Wall-bounded turbulence needs not be long
School of Aeronautics, U. Polit\'ecnica Madrid（马德里理工大学航空学院）
研究壁面湍流中长条纹再生等问题，通过实验和模拟发现长条纹初始增长与平均剪切力和长横向流速有关，特定模拟中湍流在部分阻尼下能持续且恢复，给出相关模拟及能量平衡解释，支持新的壁面湍流模型。
2026-07-13 physics.flu-dyn
Decay of streaks and rolls in plane Couette-Poiseuille flow
本文报道了在雷诺数$Re$突然减小后，层流层出现的“淬熄”实验中，对平面Couette-Poiffille流中湍流衰减的实验研究结果。具体来说，我们研究的速度场在流向展向平面。我们发现，展向速度包含卷，衰减速度比流向速度，显示细长的区域较高或较低的速度称为条纹。当最终雷诺数大于425时，条纹的衰减表现为两个阶段：第一阶段是有滚转时的缓慢衰减，第二阶段是单独条纹的快速衰减。性能的差异是由辊再生条纹引起的，称为提升效应。我们将湍流分数定义为包含湍流的流动的部分，并且这通过对展向速度分量进行阈值化来估计。在最终$Re$的整个范围内，它随时间线性下降。相应的衰减斜率随最终$Re$线性增加。衰减斜率消失时的外推值为$Re_{a_z}\approx 656\pm10$，接近湍流自维持时的$Re_g\approx 670$。从展向速度分量计算的能量的衰减被发现是指数。相应的衰减率随$Re$线性增加，外推消失值为$Re_{A_z}\approx 688\pm10$。该值也接近湍流自维持的值，表明在$Re$的宽范围内可以获得关于转捩的有价值的信息。
2021-11-03 physics.flu-dyn
Waviness and self-sustained turbulence in plane Couette-Poiseuille flow
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales（布宜诺斯艾利斯大学，理学院）；CONICET - Universidad de Buenos Aires, Instituto de Física Interdisciplinaria y Aplicada (INFINA)（阿根廷国家科学研究委员会-布宜诺斯艾利斯大学，交叉与应用物理研究所 (INFINA)）；Institut Franco-Argentin de Dynamique des Fluides pour l’Environnement, IRL 2027, CNRS, Universidad de Buenos Aires, CONICET（法阿环境流体力学研究所，IRL 2027，法国国家科学研究中心，布宜诺斯艾利斯大学，阿根廷国家科学研究委员会）；Université Savoie Mont Blanc, CNRS UMR 5271, LOCIE（萨瓦-蒙布朗大学，法国国家科学研究中心 UMR 5271，LOCIE）；Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes (PMMH UMR 7636) CNRS, ESPCI Paris, Université PSL, Sorbonne Université, Université Paris Cité（异质介质物理与力学实验室 (PMMH UMR 7636)，法国国家科学研究中心，巴黎高等物理化工国立学校，巴黎文理研究大学，索邦大学，巴黎西岱大学）
研究发现平面Couette-泊肃叶流中湍流波纹与涡旋存在二次函数关系，揭示了自激湍流形成的关键机制。
2026-03-10 physics.flu-dyn
Modification of particle-laden near-wall turbulence: effect of Stokes number
湍流通道流充满颗粒的研究使用直接数值模拟与点力近似的小，重颗粒的直径小于流体的Kolmogorov长度尺度。在我们的研究中考虑的壁单位的斯托克斯数为$St^+=0.5, 5, 35$和125。本研究的主要目的是考察斯托克斯数对通道中湍流修正的影响。我们发现，颗粒与$St^+=0.5$增强湍流的发生准流向涡，而较大的斯托克斯数的颗粒衰减湍流。当$St^+=0.5$时，动能从颗粒转移到高速区域和低速条纹中的流向流体速度波动，这可能增加低速条纹的不稳定性，从而导致新的准流向涡的产生。另一方面，低速条纹中较大斯托克斯数颗粒的优先浓度是湍流衰减的原因，并且颗粒对流体的缓慢响应产生对与准流向涡相关的流体速度的反馈。
2014-09-04 physics.flu-dyn
POD-based study of turbulent plane Poiseuille flow: comparing structure and dynamics between quasi-linear simulations and DNS
本文分析了限制非线性动力学中的湍流，并与$R=1650$上的Poienille湍流的DNS进行了比较。的结构得到POD分析的两个组成部分的RNL动力学中使用的流量分区：流向平均流量和波动。POD分析表明，占主导地位的POD模式，在DNS和RNL，在展向滚条纹谐波。然而，我们的结论是，这些POD模式不会孤立地发生，而是相干的滚动条纹结构的傅立叶分量。POD分析的DNS和RNL的波动揭示了类似的复杂结构，包括在部分斜波搭配条纹。这些结构的起源是确定其对应POD模式预测使用随机湍流模型（STM）。这些预测的POD模式占主导地位的最佳增长的结构上的条纹，STM预测正确的弯曲斜波结构。在DNS，RNL和STM的卷条纹结构和相关的波动之间的这种密切的对应关系意味着，在DNS中运行的自我维持机制基本上是相同的，在RNL中，这已经与最佳扰动增长的条纹。
2023-03-29 physics.flu-dyn
Edge states for the turbulence transition in the asymptotic suction boundary layer
