Wavelet-based resolvent analysis for statistically-stationary and temporally-evolving flows
这项工作介绍了一种制定的预解式分析，使用小波变换，而不是傅立叶变换的时间。这使得预解式分析可以扩展到湍流与非平稳的手段，除了静止流。最佳的预解模式，这个配方对应的潜在的时间瞬态结构，最放大的线性化的Navier-Stokes算子。我们验证了这种方法的湍流通道流，并表明，基于小波和傅立叶的预解式分析是等效的湍流定常流。然后，我们应用基于小波的预解算子分析，通过在时间和频率上对预解算子加窗，研究了槽道湍流缓冲层中的瞬态增长机制。该方法也适用于时间演变的平行剪切流，如振荡的边界层和三维通道流，其中的横向压力梯度扰动充分发展的湍流在一个通道。
2022-12-05 physics.flu-dyn
Optimal eddy viscosity for resolvent-based models of coherent structures in turbulent jets
响应模式计算通过线性预解式分析的湍流平均流场已被证明定性捕捉所观察到的湍流相干结构的特性，在壁有界和自由剪切流。为了使这种预解模型具有预测性，非线性强迫项必须闭合。这样做的策略包括强加自洽的三元相互作用集，提出各种源模型，或通过湍流建模。对于后者，一些研究者已经提出使用线性作用于波动场的平均场涡动粘性。在这项研究中，数据驱动的方法是采取定量改善线性预解模型推导出最佳的涡粘性场，最大限度地提高投影的主导预解模式的能量最优相干结构推导出使用光谱适当的正交分解（SPOD）的数据高保真模拟。我们使用大涡模拟数据库在亚音速，跨音速和超音速条件下的圆形等温射流，并表明，最佳的涡流粘度大大提高了resolvent和SPOD模式之间的对齐，达到90%以上的对齐在这些频率的射流表现出低秩响应。然后，我们考虑一个固定的模型的涡流粘度和表明，与一个单一的常数的校准，结果一般接近最佳的。特别是，使用一个标准的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）涡粘性解算模型，与一个单一的系数，提供了大量的协议SPOD和解算模式的三个湍流射流和最具活力的波数和频率。
2021-01-08 physics.flu-dyn
Resolvent-based predictions for turbulent flow over anisotropic permeable substrates
最近的模拟表明，流向优先多孔材料有可能降低壁面约束湍流中的阻力（Gomez-de-Segura & Garcia-Mayoral 2019）。本文扩展了求解公式，研究了各向异性渗透性基质对湍流槽道流动的影响。在此预解式下，将傅立叶变换后的纳维-斯托克斯方程解释为线性强迫响应系统。非线性项被认为是系统中引起速度和压力响应的内生强迫。基于增益的强迫响应传递函数的分解-预解算子-识别响应模式（预解模式），这些模式已知可再现壁界湍流的重要结构和统计特征。渗透性基质的影响被引入到这个框架中，使用体积平均纳维-斯托克斯方程和广义形式的达西定律。具有高流向渗透率和低展向渗透率的基板被发现抑制的强迫响应增益的预解模式，作为一个替代的充满活力的近壁周期。这种模式增益的减少被证明是一致的理论预测和数值模拟中观察到的减阻趋势。模拟结果表明，当壁面法向渗透率超过阈值时，类似于Kelvin-Helmholtz涡的展向滚柱的出现会限制减阻。预解式框架还预测了这种充满活力的展向相干辊出现的条件。这些研究结果表明，一组有限的预解模式可以作为积木的计算效率高的模型，使被动湍流控制的可渗透基材的设计和优化。
2020-06-02 physics.flu-dyn
Resolvent analysis of compressible laminar and turbulent cavity flows
目前的工作表明，使用预解式分析，以获得物理见解的开放腔流。预解式分析确定了对谐波强迫的流量响应，给出了稳定的基本状态，根据响应和强迫模式以及放大增益。的响应和强迫模式揭示了与此放大过程相关的空间结构。在这项研究中，我们进行解析分析层流和湍流超过一个矩形空腔的长度与深度比$L/D=6$在自由流马赫数为$M_\infty=0.6$在展向周期设置。基于基态的主导不稳定性，在预解式分析中引入折扣参数，考察了有限时间窗内的谐波特性。我们首先揭示了基本的流动物理和解释的结果从层流在$Re_D = 502$。这些结果从层流扩展到一个更实际的空腔流动的例子在一个更高的雷诺数$Re_D = 10^4$。层流和湍流空腔流的响应模式和强迫模式的特征与层流分析的空间结构相似。我们进一步发现，在流动响应中的能量的大放大与高频率的湍流，而流动是更响应于低频激励的层流的情况下。这些研究结果从预解式分析提供了有价值的见解，流动控制研究方面的参数选择和放置的致动器和传感器。
2019-09-13 physics.flu-dyn
Wavelet-based resolvent analysis of non-stationary flows
研究提出基于小波变换的预解分析方法，扩展至非定常湍流，揭示瞬态增长机制，并验证其在振荡边界层和三维通道流中对平均剖面变化的敏感性。
2024-10-25 physics.flu-dyn
Identification of cross-frequency interactions in compressible cavity flow using harmonic resolvent analysis
本研究构建了可压缩流动的谐波resolvent分析框架，经低马赫数翼型流体验证后，应用于不同马赫数的空腔流动，揭示了跨频率相互作用的扰动放大机制与能量传递特性。
2024-06-11 physics.flu-dyn
Uncertainty Quantification in Resolvent Analysis of Experimental Wall-Bounded Turbulent Flows
