Fluctuation covariance-based study of roll-streak dynamics in Poiseuille flow turbulence
本研究针对壁湍流中滚转-条纹结构的维持机制争议，采用展向配置法结合S3T统计动力学与RNL近似，揭示了湍流泊肃叶流中脉动雷诺应力持续增强条纹、主导POD模态维持滚转的机制，验证了剪切流中该结构生长维持的普遍过程。
2024-04-14 physics.flu-dyn
Global stability analysis and direct numerical simulation of boundary layers with an isolated roughness element
对带有孤立粗糙元的边界层流动进行了全局稳定性分析和直接数值模拟。本文研究了长宽比为$η=1$和$η=0.5$的附壁长方体在固定粗糙度高度与位移边界层厚度比$h/δ^*=2.86$下的运动。全局稳定性分析能够捕获主要涡结构的频率。对于$η=1$，仅观察到静脉曲张不稳定。对于较薄的粗糙元（$η=0.5$），静脉曲张不稳定性占主导地位的弯曲不稳定性，和弯曲不稳定性变得更加明显，随着$Re_h$增加，由于在近尾流区的展向剪切增加。不稳定模式主要从中心条纹提取能量，尽管横向条纹也有贡献。DNS结果表明，不同的不稳定性特征导致了非线性转捩过程中涡结构的不同行为和发展。对于$η=1$，静脉曲张模式与发夹涡脱落相关。随着$Re_h$的增加，发夹涡的破裂发生在更接近粗糙度的地方，并且在更远的尾流中可以看到促进向湍流过渡的弯曲破裂行为。当$Re_h$足够高时，在更下游的内层和外层中建立充分发展的湍流。对于$η=0.5$，发夹涡的弯曲摆动在较高的$Re_h$下是突出的，导致近尾流中更强的相互作用，作为组合的静脉曲张和弯曲不稳定性的结果。动态模式分解（DMD）分析捕获的弯曲模式，并与条纹的“摆动”持续远下游。
2021-12-05 physics.flu-dyn
Self-sustaining process of minimal attached eddies in turbulent channel flow
最近已经通过数值实验表明，湍流槽道流中的含能运动以汤森附着涡的形式存在，该数值实验仅在规定的展向长度尺度下使用其自持性质来模拟含能运动（Hwang，2015，J. Fluid Mech.，767，p254）。在本研究中，在对数和外部区域中的每个展向长度尺度（即附着涡）的含能量运动的自维持过程的详细调查进行了强调其与“爆发”的相关性，这是指运动的能量时间振荡（Flores & Jiménez，2010，Phys. Fluids，22，071704）。结果表明，对数区和外区的附着涡由条纹和准流向涡结构组成，其自持过程与近壁区非常相似，即条纹通过升力效应被准流向涡显著放大;放大的条纹随后经历“快速的顺流弯曲运动”，使人联想到条纹不稳定性或瞬时生长，这最终导致条纹的破裂和新的准流向涡的再生。两个数值实验，旨在人为地抑制解除效果和条纹蜿蜒运动，分别揭示，这些过程是必要的成分的自我维持过程中的附加涡的对数和外部区域，与以前的几个理论研究。它还表明，在对数和外部区域的附加涡的升力效应的人工抑制导致大量的湍流表面摩擦减少。
2019-07-14 physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of transition under free-stream turbulence and the influence of large integral length scales
针对自由来流湍流大积分长度尺度推迟转捩的反常识实验结果，通过高保真模拟揭示其机制：大尺度诱导的宽条带层流区增长慢，能量向破碎相关小展向尺度传递耗时更长，故转捩更慢。
2024-03-13 physics.flu-dyn
Modulation of the regeneration cycle by neutrally buoyant finite-size particles
采用力耦合方法对平面Couette和压力驱动通道结构中的湍流悬浮流进行了直接数值模拟。当雷诺数略高于层流-湍流转捩时，考虑中性浮力有限尺寸（L_y /d = 20）球形颗粒的稀到中等浓度悬浮液。在湍流槽道和库埃特流中，用合成条纹进行的试验清楚地表明，颗粒触发槽道流中的不稳定性，而平面库埃特流变成层流。此外，我们已经表明，颗粒有一个显着的影响，压力驱动流通过详细的时间和空间分析，而他们没有显着的影响，平面Couette流配置。这两种流动之间的实质性差异与Couette流动中大规模卷（非活动运动）中颗粒的空间优先分布有关，而它们在压力驱动流动中的喷射（活动运动）区域中积累。通过对两种不同流动构型的颗粒改性的研究，我们能够显示湍流结构的特定响应和构成近壁湍流缓冲层中再生循环的基本机制的调制。特别是对于压力驱动的流动，颗粒增强提升并使其连续作用，而颗粒不显著改变条纹击穿过程。流向涡的加强是由于涡量拉伸项的波状条纹。波纹条纹的数量多、尺寸小，增强了涡量的拉伸，从而加强了悬浮流中大尺度流向涡的环流。