本文证明了渐近吸力边界层纳维-斯托克斯方程精确不变解的存在性。确定的周期性轨道与一个很长的周期几千平流时间单位被发现作为一个本地的动力学吸引嵌入在层流和湍流动力学之间的稳定边界。它的动力学捕获了在许多剪切流中观察到的下游方向的涡对和条纹的相互作用以及边界层的特征能量爆发。通过嵌入到一个家庭的流动，平面Couette流和边界层之间的插值，我们证明了周期轨道出现在鞍结无限周期（SNIPER）分岔的两个相关的行波解的平面Couette流。物理上，长周期是由于一个缓慢的条纹不稳定性，这导致了一个暴力的条纹破裂和重组的条纹在不同的展向位置。我们表明，轨道是结构稳定的雷诺数和域的大小变化时。
2013-04-19 physics.flu-dyn
On the role of actuation for the control of streaky structures in boundary layers
本文研究了在零压力梯度过渡边界层中由自由流湍流引起的条纹结构的闭环控制。一个线性二次型高斯调节器被认为是随着系统辨识技术，以建立降阶模型的控制。三个致动器的开发与不同的空间支持，对应于一个基线形状，只有垂直迫使，和其他两个形状通过不同的优化程序。一个计算效率高的方法推导出获得一个致动器，其目的是诱导的确切的结构内的边界层，在他们的第一个频谱适当的正交分解模式，和一个致动器，最大限度地提高能量的诱导下游结构。两个自由流的湍流度进行了评估，相应的3.0%和3.5%，和闭环控制应用于过渡边界层的大涡模拟。所有三个致动器导致显着的延迟过渡到湍流，并被证明是强大的自由流湍流水平的轻微变化。差异的理解方面的SPOD的驱动和FST引起的字段以及因果关系的控制方案。为产生代表开环流中条纹的领先下游SPOD模式而优化的致动器导致最高的过渡延迟，这可以理解为是由于其紧密抵消边界层中结构的能力。然而，它示出，即使与位于下游的输入测量的致动器，它可能变得不可能以因果关系的方式取消传入的干扰，取决于壁正常的位置的输出和考虑的致动器，这限制了传感器和致动器的位置能够良好的闭环性能。
2019-02-13 physics.flu-dyn
Stochastic Structural Stability Theory applied to roll/streak formation in boundary layer shear flow
随机结构稳定性理论（SSST）提供了一个自治的，确定性的，非线性动力系统的发展的统计平均状态的湍流系统。在这项工作中，SSST适用于理解的自由流湍流（FST），并与旁路过渡在边界层的辊/条纹结构的形成的问题。横流/展向平面中的滚转结构和相关的流向条纹被证明是FST和平均流之间相互作用的线性不稳定性。在这种相互作用中，由FST产生的非相干雷诺应力通过扰动流向条纹来组织，以相干地迫使扰动滚转引起流向条纹扰动的放大，并通过这种反馈导致滚转/条纹/湍流复合体的不稳定性。支持滚转/条纹/湍流复合不稳定性的主要湍流扰动结构是斜波形式的非正常最佳扰动。在STM激发参数的分叉处出现了导致滚动/条纹结构的合作线性不稳定性。这种结构不稳定性最终在有限振幅下非线性地平衡，尽管由此产生的统计平衡流向条纹是弯曲的，但相关的流动是稳定的。通过这种机制形成和平衡的辊/条纹结构可以追溯到非正常的基础之间的相互作用的扰动和模态稳定系统中的平均流量。
2010-11-05 physics.ao-ph 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
Coherent structures in localised and global pipe turbulence
最近在管流中发现的不稳定行波（TW）被誉为一个重大突破，希望他们填充湍流吸引子。我们证实了存在的相干态与内部的快速和缓慢条纹相称的结构和能量与已知的TW在一个长管道中使用数值模拟。然而，这些只发生在低雷诺数（Re=2000-2400）时（局部）“喷流”湍流的低能量区域内，而在Re=2800时（均匀）“段塞”湍流中根本不发生。这强烈表明，所有目前已知的TW坐在层流和湍流状态之间的相空间的中间区域，而不是被嵌入在湍流吸引子本身。具有强烈减速核心的新相干快条纹态似乎取代了湍流吸引子。
2008-02-20 physics.flu-dyn
Laminarising turbulent pipe flow by linear and nonlinear optimisation
本文利用非线性优化与线性TG最小化设计圆管流主动体积力，揭示变平剖面通过抑制近壁条纹形成而破坏湍流自维持机制。
2024-10-25 physics.flu-dyn
A Lagrange multiplier-based optimal control technique for streak attenuation in high-speed boundary layers
高振幅自由流紊流和表面粗糙度元素可充分激发层流边界层流动，从而形成流向旋涡。这些涡类似于细长的条纹，具有流向速度的交替展向变化。在下游，涡流通过无粘性次级不稳定机制“摆动”，并最终过渡到湍流。我们制定了一个最优控制算法来抑制流向涡系统的增长率。在高雷诺数渐近框架下，将完全可压缩的纳维-斯托克斯方程化为非线性可压缩边界区方程（NCBRE）。然后，我们实现了拉格朗日乘子的方法，通过一个适当的转换，原来的约束优化问题到无约束的形式，获得的扰动方程的形式的伴随可压缩边界区域方程（ACBRE）和相应的最优性条件。高超声速和高超声速流的ACBRE方法的数值解表明，对于所有考虑的构型，动能和壁面剪应力都有显著的减小。我们目前的等高线图，以证明增加控制迭代的定性效果。我们的结果表明，由于ACBRE算法的主涡不稳定性逐渐平坦的展向方向。
2022-08-24 physics.flu-dyn
Are the dynamics of wall turbulence in minimal channels and larger domain channels equivalent? A graph-theoretic approach
本文通过图论网络模体分析比较最小流动单元与全通道壁湍流的动力学机制，发现两者主导模体相似但MFU中关键事件时间尺度约慢2.2倍。
2024-01-15 physics.flu-dyn
Low-dimensional dynamics embedded in a plane Poiseuille flow turbulence : Traveling-wave solution is a saddle point ?