本文量化了预解分析对实验不确定性的敏感性，通过人工扰动和粒子图像测速数据应用于局部和双全局分析，揭示了近壁分辨率不足可能导致错误结论。
2025-10-31 physics.flu-dyn
Resolvent-based modelling of coherent wavepackets in a turbulent jet
从实验测量中提取了雷诺数为460000和马赫数为0.4的射流中的相干湍流波包结构，并将其建模为平均流周围的线性波动。线性模型是基于谐波最优强迫结构和它们相关的流量响应在个人Strouhal数，从分析的全球线性预解算子。这些强迫响应波包（“预解模式”）首先讨论有关的物理机制，提供能量增益的射流中的流动扰动。模态剪切不稳定性和非模态奥尔机制被确定为占主导地位的元素，干净的最佳和次优的强迫响应对之间的分离。谱协方差动力学框架内的理论发展，然后阐明了线性谐波强迫响应结构和随机湍流波动的交叉谱密度（CSD）之间的联系。在给定的Strouhal数的CSD的低秩模型制定从截断的线性预解模式集。相应的实验CSD矩阵构造从广泛的两点速度测量。他们的本征模（光谱适当的正交或SPOD模式）表示相干波包结构，这些相比，从线性模型得到的对应物。密切的协议被证明在范围内的“优选模式”Strouhal数，约为0.4的值，从实验中推导出的领先的相干波包结构之间，从线性分解为基础的模型。
2019-06-06 physics.flu-dyn
On the use of eddy viscosity in resolvent analysis of turbulent channel flow
湍流槽道流的预解式分析的预测进行评估的摩擦雷诺数Retau = 550。除了标准的预解算子与运动粘度，被认为是一个预解算子增强与Cess涡粘性。添加涡动粘度显着改变的低秩行为的预解式。无论选择的波的速度，涡预解式是低秩的展向波长的ly+ = 80和ly/h = 3.5相比，其低秩的行为取决于波的速度的标准预解式。领先的涡流模式有更高的投影到领先的模式，从光谱适当的正交分解相比，标准的预解模式。然而，这两种分析都不能可靠地预测最具能量的波速。标准预解式倾向于高估它，而涡旋预解式则低估它，当最大能量波速被低估时，涡旋模态的能量过于靠近壁面。然而，涡解算，正确地识别最具活力的波的速度和模式形状的结构与近壁周期或最具活力的z/h = 0.5。这些结构可能是正确的预测任何摩擦雷诺数由于缩放的Cess涡粘度分布。最后，它表明，涡流预测的准确性依赖于正确的平衡之间的积极和消极的能量转移。尽管涡动粘性主要增加耗散，但其壁面法向梯度在近壁区域注入能量，从而导致附着在壁面上的模态形状。对于某些尺度，预测的正能量传递太强，从而使结构偏向壁。Cess涡动粘度剖面模拟正能量和负能量转移的能力表明，它可以针对各个尺度进行优化。
2022-05-23 physics.flu-dyn
Resolvent Analysis of laminar and turbulent duct flows
这项工作适用于不可压缩流通过矩形管道的预解式分析，以确定主导的线性能量放大机制存在于这样的流量。特别是，我们制定的预解算子线性化的纳维-斯托克斯方程的二维基/平均流。层流基流只有非零的流向速度分量，而紊流情况则表现出二次平均流（普朗特第二类二次流）。一个奇异值分解的预解算子允许识别对应于最大能量放大的结构，为指定的流向波数和时间频率。预解式分析已经富有成效的展向均匀性的壁有界流动的分析，在这里，我们的目标是探索如何这样的方法和研究结果可以扩展到有限展向范围的空间域中的流动。我们调查线性能量放大机制（特别是响应谐波强迫）的大小和结构的变化的纵横比（定义为管道宽度除以其高度）之间的变化（一个正方形管道）和10。我们还研究了二次流对线性能量放大机制的影响，发现在不同的制度，它可以增强或抑制放大。我们进一步研究了二次流如何改变强迫和响应模式的形状，导致最大的线性能量放大。
2022-05-26 physics.flu-dyn
Resolvent Analysis for Turbulent Channel Flow with Riblets
本文扩展了McKeon和Sharma（2010）提出的壁湍流的预解形式，以考虑流向恒定脊的影响。在预解式下，纳维-斯托克斯方程被解释为强迫响应系统：非线性对流项被解释为对其余线性项的反馈强迫，其产生速度和压力响应。线性强迫响应传递函数的增益分解--预解算子--产生高度放大的速度和压力模式，这可以被认为是湍流场的关键组成部分。以前的工作表明，这些高增益模式提供了大量的洞察湍流统计，结构和控制的光滑壁流。为了在此框架内引入肋的效果，在控制方程中加入了线性空间变化的体力。换句话说，体积惩罚用于近似表面特征。展向周期性和流向恒定的肋的预测表明，特定的高增益模式，确定从修改后的控制方程再现在以前的直接数值模拟有限的计算观测。性能的恶化，随着肋尺寸的增加预测以及展向辊类似开尔文-亥姆霍兹涡的出现。这种新的建模框架也用于追求有限的肋形状优化。
2018-12-18 physics.flu-dyn
Resolvent-based modeling of turbulent jet noise
本研究将预解式分析构建为声类比方法，结合LES数据库推导低秩互谱密度矩阵，用单个预解式模态重构声场高能区，并提出简单函数实现秩1模型，峰值噪声预测误差在2dB以内。
2021-09-18 physics.flu-dyn
Energy transfer in turbulent channel flows and implications for resolvent modelling
