星上。此外，利用模拟和观测结果，我们研究了背景磁场的影响，发现由于磁场的影响，小尺度湍流能量增加，而大尺度湍流能量减少。
2012-06-22 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.flu-dyn
A pencil-distributed finite-difference solver for extreme-scale calculations of turbulent wall flows at high Reynolds number
本文提出一种铅笔分布式有限差分求解器，用于高雷诺数湍流壁面流动的极端规模模拟，通过改进泊松求解器和重设计的并行循环归约算法，在高达800亿网格点和1024块GPU上实现比基线快约两倍的性能，且无扩展性损失。
2025-08-06 physics.flu-dyn
Generation of Turbulent States using Physics-Informed Neural Networks
在模拟湍流时，通常情况下，有关强迫项或边界条件的信息要么不可用，要么过于复杂，实施起来成本高昂。相反，一些流动特征，例如平均速度分布或其统计矩，可以通过实验或观察来获得。我们提出了一种基于物理信息的神经网络生成湍流状态受一组给定的条件的方法。物理通知方法确保最终状态近似于有效流。我们展示了不同的统计条件，可用于准备状态，实验和大气问题的动机的例子。最后，我们展示了两种缩放准备状态的分辨率的方法。一种是通过使用多个并行神经网络。另一种方法是使用nudging，这是一种基于同步的数据同化技术，利用了专业数值求解器的力量。
2022-09-09 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
Analysis of wall-pressure fluctuation sources from DNS of turbulent channel flow
采用一种新的框架研究了槽道湍流中壁面压力脉动的来源。壁压功率谱密度（PSD）$(ϕ_{pp}(ω))$表示为来自所有壁平行平面对的积分贡献，$ϕ_{pp}(ω)=\int_{-δ}^{+δ}\int_{-δ}^{+δ}Γ(r,s,ω)\,\mathrm{dr}\,\mathrm{ds}$，使用格林函数。这里，$Γ(r,s,ω)$被称为两个壁平行平面$y=r$和$y=s$之间的净源交叉谱密度（CSD），并且$δ$是半通道高度。利用$180$和$400$在摩擦雷诺数下的直接数值模拟（DNS）数据计算了$Γ(r,s,ω)$。净源CSD，$Γ(r,s,ω)$的分析表明，在$ω^+\approx 0.35$的功率谱和波数谱在$λ^+\approx 200$负责的预乘峰的主导源的位置是在缓冲层中的$y^+\approx 16.5$和$18.4$分别为$Re_τ=180$和$400$。对于$ω^+>0.35$，壁面平行平面（位于离壁面距离$y^+$处）对壁面压力PSD的贡献在$y^+$中是对数正态的。一个占主导地位的内部重叠区域的源的相互作用，观察在低频率。利用谱本征正交分解（POD）分析了壁面压力脉动源的解相关特征。我们要求模在具有对称正定核的内积中是正交的。频谱POD支持净源由两个去相关分量组成的情况-活动（主导模式）和非活动（剩余模式）。在预乘壁压PSD峰值处的主导POD模态所代表的结构向…
2020-03-31 physics.flu-dyn
Turbulent shear layers in confining channels
我们提出了一个简单的模型之间的平行流在封闭的渠道剪切层的发展。这种流动在从扩散器、喷嘴和管道到城市空气流动和地球物理流体动力学的广泛主题中是重要的。该模型将剪切层中的流动近似为分离匀速流的线性剖面。通道几何形状和壁面阻力都影响流动的发展。该模型与粒子图像测速实验和计算湍流模型吻合良好。该模型的计算成本低，使其可以用于设计目的，我们证明了通过调查最佳的压力恢复在扩散器与非均匀流入。
2018-04-06 physics.flu-dyn
Particle resolved simulation of sediment transport by a hybrid parallel approach
采用混合并行粒子模拟方法研究了可蚀性河床上的泥沙输移问题。为了克服传统区域分解法在泥沙输运中遇到颗粒分布高度不均匀时负荷不平衡的挑战，提出了Darmana等的并行方法。（2006）最初是为点粒子模拟开发的，被修改并实现为粒子分辨模拟。提出了一种新的内存优化技术，以减少相同大小的球形粒子的混合方法的内存需求。在具有超过一百万个球形颗粒的具有挑战性的沉积物输运测试案例中，本混合并行方法显示出良好的可扩展性和高并行效率。我们的代码进行了验证，通过几个基准的情况下，结果显示出良好的协议与文献中的实验和计算数据。此外，还模拟了可蚀性泥沙床面上的湍流。提出了一种区分跃移和滚动颗粒的提取方法，并提取了颗粒-移动床相互作用的冲击和反弹信息。给出了冲击和反弹过程中速度、角度和展向角速度等跃移参数的概率分布函数。建立了湍流中颗粒-移动床相互作用的飞溅函数，这一实验研究较少，有助于模拟湍流中复杂的颗粒-床相互作用。
2022-07-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Ion Heat and Parallel Momentum Transport by Stochastic Magnetic Fields and Turbulence
本文提出了随机磁场与湍流相互作用的平行动量和离子热的湍流输运理论。注意力集中在确定动应力和压缩能通量。一个关键参数被确定为湍流散射率的比率的平行声色散。当参数较大时，动应力表现为粘性应力.当参数较小时，准线性残余应力得到恢复。实际上，粘性应力是相应的形式，并且准线性极限是不可观测的。这是本文的主要预测。一个简单的物理图片开发和显示恢复的详细分析的结果。
2021-11-05 nucl-th physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Musico-acoustic Depictions of Laminar and Turbulent Flows in Ligeti Piano Etude No. 9 and a Novel Method of Analysis
本文提出一种基于层流与湍流隐喻的新音乐分析方法，以利盖蒂练习曲第9号为模型，通过术语转换、理论框架和散点图揭示音乐结构中的类流体行为。