2018-06-07 physics.flu-dyn
Laminar-turbulent separatrix in a boundary layer flow
本文研究平板上的转捩边界层流动。已知边界层流在雷诺数的临界值以上会产生不稳定的Tollmien-Schlichting波。然而，还已知的是，可以在亚临界雷诺数下观察到这种转变。在这种情况下，层流状态的吸引盆与持续的湍流共存。在这篇文章中，这两个国家之间的分界线上的轨迹进行了模拟。分界线上的状态与初始条件无关，并且与层流和湍流动态地相关联。这种边缘状态提供了关于过渡流的基本特征的信息。解的形式是低速条纹，两侧是两个准流向弯曲涡。条纹的形状与线性最优扰动法模拟的条纹形状接近。这个解决方案相比，现有的结果条纹故障。模拟是在一个时间框架内实现的局部边界层，周期性边界条件的流向。提出了一种基于尺度分离的专用模型。平均流是普朗特边界层方程的解，而叠加的小尺度波动是周期性纳维-斯托克斯方程的解。该模型与湍流模拟进行了验证，并令人满意地再现了边界层流动的物理特性，特别是在外部区域，其中外部流体被夹带向边界层。
2013-02-14 physics.flu-dyn
Dynamics near the subcritical transition of the 3D Couette flow II: Above threshold case
这是第二个在一对工程，研究小扰动的平面，周期性的三维库埃特流在不可压缩的Navier-Stokes方程在高雷诺数$\textbf{Re}$。在这项工作中，我们表明，有恒定的$0 < c_0 \ll 1$，独立的$\textbf{Re}$，使足够有规律的干扰的大小$ε\lesssim \textbf{Re}^{-2/3-δ}$的任何$δ> 0$至少存在，直到$t = c_0ε^{-1}$和一般演变为$O(c_0)$由于解除效果。此外，在时间$t \gtrsim \textbf{Re}^{1/3}$之后，解的流向依赖性被混合增强耗散效应迅速减小，解被吸引回“2.5维”流向独立解（有时称为“条纹”）。这些条纹中最大的一条预计最终将在$t \approx ε^{-1}$发生二次不稳定。因此，我们的工作强烈建议，对于所有（足够规则）的初始数据，“提升效应$\Rightarrow$条纹增长$\Rightarrow$条纹故障”的情况下，3D库埃特流的湍流过渡的稳定性阈值附近的应用数学和物理文献的通用性。
2015-06-11 math-ph math.AP math.MP
Optimal non-linear mechanisms for laminar-turbulent transition of a shock-induced separated shear layer
Imperial College London（帝国理工学院）；ONERA, Université Paris-Saclay（法国航空研究院，巴黎萨克雷大学）
本文研究了激波边界层相互作用中层流-湍流转变的最优非线性机制，通过非线性输入输出优化框架揭示了分离流动中湍流发展的四阶段路径。
2026-05-10 physics.flu-dyn
Transient growth of wavelet-based resolvent modes in the buffer layer of wall-bounded turbulence
本研究通过小波基响应分析，发现壁湍流缓冲层中主响应模式的瞬态增长，其能量放大随注入强度平方增长，非线性项抑制增长，且主强迫模式最有效地放大条带能量。
2023-12-24 physics.flu-dyn
Role of acoustic metasurface in the nonlinear mode-mode interaction and breakdown of hypersonic boundary layer
本研究针对马赫数6平板边界层，探究声学超表面对转捩各阶段非线性模-模相互作用的影响，明确了超表面布置位置对推迟转捩、控制壁面摩擦的关键作用，为高超声速边界层转捩被动控制提供了优化依据。
2025-03-24 physics.flu-dyn
Boundary layer transition due to distributed roughness: Effect of roughness spacing