我们分析了两种类型的平面Poiffille流的尺度间能量传递：Park和Graham（2015）的P4 U精确相干态和最小通道中的湍流。对于这两种流动，占主导地位的能量产生模式是流向恒定的条纹，展向间距约为100个壁单元。由于这些尺度的粘性耗散不足以平衡生产，非线性项将多余的能量重新分配到其他尺度。展向常数尺度（即展向波数为零的Tollmien-Schlichting样模式），特别是占非线性项的净能量增益的显着数量。我们比较的能量平衡预测预解式分析，我们表明，它不模拟能量转移。然而，我们发现，从流向恒定条纹的能量转移可以合理地预测Cess涡动粘度分布。因此，涡动粘性是一个有效的模型，在预解式分析的非线性项，并解释了最有力的流向恒定条纹的良好预测。它还提高了预解模式的结构，其流向长度大于其展向宽度的基础上，抵消非正常的预解算子。涡粘性不尊重非线性能量传递的保守性质，其在所有尺度上必须总和为零。因此，对于从非线性项接收能量的标度，它是不太有效的。
2020-04-28 physics.flu-dyn
Acoustic resolvent analysis of turbulent jets
本文提出声学 resolvent 分析方法，将响应模式优化域限定在声场以突出声学高效模态，并证明其能更好对齐声学 SPOD 模式、识别射流噪声主导机制，但仅靠其 SVD 不足以建立低秩噪声模型。
2024-05-01 physics.flu-dyn
Modeling of Reaction Dynamics in a Turbulent Hydrogen-Air Slot Flame Using Resolvent Analysis
Institute of Fluid Dynamics and Technical Acoustics (ISTA), TU Berlin（柏林工业大学流体动力学与技术声学研究所）；Chair and Institute for Technical Combustion, RWTH Aachen（亚琛工业大学技术燃烧学讲座与研究所）
本文通过残差分析研究了Re=5500、Karlovitz数为20、等价比为0.4的氢气-空气缝隙火焰动力学，发现Kelvin-Helmholtz波包主导了300-1000Hz范围内的流动动力学，并通过改进的活性火焰闭合模型提升了与SPOD模式的一致性。
2026-03-29 physics.flu-dyn
Resolvent-based estimation of a turbulent wake
本文提出基于预解式的因果估计框架，利用大涡模拟互谱密度与 Wiener-Hopf 核，从有限壁面剪切应力测量中准确估计 NACA0012 湍流尾迹速度。
2025-07-24 physics.flu-dyn
Resolvent analysis to inform viscoelastic coatings for turbulent drag reduction
North Carolina State University（北卡罗来纳州立大学）
该研究通过预解算子分析，发现不可压缩流动中黏弹性涂层减阻受流动诱导结构不稳定性限制，而超声速流动的高密度比提供了稳定窗口，为柔性壁减阻应用提供了理论依据。
2026-08-28 physics.flu-dyn
The effect of flight on a turbulent jet: coherent structure eduction and resolvent analysis
该研究针对带飞行来流的亚声速湍流射流，结合SPOD提取的大涡模拟相干结构，用全局resolvent分析建模其动力学变化，揭示了三类结构变化的内在机制。
2023-11-09 physics.flu-dyn
Resolvent-based estimation of turbulent channel flow using wall measurements
我们采用一种基于解析的方法来估计湍流通道内的速度和压力波动，在摩擦雷诺数约为180，550和1000，使用测量的剪切应力和压力的墙壁，采取直接数值模拟（DNS）数据库。Martini等人（J.Fluid Mech.，Vol.900，2021，A2）表明，当利用真实的时空强迫统计量时，基于分解的估计量是最优的，从而为任何线性估计量的准确性提供了上限。我们使用这个框架来确定可以从壁测量线性估计的流结构，并且我们表征这些结构和物理和波数空间中的估计误差。我们还将这些结果与使用近似强迫模型（涡动粘度模型和白噪声强迫）获得的结果进行了比较，并证明了使用真实强迫统计的显着好处。所有模型导致准确的结果，直到缓冲层，但只有使用真正的强迫统计允许大规模的日志层结构的准确估计，与整个通道的估计和DNS结果之间的显着相关性。涡动粘度模型显示了一个中间的行为，这可能与它的能力，部分捕获强迫颜色。我们的研究结果表明，在通道壁上留下足迹的结构可以使用基于线性解析的方法进行准确估计，并且大规模附壁结构的存在可以通过对数层进行准确估计。
2021-07-12 physics.flu-dyn
Randomized resolvent analysis
对高雷诺数湍流进行全局预解式分析需要处理一个大的离散算子。尽管在分析中需要如此大的算子，但大多数预解式分析的应用仅提取少数主导预解式响应和强迫模式。在这里，我们考虑使用随机数值线性代数，以减少维数的预解算子实现计算速度和内存节省相比，标准的预解分析。为了实现这一目标，我们利用草图的线性算子与随机测试矩阵与高斯分布和从基流的见解纳入执行奇异值分解的低秩矩阵持有的主导特征的完整的预解算子。随机预解式分析的强度在翼型的湍流分离流上被证明。这种随机化方法为解决高雷诺数双全局和三全局基流的预解式分析扫清了道路。
2020-02-06 physics.flu-dyn
The colour of forcing statistics in resolvent analyses of turbulent channel flows