2023-06-17 cs.SD eess.AS physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulations of turbulent flows using high-order Asynchrony-Tolerant schemes: accuracy and performance
直接数值模拟（DNS）是理解湍流基本物理的不可或缺的工具。由于它们的计算成本随着雷诺数（$R_λ$）的急剧增加，即使在中等的$R_λ$下，良好解析的DNS也只能在大规模并行超级计算机上实现。然而，在极端规模下，当前方法中涉及的处理元件（PE）之间的通信和同步变得极其昂贵，并且预计将成为可扩展性的主要瓶颈。为了克服这一挑战，我们开发了算法，使用所谓的异步容忍（AT）计划，放宽通信和同步的限制，在数学水平上，执行DNS的衰减和螺线管强迫可压缩湍流。使用两种方法引入异步，一种避免同步，另一种避免通信。这些分别在PE边界处导致周期性和随机延迟。我们表明，这两种异步算法准确地解决了大尺度和小尺度的湍流运动，包括瞬时和间歇性的字段。我们还表明，在异步模拟的通信时间是一个相对较小的分数的总计算时间，特别是在大处理器数，相比标准的同步模拟。因此，我们观察到改进的并行可扩展性$262144$处理器的异步算法。
2020-03-23 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Modelling suspended sediment in environmental turbulent fluids
模拟环境湍流流体中的沉积物输运是一项挑战。本文建立了一个在洪水和海啸等环境流体流动中悬浮泥沙横向输运的合理模型。该模型是系统地从三维湍流模型的基础上Smagorinski大涡封闭。中心流形理论将物理动力学嵌入到一类问题中，通过分析系统的线性动力学，指出了由宏观变量参数化的慢流形的存在性。计算机代数，然后构建慢流形流体深度，深度平均横向速度，和悬浮泥沙浓度。该模型考虑了泥沙侵蚀、平流、扩散以及泥沙与湍流的相互作用。定常流中流速和浓度的垂向分布与已有的实验数据相吻合。对大波浪作用下悬沙的数值模拟表明，所建立的模型预测了物理上合理的现象。
2014-07-07 math.DS physics.flu-dyn
Turbulent kinetic energy in 2D isothermal interchange-dominated scrape-off layer ExB drift turbulence: Governing equation and relation to particle transport
本文研究了二维等温静电主导的ExB漂移湍流中的湍流动能（$k_\perp$）及其与颗粒输运的关系。前者的演化方程解析推导出底层湍流方程。计算该方程表明，湍流动能的主要来源是由于交换驱动，而鞘层的并联电流损失构成了主要的汇。湍流动能的周向输运在平衡方程中似乎起次要作用。雷诺应力能量传递似乎也可以忽略不计，大概是因为没有显着的剪切流发展下给定的假设，在开放的场线区域的等温鞘限制条件。湍流的交换源与平均湍流ExB能通量解析相关，而TOKAM 2D数据的回归分析表明，鞘层损失的湍流动能模型是线性的。一个类似的回归分析产生一个平均径向粒子通量的扩散模型，其中异常扩散系数与湍流动能的平方根成比例。结合这三个组成部分，一个封闭的方程组的平均场粒子输运得到，其中的湍流的源取决于平均流梯度和$k_\perp$通过粒子通量，而湍流是饱和的鞘层的平行损失。在一维平均场代码中实现这个新模型在一系列模型参数上与原始TOKAM2D数据表现出良好的一致性。
2021-01-18 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Charge Transport Scalings in Turbulent Electroconvection
本文描述了湍流电对流中平均无量纲电流$Nu$的局部幂律标度理论。实验系统由弱导电的亚微米厚的液晶膜支撑在同心圆电极之间的环形空间中组成。它被驱动到电对流由施加电压之间的内部和外部边缘。在足够大的电压差下，流动是不稳定的，并且电荷在电极之间有害地传输。我们的理论发展，这密切平行的Grossmann-Lohse模型的湍流热对流，预测本地幂律$Nu \sim F(Γ) {\cal R}^γ {\cal P}^δ$。${\cal R}$和${\cal P}$是无量纲数，分别类似于热对流的瑞利数和普朗特数。由模型指定的无量纲函数$F(Γ)$描述了$Nu$对纵横比$Γ$的依赖性。我们发现$Nu$的测量结果与理论模型是一致的。
2005-01-03 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
A Massively Parallel Hybridizable Discontinuous Galerkin Solver for Direct Numerical Simulation of Compressible Flows on GPUs
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文提出面向GPU的大规模并行HDG求解器，结合高阶离散化、DIRK时间积分等技术，在三类可压缩流基准问题上验证其可解析多种流态的能力，实现高效DNS计算。
2026-08-31 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Modeling the turbulent cross-helicity evolution: Production, dissipation, and transport rates
人们已经认识到，湍流交叉螺旋度（速度和磁场波动之间的相关性）可以发挥重要的作用，在几个磁流体动力学（MHD）等离子体现象，如全球磁场的产生，湍流抑制等，尽管其相关性的交叉螺旋度的演变，很少有人注意到湍流交叉螺旋度的耗散率，$ε_W$。本文考虑湍流交叉螺旋度耗散率的模型表达式。在代数模型的基础上，根据非均匀湍流的统计分析理论，提出了$ε_W$的演化方程。采用$ε_W$湍流模型模拟太阳风湍流。将数值模拟结果与卫星观测结果进行了比较。结果表明，就太阳风应用而言，$ε_W$的最简单的代数模型足以阐明太阳风湍流的大尺度空间演化。并讨论了横螺旋度演化对大尺度速度结构（如速度切变和流动膨胀）的依赖性。
2011-07-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