采用直接数值模拟（DNS）和全局稳定性分析方法，研究了粗糙元间距对分布粗糙元上边界层转捩的影响，并与相同雷诺数下的孤立粗糙元进行了比较。小的展向间距（$λ_z = 2.5h$）抑制了反向旋转涡（CVP）的形成，因此，发夹涡不会产生，下游剪切层是稳定的。对于$λ_z = 5h$，CVP和发夹涡是由第一排粗糙度引起的，扰动下游剪切层并引起转捩。初级发夹涡的时间周期性似乎与流向间距无关。与孤立粗糙度相比，分布粗糙度导致发生不稳定的较低临界Reh和更显著的边界层破裂。当流向间距与流动分离区域（$λ_x = 5h$）相当时，高动量流体几乎不会向下移动到空腔中，尾流对以下粗糙度元素的影响很小。主导的不稳定的静脉曲张模式与沿对齐的粗糙元素的中心低速条纹，其频率接近孤立的情况下的发夹涡的脱落频率。对于较大的流向间距（$λ_x = 10h$），从全局稳定性分析中得到两种不同的模式。第一模态表现出多样的对称性，对应于第一排粗糙度引起的初级发夹涡脱落。在纵向槽中形成的高速条纹也被发现是不稳定的，并与静脉曲张模式相互作用。第二种模态是第一排粗糙度的尾流进入第二排粗糙度时产生的频率较低的弯曲模态。它从高速和低速条纹之间的展向剪切中提取大部分能量。
2023-03-20 physics.flu-dyn
Distributed Roughness-Induced Transition on a Blunt Body at Mach 6: a Numerical Investigation
University of Maryland（马里兰大学）；University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
研究在马赫6条件下钝体表面粗糙度对湍流转变的影响，通过数值模拟揭示了粗糙度配置对层流-湍流转变机制的关键作用。
2026-02-03 physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulations of K-type transition in a flat-plate boundary layer with supercritical fluids
本文通过直接数值模拟研究超临界流体平板边界层的K型转捩，发现亚临界和跨临界温度剖面下转捩均被延迟，且跨临界条件下壁面超伪沸腾温度会诱发额外发卡涡与近壁条纹结构。
2024-11-21 physics.flu-dyn
Non-linear input/output analysis: application to boundary layer transition
我们扩展线性输入/输出（预解式）分析，考虑到非线性三元相互作用，考虑有限数量的谐波在频域中使用谐波平衡法。使用基于梯度的上升算法来计算使阻力最大化的强迫机制。通过在分析中包括非线性，所提出的频域框架识别层流-湍流过渡的最坏情况的扰动。我们证明了框架上的平板边界层考虑三维展向周期性扰动触发的几个最佳强制模式的有限振幅。两种类型的体积强迫被认为是，一个对应于一个单一的频率/展向波数对，和一个多谐波的谐波频率和波数也被添加。根据强迫策略，我们恢复了一系列的过渡方案与K型和H型机制，包括斜波和Tollmien-Schlichting波，条纹及其故障。我们发现，非线性在优化增长中起着至关重要的作用，通过结合和重新分配能量之间的线性机制和更高的扰动谐波。在频率和波数范围非常有限的情况下，计算似乎通过发夹和准顺流交错涡旋的产生和分解达到湍流状态的早期阶段。
2020-01-26 physics.flu-dyn
Self-sustained large-scale motions in the asymptotic suction boundary layer
大尺度运动，又称超结构，是壁面湍流中与动力学相关的相干结构，沿壁面法线方向跨越整个区域，对整体能量和动量输运有重要贡献。最近的调查渠道和库埃特流，表明这些大规模的运动是自我维持的，这意味着他们不是由小规模的运动在墙上。然而，对于与许多应用有关的开放式边界层，大尺度运动是否是自我维持的，还没有得到回答。在这里，使用的渐近吸入边界层流的摩擦雷诺数$Re_τ= 1\,168$作为试验台，我们表明，大规模的运动是自我维持的边界层。与以前的调查，在受限流，这一观察提供了强有力的证据的强大和一般性质的相干自持过程中的湍流壁有界流。大规模的自我持续的过程中，涉及准流向相干条纹和旋涡的边界层内的增长，故障和再生的动态显示时间相位关系，让人想起在缓冲层结构中观察到的爆裂。然而，动力学不同的准周期性的大规模条纹涡再生周期中观察到的限制流。基于边界层中大尺度运动和小尺度缓冲层结构的动力学相似性，我们推测，爆发行为只与一个壁的动力学相关性有关，而两个限制壁导致准周期循环。