交叉谱密度（CSD）的非线性强迫预解式分析在这里量化的第一次湍流槽道流动。在$Re_τ =179$和$Re_τ =543$上进行直接数值模拟（DNS）。CSD计算典型的缓冲层和大尺度运动的高能量结构，不同的时间频率。非线性强迫的CSD在空间上不是不相关的（白色），这意味着强迫是结构化的。由于非线性强迫是非螺线管的建设和不可压缩流的速度只受螺线管部分的强迫，这螺线管部分进行评估。结果表明，螺线管部分的非线性强迫是斜流向涡和流向分量的组合，相互抵消，如在一个相消干涉。结果表明，秩-2近似的强迫，只有最有力的SPOD（光谱适当的正交分解）模式，导致大部分的响应。的投影的非线性强迫的右奇异向量的预解式进行评估。与非常低的奇异值相关联的预解式的左奇异向量是不可忽略的，因为非线性强迫项具有不可忽略的投影到预解式分析的线性次最优解上。同样的预测计算时，强迫模拟涡粘性的方法。它澄清，这种建模提高了预测的准确性，因为预测更接近与DNS数据的非线性强迫相关的预测。
2020-04-03 physics.flu-dyn
LES-informed resolvent-based estimation of turbulent pipe flow
本研究采用基于预解的方法，利用摩擦雷诺数550的DNS和LES数据库，从壁面剪应力脉动测量中估计湍流圆管流动的时空场，发现用更粗网格的LES统计量构建的估计器能以低计算成本获得与DNS高度吻合的准确结果。
2023-07-07 physics.flu-dyn
Interaction of forced Orr-Sommerfeld and Squire modes in a low-order representation of turbulent channel flow
基于分解的降阶表示被用来捕捉湍流槽道流的时间平均二阶统计。最近提出的预解算子分解成两个不同的家庭有关的Orr-Sommerfeld和Squire算子[K。Rosenberg和B. J. McKeon，Efficient representation of exact coherent states of the纳维-斯托克斯方程using reservent analysis，流体动力学Research 51，011401（2019）]导致匹配能谱和$uv$共谱的所有分量的能力显著提高。新的表示法的成功依赖于乡绅模式的能力，竞争与Orr-Sommerfeld模式，这是通过分解的统计数据到每个家庭的贡献所产生的涡度。然后示出，这种竞争可以用来推断两组模式之间的相位关系。此外，对于Moarref等人提出的普遍的预解模式类，导出了两类预解权的相对雷诺数标度。Moarref，A. S. Sharma，J. A. Tropp，和B. J. McKeon，高雷诺数湍流通道中流向能量密度的基于模型的缩放，流体力学杂志734，275（2013）]。这些发展可以被看作是一个起点，为进一步的建模工作，以量化非线性相互作用的壁边界湍流。
2020-01-08 physics.flu-dyn
Forcing statistics in resolvent analysis: application in minimal turbulent Couette flow
本文对低雷诺数下的湍流Couette流动进行了预解式分析中非线性项的统计分析。从一个最小的流动单元，在雷诺数400的直接数值模拟的数据进行后处理，使用傅立叶分析在时间和空间，导致速度的协方差矩阵。从相同的数据，我们计算了纳维-斯托克斯方程的非线性项（在本公式中被视为强迫），这使我们能够计算这种情况下强迫的协方差矩阵。这两个协方差是由预解算子精确相关的;在此基础上，我们探索了从强迫项的统计数据中恢复速度统计数据作为强迫项分量的函数。这是在这种流动中的主导结构，参与了自持循环的湍流：（i）流向涡和条纹，（ii）展向相干波动的展向速度。目前的结果表明，占主导地位的四个非线性项的预测流向涡和条纹的全部统计数据，一个单一的长期被认为是占主导地位的展向运动。在这些情况下观察到的一个相关特征是，强迫项在空间上具有显著的一致性;此外，不同的强迫分量之间也是一致的。这将导致建设性的和相消干涉，大大修改流量响应，因此，应考虑在建模工作。
2020-01-08 physics.flu-dyn
Coherent structures modeling in stenotic transitional flow via resolvent analysis
Technische Universität Berlin（柏林工业大学）
本研究利用求解分析对轴对称狭窄中的过渡流进行线性建模，识别了雷诺数4000下的流动放大机制，并重构了湍动能和湍流壁面剪切应力，揭示了线性机制在捕捉狭窄后复杂动力学中的有效性。
2026-06-16 physics.flu-dyn
Sparse space-time resolvent analysis for statistically-stationary and time-varying flows
本文提出适用于时变流动的稀疏时空 resolvent 分析方法，通过在 SVD 优化中加入 l1 范数惩罚并用逆幂法求解，能够识别更稀疏或全新的线性放大机制。
2024-09-30 physics.flu-dyn
Efficient global resolvent analysis via the one-way Navier-Stokes equations. Part 1. Forced response
预解式分析是模拟和分析湍流的有力工具，特别是提供了相干流结构的近似。尽管最近的算法的进步，计算多个非齐次空间坐标的流动的预解模式仍然计算昂贵。在这篇由两部分组成的论文中，我们展示了如何有效和准确的近似的预解模式，可以使用一个良好的空间行进方法的流量，包含一个缓慢变化的方向。在本文的第一部分中，我们导出了一个由线性化的纳维-斯托克斯方程支持的描述下游行波的适定的、收敛的单向方程。积分这些方程，比直接求解线性化的纳维-斯托克斯方程需要更少的CPU和内存资源，近似了预解算子对强迫矢量的作用。在本文的第2部分中，利用此功能来计算近似预解式模式。通过一个简单的声学问题和一个超声速湍流射流的算例，验证了该方法的有效性。
2021-11-17 physics.flu-dyn
Coherent pressure structures in turbulent channel flow