本文用直接数值模拟方法研究了Re=3000时平面Poillille流中条纹的不稳定性及其非线性演化。提出存在一个行波解。的TWS是本地化的两个墙壁之一，特别是类似于在实验中观察到的相干结构和DNS到目前为止。该TWS周围的相空间结构类似于鞍点。由于该TWS的稳定流形在准二维（Q2D）能量轴附近扩展，因此沿稳定流形向TWS逼近的过程可近似描述为条纹（Q2D流）的不稳定性和随后的非线性演化.爆发对应于沿着不稳定流形从TWS逃逸。这些流形构成了湍流状态的流域边界的一部分。
1999-05-06 physics.flu-dyn
The Surprising Transition in Atmospheric Boundary Layer Turbulence Structure from Neutral to Moderately Convective Stability States and Mechanisms Underlying Large-scale Rolls
白天大气边界层（ABL）湍流的矢量风结构强烈依赖于水平波动（由中尺度风驱动）的剪切驱动的湍流产生和垂直速度波动（由太阳能加热驱动）的浮力驱动的湍流产生之间的平衡，其特征在于全球不稳定状态参数$-z_i/L > 0$。在完全剪切驱动的中性限制$-z_i/L \rightarrow 0$，表面层是由负流向波动速度（低速条纹）的相干流向拉长浓度为主，而在适度对流状态（$z_i/L \sim 10$）浮力产生集中垂直速度波动的流向拉长热上升气流片。使用大涡模拟（LES），我们研究了中性和中度对流状态之间的转换，通过量化的相关性和积分尺度作为$-z_i/L$的功能，系统地增加地面热通量与固定的地转风。我们发现了一个令人惊讶的突然过渡ABL湍流结构在$-z_i/L \approx 0.40$与流向相干性的显着增强，特别是在混合层，和ABL动态响应的突然变化，进一步增加表面加热。在超临界ABL中，表面热通量的持续增加导致最大相干态，（$z_i/L \sim 1.0-1.5$）与螺旋形大尺度滚动结构和异常相干的热上升气流有关，这一过程由两个关键的动力学效应驱动：（a）流向速度波动和剪切驱动的低速条纹的流向相干性令人惊讶地持续增加，以及（b）增加了下表面层中的相干低速条纹与上混合层中的相干热上升气流之间的空间相关性。
2018-12-07 physics.flu-dyn
Control of deterministic breakdown to turbulence of hypersonic boundary layer with spanwise non-uniform surface temperature
Imperial College London（伦敦帝国理工学院）；University of Surrey（萨里大学）
通过DNS研究了Mach6边界层中横向非均匀表面温度对确定性强迫下破转为湍流的影响，发现弱控制湍流可减少高频剪切应力并延迟转捩。
2026-09-29 physics.flu-dyn
New scenario of turbulence theory and wall-bounded turbulence: Theoretical significance
提出了湍流理论的一般方案，并将其应用于条纹壁边界湍流。该方案引入了新的横波场。该理论的意义在于与电流通量守恒定律相关的数学定理，以4d物理时空表示的形式表示，该理论预测麦克斯韦型方程组并支持以相速度c_t传播的横波。对于条纹壁流，既有激发横波的动力机制，也有流场与波场之间能量交换的能量通道。如果波长足够大，则能量从流场供应到波场。波伴随着一种新的能量耗散机制，一种类似于欧姆效应的内摩擦。一部分能量消散成热。因此，存在一种维持机制，这意味着壁面湍流的条纹结构是一种耗散结构。（1）存在行波：行波具有两个波长尺度和一个阻尼长度d。(ii)存在两个大尺度（LSM和VLSM）观察到的湍流剪切流：这些被解释的波放大的瞬态增长机制，并保持与新的横波场的相互作用。波浪是强大的，因为它们有自己的能量和动量。(iii)波浪湍流中增强的能量耗散。其整体能量耗散率的形式类似于涡粘模型，其系数ν D估计为ctd量级，远大于分子粘度。引入的新领域不会引起自相矛盾。
2017-06-12 physics.flu-dyn
A statistical state dynamics-based study of the structure and mechanism of large-scale motions in plane Poiseuille flow
统计状态动力学（SSD）的观点最近被应用于各种物理系统中的湍流机制的研究。SSD的一个示例实现是被称为随机结构稳定性理论（S3 T）的二阶闭合，其提供了对壁湍流的动力学的洞察，特别是对滚动/条纹结构的出现和维持的洞察。这种封闭消除了扰动之间的非线性相互作用，将动力学中的非线性限制在均值方程的非线性以及均值与扰动协方差之间的相互作用。在这里，这种准线性限制的动力学是用来研究的结构和动力学的湍流在平面Poiffille流在适度高的雷诺数在一个密切相关的动力系统，被称为限制非线性（RNL）系统。RNL模拟表明，壁湍流动力学的基本特征被保留。值得注意的是，RNL系统自发地将其湍流的支持限制在一小组流向傅立叶分量上，从而产生其湍流动力学的自然最小表示。虽然被大大简化了，但这种RNL湍流呈现出看起来很自然的结构和统计。令人惊讶的是，即使当进一步截断的扰动支持一个单一的流向分量施加的RNL系统继续产生自我维持的湍流结构和动力学。在所研究的雷诺数下，RNL湍流由缓冲层中的卷/条纹结构和外层中的类似的非常大尺度结构（VLSM）主导。RNL和DNS湍流的结构，光谱和能量的诊断被用来证明，支持在缓冲区和对数层的湍流的辊/条纹动力学基本上是相似的RNL和DNS。