2020-04-19 physics.flu-dyn
Ionic strength-driven cavitation nucleation: from energy deposition-based to tension-based cavitation
本研究结合纳秒激光实验与全原子分子动力学模拟，发现电解质水溶液的空化起始与强度仅由离子强度决定，阐明了其作用机制，证实离子强度是控制不同驱动方式下空化的统一参数。
2025-05-19 physics.flu-dyn
Oblique transition in hypersonic double-wedge flow
我们利用预解式和弱非线性分析与直接数值模拟（DNS）相结合，以确定机制的倾斜过渡马赫5高超音速流绝热细长双楔。即使层流分离流是全局稳定的，预解式分析表明，显着放大的非定常外部扰动的线性化流动方程。这些扰动被引入分离区的上游，并导致下游出现斜波。我们证明了斜波的大放大是由于分离剪切层中层流底流的流线曲率引起的波动剪切应力的增长。这与附着的边界层相反，在附着的边界层中不存在这种机制。我们还使用了弱非线性分析表明，预解算子与线性化周围的层流基流支配的稳定再附着条纹的演变所产生的非定常斜波的二次相互作用。这些二次相互作用在再附着剪切层中产生涡激，导致回流区中条纹的形成及其随后的放大、分解和向下游湍流的过渡。我们的能量收支分析表明，减速的基流附近的再附着是主要负责稳定条纹的放大。最后，我们采用DNS检查过渡到湍流的后期阶段，并展示了一个弱非线性输入输出框架的预测能力，揭示了触发机制的倾斜过渡分离的高速边界层流。
2022-05-27 math.AP math.DS math.OC
Instability Mechanisms and Intermittency Distribution in Adverse Pressure Gradient Attached and Separated Boundary Layers
本文对逆压梯度影响下的一个附着和两个分离边界层流动（包括小分离和大分离）进行了直接数值模拟。已经提供了三种情况下的过渡前边界层的统一图像，该图像揭示了"混合模式"不稳定性，包括来自不稳定波和流向条纹的贡献。对转捩速度信号的时频分析表明，随着雷诺数的减小，转捩速度信号的时频特征从"斑点"性质不断演变（表现出明显的湍流斑点），以实现"非斑点"行为（涉及湍流波动在时间上的更"均匀"分布）对于大分离情况，涵盖了整个过渡情景。过渡区内的不透明度因子的变化被认为是比较以及与Narasimha普遍不透明度分布。我们发现，虽然大分离的速度的时间变化是非斑点（或更“均匀”），展向变化的速度是斑点，表现出明确的集群高波数波动分离准层流区域。因此，所有病例均在过渡区表现出斑点，但表现形式不同。利用涡壁相互作用和展向涡结构不稳定性的思想，我们给出了附着和分离情况下转捩情景的物理动画。我们发现，集中击穿表现出的所有三种情况下，过渡开始和现场击穿过程是广泛一致的普遍的不稳定性分布的基本假设。
2021-06-18 physics.flu-dyn
Shock-induced heating and transition to turbulence in a hypersonic boundary layer
采用直接数值模拟（DNS）和壁面模型大涡模拟（WMLES）方法，研究了不同入射角下入射激波与冷壁面上马赫数为6的高超声速层流边界层的相互作用。在足够大的激波入射角下，边界层通过激波冲击下游附近近壁条纹的破裂转变为湍流，而不需要任何来流自由流扰动。过渡导致局部显着增加的斯坦顿数和表面摩擦系数，与高入射角增大的峰值热机械载荷以近似线性的方式。统计分析的边界层下游的相互作用，为每种情况下，量化流向的空间变化的雷诺类比因子，并表示故障的Morkovin的假设附近的墙壁，速度和温度变得相关。一个修改后的强雷诺模拟与一个固定的湍流普朗特数观察到执行最好的。传统的变换不能使不可压缩的对数定律上的平均速度剖面塌陷。WMLES促进过渡和峰值加热，延迟分离，并提前再附着，从而缩短分离泡。当冲击导致过渡，WMLES提供预测的DNS峰值热机械载荷内$\pm 10\%$的计算成本低于DNS的两个数量级。下游的相互作用，在湍流边界层，WMLES同意与DNS结果的雷诺相似因子，速度和温度的平均剖面，包括温度峰值，和温度/速度的相关性。
2020-10-20 physics.flu-dyn
Optimal transitional mechanisms of incompressible separated shear layers subject to external disturbances