本研究利用SPOD和响应分析识别并建模湍流通道中的相干压力结构，发现主导模态的低秩特性及与速度脉动相比更好的预测性能，并揭示了准流向涡与压力脉动的关联。
2024-05-11 physics.flu-dyn
Model-based scaling of the streamwise energy density in high-Reynolds number turbulent channels
我们研究了雷诺数标度和几何自相似性的一个基于增益的，低秩近似湍流槽道流，由McKeon和Sharma（2010年）的预解公式确定，以获得一个描述的流向湍流强度从直接考虑的纳维-斯托克斯方程。在此公式下，速度场被分解成传播波（具有单一流向和展向波长和波速），其壁法线形状由相应预解算子的主奇异函数确定。利用壁面有界湍流中平均速度的可接受标度，我们建立了预解算子允许三类波参数，这些波参数在低秩模型上引起雷诺数的普遍行为，并且与整个壁面湍流文献中提出的标度一致。此外，它表明，几何自相似的预解模式的必要条件是对数湍流平均速度的存在。我们确定的缩放，构成层次结构的自相似模式的参数化的临界壁法线位置的模式的速度等于当地的湍流平均速度。对于宽带强迫的秩-1模型，积分流向能量密度具有与主要近壁湍流运动一致的普遍形式。当强迫的形状进行优化，以执行匹配的结果，从直接数值模拟在低湍流雷诺数，进一步的相似性出现。使用相似律表示这些权重函数，可以预测高雷诺数（${Re}_τ\approx 10^3 - 10^{10}$）时流向能量强度的雷诺数和壁面法向变化。
2013-10-03 physics.flu-dyn
Transient growth and nonlinear breakdown of wavelet-based resolvent modes in turbulent channel flow
本文研究时间局域化主 resolvent 强迫模态对湍流近壁循环的驱动效果，发现其能有效放大近壁条纹，但非线性导致过早衰减，且破裂方式与强迫强度无关。
2025-05-07 physics.flu-dyn
On the shape of resolvent modes in wall-bounded turbulence
Navier $\text{--}$ Stokes方程的预解式公式提供了一种表征和预测湍流特征$\text{---}$（如统计、结构及其非线性相互作用$\text{---}$）的方法，该方法使用基于适当湍流平均值的预解式算子的奇异值分解，遵循McKeon和Sharma（2010）开发的框架。这项工作将描述一种方法来近似领先的预解式（即，伪谱）模式的剪切驱动的湍流使用规定的解析函数。我们将证明，这些函数，这是从简化的线性算子（Trefethen 2005）的波包伪本征模的考虑，特别是给出了一个精确的近似类名义上的壁分离模式的临界层为中心。特别关注建模壁正常涡模式，我们提出了一系列的简化的控制方程，导致标量微分算子，适合这样的分析。我们证明了完整的Navier $\text{--}$ Stokes方程的前壁法向涡量响应模式可以通过考虑一个二阶标量算子来精确地近似，该算子配备了一个非标准的内积。模态振型随波数和雷诺数的变化可以通过在参数空间中发展一个低维微分方程来捕捉。这种表征提供了一个理论框架，了解所观察到的结构的起源，并允许快速估计占主导地位的预解模式的特点，而不需要运营商离散化或大型数值计算。我们将我们的研究结果与经典的升力和奥尔放大机制在剪切驱动流。
2019-01-30 physics.flu-dyn
Resolvent-based estimation of space-time flow statistics
我们开发了一种方法来估计时空流统计从一组有限的已知数据。虽然以前的工作集中在独立建模的空间或时间统计，时空统计进行有关的物理和连贯的流动运动的基本信息，并提供了一个起点，低阶建模和流量控制的努力。该方法是使用统计解释的解析分析。我们的方法的中心思想是使用已知的数据来推断非线性项的统计，这些非线性项构成了对线性化的纳维-斯托克斯方程的强迫，这反过来又意味着通过应用预解算子来获得剩余的未知流统计的值。而不是一个先验秩1假设，我们的方法允许已知的输入数据，以选择最相关的部分的预解算子描述的数据，使其非常适合于高秩湍流。我们证明了预测能力的方法，使用两个例子：Ginzburg-Landau方程，作为一个方便的模型，对流不稳定的流动，和湍流通道流在低雷诺数。
2019-01-22 physics.flu-dyn
On non-normality and classification of amplification mechanisms in stability and resolvent analysis
我们寻求量化最放大的预解模式的非正态性，并根据基本或平均速度轮廓的特征预测其特征。一个2乘2模型的线性Navier-Stokes（LNS）算子说明了平均切变的非正态性如何在强迫和响应模式的不同速度分量中分布扰动能量。它们的内积的倒数，这是一个纯粹的正常机制的单位，提出作为一种措施来量化非正常。在有下游空间依赖的基础/平均流量，平均流量平流分离的空间支持的强迫和响应模式，影响的内积。均值稳定性分析的成功取决于放大的正态性。如果放大是正常的，预解算子写在其二进表示揭示了伴随和前向稳定性模式成比例的强制和响应预解模式。如果放大是非正态的，则需要预解物分析来理解所观察到的流动结构的起源。本征谱和伪谱被用来描述这些现象。研究了低雷诺数圆柱流和湍流槽道流两种情况。第一种方法主要涉及正常机制和非正常性的量化，使用主导强迫和响应模式的逆内积与预解范数和虚轴与最小稳定特征值之间的距离的乘积吻合得很好。在槽道湍流中，结构由正常和非正常机制引起。平均剪切最有效地利用固定扰动，而伪谱上的界限说明了如何非常态是负责最放大的扰动在空间波数和时间频率对应于众所周知的湍流结构。
2017-12-14 physics.flu-dyn