2016-11-14 physics.flu-dyn
Effect of streaks on hypersonic boundary layer instability
本研究通过线性化直接数值模拟和扩展的SPOD方法，探究了稳态条纹对马赫数6.0高超声速边界层湍流转捩的影响，发现低频第一模态和条纹相关不稳定性在线性阶段起主导作用。
2024-06-03 physics.flu-dyn
Reattachment streaks in hypersonic compression ramp flow: an input-output analysis
我们采用全局输入输出分析来量化可压缩边界层流中外源扰动的放大。利用时间周期输入的主导响应的空间结构，我们解释了压缩斜坡上高超音速流中稳定再附着条纹的起源。我们对层流激波/边界层相互作用的分析表明，条纹是由上游具有特定展向波长的反向旋转涡扰动的优先放大引起的。这些条纹与流动再附着附近的壁面处的热通量条纹相关联，并且它们可以触发向湍流的转变。我们的分析预测的条纹波长与两个不同的高超声速压缩斜坡实验的观测结果相比毫不逊色。此外，我们的分析表明，无粘输运方程的基流减速有助于放大流向速度和斜压效应是负责生产流向涡。最后，温度条纹附近的再附着的外观触发的流向速度和流向涡扰动的增长，以及由上游温度扰动的再附着激波的放大。
2019-08-23 physics.flu-dyn
Couette-Poiseuille flow experiment with zero mean advection velocity: Subcritical transition to turbulence
我们提出了一个新的实验装置，创建一个剪切流与零平均平流速度通过抵消非零流向压力梯度移动边界，产生平面Couette-Poiffille流。我们进行了第一次实验结果，在过渡制度，这种流动。使用流动可视化，我们的特点是亚临界过渡到湍流的Couette-Poiffille流，并显示存在的湍流点产生的永久扰动。由于基本廓线的平均平流速度为零，这些湍流结构几乎是静止的。我们区分两个区域的湍流斑：活跃的，湍流的核心，其特征在于类似于行波的条纹的波纹度，和周围的区域，其中还包括弱未受干扰的条纹和斜波在层流湍流界面。我们还研究了这两个区域的大小对雷诺数的依赖关系。最后，我们表明，行波在下游（Poietille）。
2017-04-09 physics.flu-dyn
Input-output analysis of the stochastic Navier-Stokes equations: application to turbulent channel flow
在Tissot，Mémin & Cavalieri（J. Fluid Mech.，vol.912，2021，A51）基于服从随机输运的经典守恒律。一旦围绕平均流线性化并在傅立叶域中表示，该模型已证明其预测湍流槽道流中流向速度条纹结构的有效性。特别是已经证明，未解决的非相干湍流的随机传输允许通过提升机制更好地再现条纹。在本文中，我们专注于研究的流向细长结构，充满活力的缓冲层和对数层。在缓冲层中，细长的流向涡，命名为卷，被认为是由于相干波波的非线性相互作用，这已被忽略的随机线性框架。我们提出了一种方法来考虑这些相互作用的随机模型中引入一个随机强迫，取代丢失的非线性项的效果。此外，我们提出了一种迭代策略，以确保随机噪声是解相关的，如所规定的建模假设。我们探索这个更完整的模型在$Re_τ=180$，$Re_τ=550$和$Re_τ=1000$的通道流的缓冲层和对数层的预测能力。我们的预测相比，涡粘性的预解式分析，特别是在对数层的改善。
2022-07-25 physics.flu-dyn
Streak instability in turbulent channel flow: the seeding mechanism of large-scale motions
经常有人提出，大尺度运动（或隆起）的形成是连续合并和/或近壁发夹涡生长的结果。在本研究中，我们报告我们的直接观察，大规模的运动产生的不稳定性的“放大”条纹运动在外部区域（即非常大规模的运动）。我们设计了湍流槽道流中的数值实验，直到$Re_τ\simeq 2000$，其中由根据先前的线性理论计算的外部区域中的体强迫人工驱动流向均匀的条纹运动（Hwang \& Cossu，J. Fluid Mech.，第664卷，2015年，pp. 51- 73）。随着强迫振幅的增加，发现在流向波长为$λ_x/h\simeq 1-5$（$h$是通道的半高）处出现了一个充满能量的流向涡结构。动态模式分解的应用和湍流统计的检查表明，这种结构是一个后果的曲折模式不稳定的条纹，一个子过程的大规模外部结构的自我维持机制。同时还发现，涡结构的统计特征与外围区域大尺度运动的统计特征非常相似。最后，提出条纹不稳定性的最大流向长度决定了超大尺度运动的流向长度尺度。
2017-09-20 physics.flu-dyn
On some dynamical problems related to boundary layer turbulence
一些简化的动力学问题进行了研究，试图澄清一些机制，导致湍流和现有的建议，以控制这种过渡。一组简化的边界层方程显示了一个与滚转和条纹不稳定性相对应的解，并显示了它的流向局部化性质。随机相位作为一种装置，以控制能量转移到小尺度的效果进行了研究，为壳和边界层模型。尽管模型的简化性质，他们也提供了一些洞察力的前景主动控制湍流的外部体力。
1999-03-30 physics.flu-dyn