本文结合线性预解分析和HBNS框架，研究了层流分离泡上不可压缩剪切层的最优转捩机制，揭示了外部扰动下T-S波向K-H及离心不稳定性的转变，并阐明了流向涡导致大尺度相干结构破裂的过程。
2025-07-06 physics.flu-dyn
Minimal seed in supersonic boundary layer at $M=3$
Institute of Fluid Science, Tohoku University（东北大学流体科学研究所）
研究揭示了超音速边界层中非线性效应如何通过特定扰动结构促进层流向湍流转变，即使在冷却条件下仍保持稳定，显著降低转变所需能量。
2026-11-02 physics.flu-dyn
Dynamics of a Data-Driven Low-Dimensional Model of Turbulent Minimal Pipe Flow
本研究构建了基于自编码器和神经ODE的圆管湍流低维数据驱动模型，在雷诺数2500下将自由度从O(105)降至20以下，成功捕捉流动特征与动力学，并发现17个新解。
2025-08-01 physics.flu-dyn
Aero-thermal analysis of a laminar separation bubble subjected to varying free-stream turbulence: Large Eddy Simulation
本文利用大涡模拟研究自由流湍流对平板层流分离泡转捩与传热的影响，揭示不同湍流水平下K-H不稳定性与Klebanoff模态的转捩机制及其对热流的作用。
2023-04-13 physics.flu-dyn
Dynamics of a data-driven low-dimensional model of turbulent minimal Couette flow
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
因为纳维-斯托克斯方程是耗散的，所以状态空间中的流的长时间动力学预计会坍缩到流形上，该流形的维度可能比解析模拟所需的维度低得多。在这个流形上，系统的状态可以在参数化流形的坐标系中精确描述。在这种低维坐标系中描述系统允许更快的模拟和分析。我们表明，湍流Couette流，这种动态描述是可能的，使用数据驱动的流形动力学建模方法。这种方法由一个自动编码器来找到一个低维流形坐标系和一组由神经网络定义的常微分方程。具体地说，我们应用这种方法的最小流动单元的湍流平面Couette流在$\textit{Re}=400$，其中一个完全解决的解决方案需要$\mathcal{O}(10^5)$自由度。仅使用来自该模拟的数据，我们建立了具有少于$20$自由度的模型，该模型定量地捕获流的关键特性，包括条纹击穿和再生循环。在短时间内，模型跟踪多个李雅普诺夫时间的真实轨迹，在长时间内，模型捕获雷诺应力和能量平衡。为了比较，我们表明，该模型优于POD Galerkin模型与$\sim$ 2000自由度。最后，我们计算不稳定的周期轨道的模型。其中许多非常类似于以前计算的轨道为整个系统，此外，我们发现九个轨道，对应于以前未知的解决方案，在整个系统。
2023-01-11 cs.LG physics.flu-dyn
Instabilities and transition in cooled-wall hypersonic boundary layers
壁面冷却对高超声速边界层的不稳定性发展和转捩过程有重要影响。本文采用线性稳定性理论、二维和非线性三维离散元数值方法分析了马赫数为6的边界层，壁温范围从近绝热到高度冷却，其中第二模态不稳定性辐射能量。流体热力学分析表明，这种辐射包括声波以及涡波。二维模拟表明，传统的“捕获”的第二模式不稳定性的性质被打破。虽然声学和涡分量的能量流出随着壁面冷却而增加，但不稳定效应要强得多，并且实现了压力扰动没有显著减轻。在近绝热HBL中，波包仍然被困在边界层内，并在线性不稳定区域外衰减。然而，在冷却壁HBLs的波包放大和显示非线性失真，和过渡更迅速。的波包的结构显示不同的行为;适度冷却的壁显示分叉成一个领先的湍流头部区域和拖尾谐波区域，而高度冷却的壁的情况下，显示较低的对流速度和显着的波包伸长，间歇性的湍流喷射在头部区域的尾流。这种伸长效应与由于展向相干结构的破坏而导致的横向喷流机制的减弱有关。在中等冷却壁面中，空间局部化的壁面载荷是由于湍流头部前沿区域的相干结构引起的。在高度冷却的壁面中，波包尾流区的细长近壁条纹在持续的一段时间内导致两倍以上的表面摩擦和传热水平。
2020-09-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