Low-dimensional representations of exact coherent states of the Navier-Stokes equations from the resolvent model of wall turbulence
我们报告说，许多精确的不变解的纳维-斯托克斯方程的管道和通道流是很好地表示为几个模式的模型McKeon & Sharma J. Fl. Mech.658，356（2010）。该模型提供的模式，作为一个基础来分解的速度场，排序的幅度，迫使规模之间的相互作用。该模型最初是从纳维-斯托克斯方程中推导出来的，用于表示湍流，并已用于解释相干结构和预测湍流统计。这在理解湍流的两种不同方法之间建立了一种令人惊讶的新联系。
2016-01-25 physics.flu-dyn
SPOD and resolvent analysis of near-wall coherent structures in turbulent pipe flows
本研究针对两种摩擦雷诺数下的湍流管流，结合SPOD与预解分析探究近壁相干结构，验证了预解分析作为壁湍流相干结构降阶模型的适用性，尤其适用于近壁流向涡与条带类流向拉长结构。
2020-04-23 physics.data-an physics.flu-dyn
Uncovering Turbulent Dynamics in Stenotic Flows from 4D-flow MRI Measurements via Resolvent Analysis and Data Assimilation
Technische Universität Berlin（柏林工业大学）；Physikalisch-Technische Bundesanstalt（德国联邦物理技术研究院）
本研究结合体外4D-flow MRI测量、数据同化和线性建模，通过物理信息神经网络校正测量伪影并提取平均流场，进而利用全局线性稳定性分析和响应分析识别狭窄流动中的线性放大机制和相干结构。
2026-06-02 physics.flu-dyn
Spatio-temporal characterization of nonlinear forcing and response in turbulent channel flow
本文提出量化湍流通道流中三波相互作用的时空分析框架，结合resolvent算子揭示QL与GQL降阶模型对关键非线性相互作用的有效捕捉能力，为改进非线性建模和理解近壁振幅调制机制提供工具。
2025-03-10 physics.flu-dyn
Lift-up, Kelvin-Helmholtz and Orr mechanisms in turbulent jets
通过全局预解式分析和谱本征正交分解（SPOD）方法，对湍流射流中存在的三种放大机制，即升力、Kelvin-Helmholtz和Orr，在一定的马赫数范围内进行了表征。最近通过Nogueira等人的局部分析在湍流射流中确定了提升机制（J. Fluid Mech.，第873卷，2019年，pp. 211-237）在低斯特劳哈尔数（$St$）和非零方位波数（$m$）下。在这些限制下，全球SPOD分析的数据高保真模拟揭示了流向涡和条纹类似的湍流壁有界流。这些结构与全局预解式分析定性一致，表明它们是对喷嘴出口附近流向涡量上游强迫的响应。振型分析、分量振幅分析和灵敏度分析区分了这三种机制和各自占主导地位的频率-波数空间区域，发现升力以$St/m \rightarrow 0$为主。最后，SPOD和局部区域的预解式分析表明，整个射流的提升机制是存在的，具有占主导地位的方位角波数与从喷嘴流向的距离成反比，与条纹的方位角波数超过5附近的喷嘴，和波数1和2最有力的潜在核心的下游。
2020-07-17 physics.flu-dyn
Self-similar mechanisms in wall turbulence studied using of resolvent analysis
利用预解式分析方法，研究了$Re_τ=543$湍流通道中附壁相干结构的自相似性。在这个建模框架中，相干结构被理解为线性平均流算子对广义的、频率相关的雷诺应力的响应，被认为是作为内生强迫。我们评估附壁流动结构和相关强迫的自相似性。前者通过找到与壁面剪切相关的流场从直接数值模拟数据导出，而后者使用扩展固有正交分解的频率空间版本来识别（Borée，J.2003扩展固有正交分解：分析湍流中相关事件的工具。Experiments in fluids 35（2），188-192）.识别的强迫结构进行比较，使用基于分解的估计Towne \emph{et al}。（Towne，A.，Lozano-Durán，A. & Yang，X. 2020年基于解析的时空流统计估计。《流体力学杂志》883，A17）。分析揭示了两个附壁结构$-$的自相似性在定量上与汤森的自相似附加涡$-$的假设和基本的强迫，至少在某些组件。
2022-04-01 physics.flu-dyn
Identification and reconstruction of high-frequency broadband fluctuations in a turbulent flow exhibiting low-frequency deterministic motions
在$Re=22000$中，方形截面圆柱体周围的湍流表现出低频涡脱落（VS）和高频Kelvin-Helmholtz（KH）结构，前者是所有钝体流动的共同特征，后者在圆柱体顶部和底部形成的剪切层上发展。VS运动触发这些剪切层的周期性运动，引起它们的速度梯度强度的振荡。高频KH结构以准定常方式响应基流梯度的低频振荡。在本文中，我们将提出一个通用的框架来捕获和重建随机高频波动（KH结构）的低频确定性运动（周期性VS）的顶部演变。基于一个通用的三重分解，允许分离的随机成分从确定性的，我们提出了一个相位条件局部谱本征正交分解（PCL-SPOD），隔离高频的时空结构内的随机成分在不同阶段的VS运动，与短时傅立叶变换。最后，我们将这些结构与相位条件局部预解形式主义（PCL-预解）进行比较，该预解形式主义包括围绕周期VS的瞬时快照的预解分析。