Parametric mechanism maintaining Couette flow turbulence verified in DNS implies novel control strategies
无滑动边界条件导致固体表面附近的流体流动中形成速度剪切。该剪切流通过使外部强制流的动能可用于扰动来支持雷诺数高于$\approx1000$的边界附近的流体流的湍流特性。理解这种能量转移的物理机制提出了一个基本问题。虽然定性的理解，这种转移涉及非线性不稳定的滚动条纹相干结构已经建立，这种不稳定性的识别抵制分析。这种不稳定性难以分析的原因是，它的解析表达式存在于用统计变量而不是状态变量表示的纳维-斯托克斯方程（NS）中。表示NS作为统计状态动力学（SSD）在二阶的累积展开足以允许分析识别的非线性滚条纹不稳定性的湍流壁有界剪切流。在这种非线性不稳定性的湍流扰动场的识别的SSD与线性算子的李雅普诺夫向量的扰动演化的时间依赖的流向平均流。在这项工作中，SSD分析的预测（这种参数不稳定性的基础上的Couette流的湍流动力学和扰动结构是相关的李雅普诺夫矢量）的影响被解释为意味着新的概念方法来控制湍流。结果表明，湍流的扰动分量是支持的流向平均流，这意味着最优控制应制定抑制扰动的流向平均。它还表明，只抑制顶部的几个李雅普诺夫矢量的流向平均矢量的结果在层流。使用DNS验证这些结果。
2018-08-26 physics.flu-dyn
The role of entropic-instabilities in laminar-turbulent transition on a blunted flat plate
本文用线性和非线性方法研究了马赫数~ $4$下熵不稳定性对钝头平板层流-湍流转捩动力学的影响。线性波包分析揭示了放大倾斜的第一模式以及平面和倾斜的熵层扰动。熵不稳定性的感受性被认为是最大的驱动种子在熵层，相应的线性演变的特点是在壁面法向平面的强化，再加上流向倾斜。的过渡过程中所产生的熵层波相互作用通过斜击穿机制进行了详细研究。倾斜的熵层扰动相互非线性地相互作用，并在边界层中引起流向条纹。这些经历进一步的不稳定下游，通过提升和奥尔样机制的组合，导致湍流的发病。由熵扰动引起的正弦次谐波振荡是主要的条纹不稳定性。在温度扰动中观察到倾斜的钩状结构，并归因于熵层中的类Orr机制。此外，温度扰动放大的熵层中的低速条纹的波峰，并通过三元相互作用产生扰动。这些扰动有助于将扰动能量转移到附面层中，最终导致展向均匀化和近壁条纹的产生。接近击穿区的末端，伴随着边界层中惯性子范围的出现的光谱增宽表明流动接近湍流。
2022-10-11 physics.flu-dyn
Travelling-waves consistent with turbulence-driven secondary flow in a square duct
我们提出了数值确定的行波解的压力驱动流通过一个直管道与方形截面。这一系列的解决方案代表了典型的相干结构（交错排列的反向旋转流向涡和相关的低速条纹）在每个墙上。其横截面中的流向平均流对应于八涡模式，非常类似于湍流状态中发现的二次流。
2010-11-01 physics.flu-dyn
Analytical Kink-Type Solutions and Streak Formation in Turbulent Channel Flow
Ultra Quantum Inc.（超量子公司）
本文基于Alexeev流体动力学方程发展了湍流通道流的分析框架，研究了流体速度分量的耦合行为，提出了一种能解释通道和管道流中广泛雷诺数范围内速度剖面的解析方法，揭示了弯折型解与条纹形成的关系。
2026-04-05 physics.flu-dyn
The minimal seed for transition to convective turbulence in heated pipe flow
本研究通过DNS和非线性非模态稳定性分析，发现加热管道流中浮力抑制湍流，最小种子随浮力数C增大而变薄，临界能量增加，并揭示对流湍流维持的三个典型过程。
2024-07-23 physics.flu-dyn
Nonlinear mechanism of the self-sustaining process in the buffer and logarithmic layer of wall-bounded flows
研究了壁面湍流自持过程的非线性机制。预解式分析是用来确定的主要强迫模式产生的最大放大的速度在数值模拟的最小通道的缓冲层和修改后的对数（日志）层。在这项研究中的波数目标是那些基本模式是无限长的流向和一次周期性的展向方向。然后，从相应的最小信道的模拟的每个时间步长处的纳维-斯托克斯方程的非线性项中投影出所识别的模式。结果表明，去除基波数的主强迫模态，对缓冲层和对数层的湍流都有抑制作用，但对缓冲层的抑制作用更大。去除其他模式而不是基波数的主模式仅对流动产生轻微影响。对非线性项中的并矢相互作用的仔细检查表明，对主要强迫模式的贡献来自一组有限的波数相互作用。使用条件平均，负责产生的非线性相互作用，以自我维持的湍流的流动结构被确定为展向辊与斜条纹相互作用。该方法基于运动方程，验证了缓冲层和日志层的SSP中的相似性，并表征了最小通道的SSP中的潜在二次相互作用。
2020-11-13 physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulation of the Moist Stably Stratified Surface Layer: Turbulence and Fog Formation