2021-02-03 physics.flu-dyn
A foundation for analytical developments in the logarithmic region of turbulent channels
本文提出了一种研究湍流通道对数区的分析框架。我们基于最近的发现（Moarref et al.，流体力学杂志，734，2013），对数区域中的速度波动可以被分解成几何自相似预解模式的加权和。预解模式和权重分别表示纳维-斯托克斯方程（NSE）中的线性放大机制和非线性相互作用的缩放影响（McKeon & Sharma，J. Fluid Mech.，658，2010）。该框架来源于NSE，为Townsend的附着涡模型提供了分析支持。我们的主要结果是，自相似性，使降阶建模的对数区域建立一个定量的自相似结构和速度谱之间的联系。具体地说，能量强度，雷诺应力，和能量预算表示的预解模式与速度对应的对数区域的顶部。三元组模式的权重-通过NSE中的二次非线性直接相互作用的模式-通过仅取决于预解模式的相互作用系数耦合（McKeon等人，Phys. Fluids，25，2013）。我们使用的自相似模式在对数区域的层次扩展的概念，三元组模式的三元组层次。结果表明，属于一个三元系的三元模的相互作用系数遵循指数函数。这些发现的结合可以用来更好地理解在对数区域的流动结构的动力学和相互作用。所提出的模型与理论和实验结果的兼容性进一步讨论。
2014-09-21 physics.flu-dyn
A Variational Formulation of Resolvent Analysis
预解式分析（RA）的概念图是Navier-Stokes（NS）方程中的非线性项为线性动力学提供了一个内在的强迫，这是一种受控制理论启发的描述。线性算子的逆解被定义为预解式，被解释为强迫和速度响应之间的传递函数。这种反演模糊了控制方程的物理解释，并且对分析操作是禁止的，并且对于大型系统，导致显著的计算成本和存储器需求。在这项工作中，我们提出了一种替代的，逆自由，定义的基础上扩展的Courant-菲舍尔-Weyl最小-最大原则，其中预解模式被定义为固定点的约束变分问题的预解的基础。这导致了一个简单的方法来近似的预解式（响应）模式的复杂流的扩展在任何基础上。所提出的方法避免了矩阵求逆，只需要显着减少的大小相比，原来的系统的矩阵的谱分解。为了说明这种方法和变分公式的优点，我们提出了三个例子。首先，我们考虑流向恒定波动的湍流槽道流的渐近分析，使我们能够获得封闭形式的表达式的最佳预解模式。其次，为了说明节省成本的潜力，并调查的限制，我们提出的方法，我们应用我们的方法，以二维，三个组件的平衡解决方案，在Couette流，最后，流向发展湍流边界层。对于这些较大的系统，我们实现了高达两个数量级的模型减少。这种节省有可能打开RA的调查更大的域和更复杂的流动配置。
2021-09-25 physics.flu-dyn
Scalable resolvent analysis for three-dimensional flows
本文提出RSVD-$Δt$方法，结合随机奇异值分解与优化的时间步进法计算预解算子，使CPU和内存需求随问题维度线性扩展，克服了三维流预解分析的计算瓶颈，并成功应用于湍流射流中低速条纹对Kelvin-Helmholtz波包发展的影响研究。
2024-12-20 physics.flu-dyn
Geometry-controlled heat transport in differentially heated cavity through the lens of DNS and resolvent analysis
Vanderbilt University（范德堡大学）；New Jersey Institute of Technology（新泽理工学院）
本研究通过DNS和预解式分析，系统探究差热腔自然对流中宽高比与瑞利数对热输运的影响，揭示努塞尔数的四种区间规律及LSC敏感性与热通量的关联，得出最优宽高比的幂律标度关系。
2026-08-25 physics.flu-dyn
Spectral proper orthogonal decomposition and its relationship to dynamic mode decomposition and resolvent analysis
我们考虑频域形式的本征正交分解（POD）称为谱本征正交分解（SPOD）。谱POD是来自统计平稳流的时空POD问题，并导致模式，每个振荡在一个单一的频率。这种形式的POD可以追溯到Lumley的原始工作（Stochastic tools in turbulence，Academic Press，1970），但自20世纪90年代以来，POD的空间形式已经黯然失色。我们澄清了这两种形式的POD之间的关系，并表明SPOD模式代表的结构，在空间和时间上的连贯发展，而空间的POD模式一般不。我们还建立了SPOD和动态模式分解（DMD）之间的关系，我们表明，SPOD模式实际上是最佳平均DMD模式获得的系综DMD问题的固定流。因此，SPOD模式代表与DMD模式相同意义上的动态结构，但也最佳地考虑了湍流的统计变化。最后，我们建立了SPOD和预解式分析之间的联系。关键的观察结果是，解析模式的膨胀系数必须被视为统计量，以确保收敛近似的流量统计。当展开系数是不相关的，我们表明，SPOD和预解模式是相同的。我们的理论结果和整体效用的SPOD证明使用两个例子的问题：复杂的金斯堡-朗道方程和湍流射流。
2018-06-01 physics.flu-dyn
Towards real-time reconstruction of velocity fluctuations in turbulent channel flow