我们调查的稳定分层的表面层上的冷凝和液态水负荷的影响，着眼于了解雾形成的湍流混合的影响。直接数值模拟（DNS）的干和湿明渠流进行，在这两个恒定的冷却率是在地面上应用，以模仿长波辐射冷却。取决于冷却速率，它可以导致湍流（弱稳定）或层流（非常稳定）。与完全干燥的情况相比，液态水在潮湿情况下的冷凝使得在导致湍流崩溃之前能够实现稍高的冷却速率。在非常稳定的情况下，失控冷却导致接近地面的液态水大量凝结，并在大部分区域产生雾（能见度小于1公里）。在弱稳定的情况下，湍流混合在类似的时间段内仅产生接近地面1公里的湍流。然而，尽管该系统的理想化的性质，目前的结果表明，湍流阻碍，虽然不一定会抑制，雾的形成。一个可能的机制内形成雾的湍流，其中增加的液态水含量的区域内形成的低速条纹的近壁循环。这些条纹在潮湿的情况下，由于减少了耗散的湍流动能相比，干燥的情况下，虽然在这两种情况下的条纹是不那么有活力和持久性比中性分层流。
2020-12-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Modulation of the turbulence regeneration cycle by inertial particles in planar Couette flow
双向耦合直接数值模拟被用来调查的影响，惯性粒子的自持，湍流相干结构（即所谓的再生循环）在平面Couette流在低雷诺数以上的开始过渡。试验表明，随着颗粒惯性的增加，有两种限制行为，类似于1962年的线性稳定性分析结果：低惯性颗粒触发层流-湍流不稳定性，而高惯性颗粒由于颗粒-液力偶合器引起的额外耗散而趋于稳定湍流。此外，它被发现，流向相之间的耦合是阻尼湍流的主导因素，是高度相关的颗粒的空间分布。颗粒在不同湍流拟序结构（大尺度涡或大尺度条纹）中的存在决定了颗粒相的湍流动能，它与以大尺度涡翻转时间标度的颗粒响应时间有关。通过定量研究的周期性特征的整个再生循环和链接的子步骤之间的相位差，我们表明，惯性粒子的存在并不改变周期性的周期性或每个子步骤的相对长度。相反，高惯性颗粒大大削弱了大尺度涡以及流向涡度拉伸和提升效应，从而抑制了大尺度条纹的波动幅度。然而，低惯性颗粒的主要影响是加强大尺度涡，这促进了循环并最终降低了临界雷诺数。
2018-07-05 physics.flu-dyn
Turbulence suppression by streamwise-varying wall rotation in pipe flow
对顺向变壁面旋转下的管流湍流进行了直接数值模拟。在低雷诺数条件下，在一定的控制参数下，该控制方法能够实现流动的减阻甚至再层化。两个控制参数，这是速度振幅和波长被认为是。壁面旋转形成一个环形边界层，称为空间斯托克斯层（SSL）。基于SSL的厚度，确定了两种类型的减阻方案。当厚度较低时，SSL充当间隔层，阻挡流体对壁的冲击，从而降低剪切应力。由于速度梯度的增加，外层的流动结构受到的影响较小，并且在流向方向上被拉伸。在SSL内，湍流强度显著减小。当壁厚较大时，形成近壁低速条纹的流向波形。条纹的取向滞后于当地的平均速度的方向在相位和符合当地合成剪应力的方向。近壁流动结构的流向尺度显著减小，导致流动结构的下游发展中断，从而导致阻力降低。此外，还发现要使湍流再层化，需要足够大的SSL厚度和速度幅值。再层化的机理是环形SSL由于旋转效应不断吸收壁面法向应力的能量，从而使湍流自持过程不能维持。对于再层化情形，即使是极大的扰动，层流态也是稳定的，这可能使层流态成为整个系统的唯一不动点。
2022-01-30 physics.flu-dyn
Recurrent motions within plane Couette turbulence
由于湍流边界层三维结构的重要性，湍流边界层中的条纹振荡然后将低速流体从壁面喷射出去的破裂现象已经在实验、理论和计算上研究了50多年。我们提出了五个新的三维解的湍流平面Couette流，其中之一是周期性的，而其他四个是相对周期的。这五种解都证明了近壁相干结构的破裂和重新形成。我们的解决方案是周期性的，但在流向方向的漂移。更令人惊讶的是，我们的两个解决方案是周期性的，但在展向方向的漂移，似乎没有被认为是在文献中的可能性。我们认为，在近壁区实验观察到的条纹的相当一部分可能是由于展向漂移，伴随着分裂和重新形成的相干结构。我们还计算了一个新的周期解的平面Couette流，可能与过渡到湍流。
2007-01-29 nlin.CD physics.flu-dyn
Stability of the solitary wave boundary layer subject to finite amplitude disturbances
本文分析了有限振幅扰动下孤立波作用下底部边界层的稳定性和转捩。首先，边界层的感受性进行了研究，使用线性输入输出分析，其中的环境噪声建模为分布式体力。最危险的扰动在一个时间范围内，直到流动逆转被发现被安排为反向旋转流向恒定辊。然后选择这些辊配置之一并将其部署到非线性方程中，并通过提升机构产生各种振幅的条纹。通过二次稳定性分析和直接数值模拟，显示了条纹在边界层转捩中的双重作用。当条纹的幅度保持适度时，这些细长的特征在逆压梯度阶段之前保持稳定，并且对此后发展的不稳定性具有抑制作用。相比之下，当低速条纹达到高振幅超过15%的自由流速度在各自的阶段，他们变得非常不稳定的外剪切层中的二次弯曲模式。因此，亚临界过渡到湍流，即，旁路过渡可以在波峰之前的有利压力梯度区域中已经开始。
2019-11-21 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
Coherent structures in the linearized impulse response of turbulent channel flow
本文利用线性化的纳维-斯托克斯方程研究了孤立的时空脉冲引起的速度脉动的演化。在$Re_τ=10000$中，冲量作为不可压缩通道流中的外部体积力引入。速度波动是关于湍流的平均速度轮廓定义的。湍流涡动粘性被添加到方程中，以将平均速度固定为精确解，这也用于模拟背景湍流对大尺度波动的耗散效应。脉冲体积力产生的流场演变成包含长流向速度条纹的相干结构，其两侧是准流向涡;其中一些脉冲产生发夹涡。随着这些涡纹结构的发展，它们的尺寸增长到名义上的自相似几何形状，纵横比（流向与壁面法线）约为$10$，而它们的动能密度单调衰减。涡纹结构的拓扑结构对脉冲的位置不敏感，但取决于脉冲体积力的方向。所有这些涡纹结构都附着在壁面上，当按离壁面的距离缩放时，它们的雷诺应力崩溃，这与汤森的附着涡假设一致。
2018-05-02 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
Investigation of unsteady secondary flows and large-scale turbulence in heterogeneous turbulent boundary layers
根据\cite{wangsawijaya2020}中的发现，我们重新研究了在具有不同粗糙度波长$0.32 \leq S/\overlineδ \leq 3.63$的展向非均匀粗糙度的表面上发展的紊流边界层，其中$S$是粗糙度带的宽度，$\overlineδ$是展向平均边界层厚度。非均质的情况下，诱导反向旋转的二次流，这些相比，自然发生在光滑的壁的大尺度湍流结构。在瞬时流场中，两者都表现为蜿蜒的细长高动量和低动量条纹。结果表明，二次流可能是展向锁定的湍流结构，$S/\overlineδ$控制湍流结构的强度，并可能控制表面将结构锁定在适当位置的功效（当采用$S/\overlineδ \approx 1$时最有效）。条件平均值的脉动速度场的展向非均匀和光滑壁的情况下，导致强烈的条纹涡不稳定性模型的结构。二次流和大尺度结构共存于$S/\overlineδ \gg 1$或$S/\overlineδ \ll 1$的边界，其中二次流分别在$δ$或$S$上缩放。当采用$S/\overlineδ \gg 1$时，二次流被锁定在粗糙度过渡区附近，而相对不变的大尺度结构出现在距离过渡区较远的地方。在$S/\overlineδ \ll 1$的情况下，$S$尺度的二次流被限制在接近表面的位置，与穿透到层中更深处的未改变的较大尺度湍流结构共存。
2021-10-05 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
Momentum transfer by linearised eddies in channel flows
在充分发展的大尺度槽道湍流中，研究了类奥尔无粘机制的存在和结构。Orr样的“突发”的壁法向速度扰动的幅度和局部倾斜角之间的关系定义，并提取基于小波的滤波器的装置。他们跨越剪切占主导地位的区域的流量，其大小和寿命是成比例的对数层中的壁的距离，形成一个自相似的涡层次结构与汤森的附着涡模型一致。除了它们的振幅，这是确定非线性，线性瞬态增长代表他们的演变相当不错。基于小波滤波和低通滤波速度场的条件分析表明，相反符号的爆发并排成对，形成倾斜的准流向滚柱，这些滚柱沿着流向速度条纹排列，符号正确，以加强它们，并且它们优先聚集在预先存在的条纹不均匀性上。另一方面，时间分析表明，连续的轧辊不同时形成，这表明他们逐渐触发对方。这一图象与缓冲层的条纹涡循环相似，而爆发的性质表明它们是雷诺应力的著名的Q $_2$ -Q $_4$事件的不同表现。
2020-05-22 physics.flu-dyn
Chaotic and time-periodic edge states in square duct flow
本研究通过边缘追踪算法分析方管流动，发现非对称约束下边缘态为混沌吸引子，表现为条带-涡旋相互作用引发的爆发与壁面切换；施加镜像对称后则形成周期轨道，这些边缘态在低雷诺数湍流中扮演重要角色。
2025-03-28 physics.flu-dyn
Principle of fundamental resonance in hypersonic boundary layers: an asymptotic viewpoint
本文采用大Reynolds数渐近方法揭示高超声速边界层基频共振的三波共振机理，并引入黏性壁面层修正构建与NPSE和SIA吻合的改进渐近理论。
2023-12-06 physics.flu-dyn
Curvature effects on the structure of near-wall turbulence
本文利用直接数值模拟数据库和各向异性广义Kolmogorov方程，揭示凹-凸-凹壁面鼓包如何改变近壁条带、涡结构及能量产生、再分配与尺度传递。
2023-08-17 physics.flu-dyn
Statistical State Dynamics based study of turbulence in Eady fronts. Part 1. Instability
Harvard University（哈佛大学）
本研究将统计状态动力学二阶闭合稳定性分析适配于Eady锋面，证实无分层壁面剪切流中维持流向滚转-条带结构的湍流机制同样适用于该锋面，建立了地球物理与工程尺度剪切流湍流的基础关联。
2026-11-04 physics.flu-dyn
Can preferential concentration of finite-size particles in plane Couette turbulence be reproduced with the aid of equilibrium solutions?