本文提出一种基于线性估计器的湍流速度脉动流式重建框架，结合分块求逆与滑动傅里叶变换，实现了从稀疏测量数据到实时高效重建的突破。
2023-06-27 physics.flu-dyn
Turbulent boundary development over an air cavity
本文利用平面PIV实验研究船舶空气润滑中空气腔上方的TBL，通过相关阈值识别动态腔形，揭示交替压力梯度、空气注入及历史效应对湍流结构的影响。
2024-12-03 physics.flu-dyn
Data-Augmented Resolvent Analysis of Wall-Bounded High-Pressure Transcritical Flow
UPC（加泰罗尼亚理工大学）
本研究通过数据增强的解振分析，揭示了高压临界流动中主导的相干结构及其放大机制，发现热力学波动在伪沸腾区域起主导作用，且存在独特的相速度特征。
2026-01-20 physics.flu-dyn
Network broadcast analysis and control of turbulent flows
我们提出了一种基于网络的模态分析技术，确定关键的动态路径，沿其扰动放大随时间变化的基流。这种分析是建立在卡茨中心，它揭示了流动结构，可以有效地传播扰动的时间演变网络的涡流相互作用的基础流量。受Katz函数的预解形式的启发，我们对所得到的通信矩阵进行奇异值分解，补充了流体流动的预解分析。右奇异向量，被称为广播模式，给出了对敏感区域的见解，在这些区域中，引入的扰动可以在随时间演变的整个流体流动网络上有效地传播和放大。我们将这种分析应用到二维衰减各向同性湍流。广播模式揭示了涡旋偶极子是传播扰动的重要结构。通过扰动流的主要广播模式，我们证明了效用的见解，从目前的分析，有效地修改湍流的演变。目前的网络启发的工作提出了一种新的使用网络分析，以指导流量控制的努力，特别是随时间变化的基本流量。
2020-10-29 physics.flu-dyn
Whistling of turbulent cavity flows: Self-consistent predictions with the linearized compressible Navier-Stokes equations
本文提出一种基于三重分解和可压缩Navier-Stokes方程的自洽饱和模型，通过迭代更新Reynolds应力强迫直至主导模态边际稳定，成功预测了湍流低马赫数空腔流动中空气声学极限环的频率与幅度，并与大涡模拟及实验吻合良好。
2025-09-22 physics.flu-dyn
Modal Decomposition of Turbulent Supersonic Cavity
采用壁面模型大涡模拟（LES）方法研究了马赫数为3、长深比为3的超声速空腔内的自持振荡。通过计算获得的非定常数据被用来研究流场的时空演化，特别是速度张量的第二不变量;而相位平均数据在一个反馈周期内被分析以研究空间结构。这种分析是伴随着适当的正交分解（POD）的数据，它揭示了离散涡沿剪切层的存在。POD分析在展向和流向平面上进行，以提取流动结构中的相干性。最后，对数据序列进行动态模式分解（DMD），以获得动态信息并更深入地了解自维持机制。
2021-01-29 physics.flu-dyn
Efficient global resolvent analysis via the one-way Navier-Stokes equations. Part 2. Optimal response
在这项研究中，我们开发了一种有效的方法，通过空间推进近似预解模式。基于第1部分的方法，我们利用单向纳维-斯托克斯方程（OWNS）的基于投影的公式化的能力，来有效和准确地近似线性化纳维-斯托克斯方程的下游响应，以解决包含缓慢变化方向的问题。使用一个伴随的优化框架，最佳激发响应流的强迫计算前进和伴随OWNS方程的下游和上游方向，分别。这避免了求解直接和伴随的全局离散方程的需要，因此绕过了典型的全局预解式计算的主要计算瓶颈。对马赫数为1.5的超声速湍流射流和马赫数为4.5的过渡零压力梯度平板边界层流动进行了数值模拟，并与相应的全局计算结果进行了对比验证。
2021-11-17 physics.flu-dyn
Ambiguity in mean-flow-based linear analysis
关于湍流平均值的纳维-斯托克斯方程的线性化形成了能量放大和相干结构的流行模型的基础，包括预解式分析。虽然可以使用许多不同的因变量集来等效地写出纳维-斯托克斯方程，但我们表明，通过关于平均值的线性化获得的线性算子的性质取决于线性化之前写出方程的变量。例如，我们表明，使用原始和保守的变量导致湍流射流的预解算子的奇异值和模式的差异，并且随着变密度效应的增加，差异变得更加严重。基于平均流的线性分析缺乏唯一性，这为通过特定的变量选择来优化模型提供了新的机会，同时也强调了仔细考虑非线性项的重要性，这些非线性项作为对预解算子的强制。
2021-05-27 physics.flu-dyn
Efficient computation of global resolvent modes
线性化的纳维-斯托克斯方程的解算分析为过渡流和湍流的动力学提供了有用的见解，并且可以为流内的主要相干结构提供模型，特别是对于具有大增益分离的流。直接计算力和响应模式，使用奇异值分解的完整的预解矩阵是可行的，只有简单的问题，尽管最近的进展，复杂的流动的预解分析的成本仍然相当可观。本文提出了一种新的无矩阵方法计算预解模式的基础上积分的线性化方程组和相应的伴随系统在时域。与以前的无矩阵时间步进方法相比，我们的方法实现了一个数量级的加速，使所有感兴趣的频率同时计算。提出了两种不同的方法：一种是基于瞬态响应的分析，提供领先的模式与精细的频率离散化;另一种是基于稳态响应的周期性强迫，提供最佳和次优模式的离散频率。用线性化的Ginzburg-Landau方程验证了方法的有效性，并将其应用于三维抛物体绕流问题。
2020-08-25 physics.flu-dyn