本文首次采用纳维-斯托克斯方程的时不变解来研究有限尺寸粒子与近壁相干结构的相互作用。我们考虑水平面Couette流动，并着重于Nagata的上支平衡解（Nagata，1990）在低雷诺数下，该解是线性稳定的。当加入一个直径相当于2.5个壁单位的重粒子时，我们观察到溶液保持稳定，并且远离粒子基本上没有变化。这一结果表明，它是技术上可行的，利用精确的相干结构结合粒子分辨DNS。在顺流方向上平移时，颗粒在准顺流涡的作用下横向迁移，直到它到达低速条纹所占据的区域，在那里它达到周期性的运动状态。作为随后的优先颗粒位置的结果，时间平均流向颗粒速度不同于平面平均流体相速度在相同的壁距离作为颗粒中心，如先前在实验中观察到的，并在完全湍流壁边界流的数值数据。附加的约束模拟粒子保持在一个固定的展向位置，而在其他两个方向上自由平移揭示了两个平衡的存在，分别位于低速和高速条纹，前者是一个不稳定点。不同的颗粒与流体的密度比进行参数研究，显示惯性如何影响的周期性粒子运动的展向波动。最后，我们讨论了一些潜在的固体颗粒动力学的未来调查，可以进行的援助不变的解决方案（精确相干结构）的纳维-斯托克斯方程。
2020-02-12 physics.flu-dyn
From wall observations to turbulence: The difficulty of flow reconstruction
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
通过伴随-变分数据同化方法，研究湍流通道流初始状态的估计难度，发现壁面观测对湍流主体的敏感性随距离和测量时间变化而不同。
2021-06-16 physics.flu-dyn
Constructing wall turbulence using hierarchical hairpin vortices
State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems, School of Mechanics and Engineering Science, Peking University（北京大学力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室）；Max Planck Institute for Solar System Research（马普太阳系研究所）；HEDPS-CAPT, Peking University（北京大学高能量密度物理教育部/科技部重点实验室）
本文提出一种基于分层螺旋涡的湍流建模方法，通过校准涡旋包络的几何与组织结构，复现了壁湍流的统计特征和结构，同时揭示了涡旋几何、包络组织与层级对附着/分离运动、蜿蜒 streaks 和倾斜角的影响。
2025-10-24 physics.flu-dyn
Imprints of turbulence on heterogeneous deposition of adhesive particles
本研究通过直接数值模拟结合粘弹性软球碰撞模型，揭示了湍流通道流中粘性颗粒沉积的强烈非均匀性及其由近壁速度相关和扫掠事件驱动的机制，并发现该非均匀性导致局部壁面磨损率超平均值十倍。
2025-07-14 physics.flu-dyn
Logarithmic-layer turbulence: a view from the wall
本文研究了槽道湍流中离壁流场的可观测性。重建是从无噪声，但有限的墙壁数据，使用线性随机估计，重点是重建的质量。所有的速度都很好地重建在缓冲层，但只有相对较大的“附壁”涡可观察到更远的墙壁。特别是，占总动能和切向雷诺应力的约40%的大结构被准确地捕获。有人认为，这应该允许使用壁传感器的主动控制的湍流层湍流。文中还提出了附壁涡的定量定义。
2019-10-08 physics.flu-dyn
Statistical State Dynamics Based Study of the Turbulent Ekman Layer
Harvard University（哈佛大学）
本研究通过统计态动力学方法揭示埃克曼层中RSS的形成机制，发现雷诺应力驱动不稳定性与曲率不稳定性共同作用，为湍流机理提供新见解。
2026-01-06 physics.flu-dyn
Structure interactions in a reduced-order model for wall-bounded turbulence
新的降阶模型（ROM）推导出正弦剪切流（也称为Waleffe流）和平面Couette流在小周期域。Waleffe流的第一推导利用形成问题的自然正交基的傅立叶模式。通过对纳维-斯托克斯方程进行Galerkin投影，得到了该基的ROM。一个大的基础被减少到12个模式，有助于显着保持混乱，湍流动力学。与早期ROM的一个关键区别是包含了两个卷形条纹结构，其展向波长等于$L_z$和$L_z/2$，其中$L_z$是计算盒的展向长度。由此产生的系统是通过重写Galerkin系统的相同的12个模式，修改，以满足无滑移条件的墙壁上的库埃特流。由此产生的动力系统导致湍流与有限的寿命，在协议与早期的ROM和模拟在小域。然而，目前的模型显示寿命比早期的ROM长得多，差异超过一个数量级。库埃特流模型进行了比较，直接数值模拟（DNS）的结果，统计显示公平的协议。包含$L_z$和$L_z/2$长度尺度被认为是较长湍流寿命的一个关键特征：忽略任何滚转模式或它们的非线性相互作用，会导致湍流寿命急剧减少。因此，目前的ROM突出了一些占主导地位的非线性相互作用，在维持湍流的长寿命相关。
2021-04-06 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
The influence of near-wall density and viscosity gradients on turbulence in channel flows
采用低马赫数近似下的纳维-斯托克斯方程直接数值模拟（DNS）方法，研究了近壁密度梯度和粘性梯度对通道内近壁湍流的影响。不同的密度和粘度作为温度的函数的本构关系，以模仿广泛的流体行为，并开发一个通用的框架，研究湍流调制的可变属性流。而不是缩放的速度仅基于局部密度，如所做的van Driest变换，我们推导出的扩展的缩放是基于半局部雷诺数$Re_τ^*$的梯度。这种扩展的van Driest变换是能够崩溃的速度剖面与近壁的性能梯度的函数的半局部壁坐标的流动。然而，流动量，如混合长度，湍流各向异性和湍流涡度波动并没有显示出一个普遍的缩放非常接近的壁。湍流调制对湍流结构的演化和湍流能量的传递起着至关重要的作用。因此，我们调查的流向速度条纹和准流向涡的特性，并发现，类似于湍流统计，湍流结构也强烈受$Re_τ^*$配置文件，其依赖于个人的密度和粘度配置文件是次要的。$Re_τ^*$（$d {Re_τ^*}/dy \neq 0$）中具有近壁梯度的流动显示出准流向涡的倾角和倾斜角的显著变化。这些结构的变化是负责所观察到的调制的雷诺应力产生机制和组件间的能量传递流与强大的近壁$Re_τ^*$梯度。
2023-02-15 physics.flu-dyn
