A physics-inspired alternative to spatial filtering for large-eddy simulations of turbulent flows
大涡模拟（LES）是计算高雷诺数湍流的一种常用方法。LES的空间滤波理论并非没有缺点，包括如何定义壁边界流的滤波，非均匀滤波器的换向误差，以及对具有额外复杂性的流（如多相流）的可扩展性。在本文中，大涡模拟的理论是重新想象使用一个粗糙的过程，模仿自然。这种物理启发的方法相当于单相无壁流动的高斯滤波，但即使在这种简单的情况下，也为建模开辟了新的见解。有界和非均匀分辨率可以在这个框架中无条件地处理，没有交换错误，和无发散条件被保留为不可压缩流。介绍了Germano恒等式的一种替代方法，并用于定义一个动态过程，而无需测试过滤器。更复杂的物理学的潜在扩展进行了简要讨论。
2021-10-14 physics.flu-dyn
Small-scale inhibiting characteristics of residual and solution filtering
本文通过等效残差方程分析了残差滤波与解滤波在抑制小尺度内容积累时的不同机制，并利用线性理论评估与经典流体方程测试验证了这些方法在非线性环境中的基本行为。
2023-04-06 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Robust Principal Component Analysis for Modal Decomposition of Corrupt Fluid Flows
模态分析技术用于识别各种流体应用中的模式和开发降阶模型。然而，实验获得的流场可能会被损坏与不正确的和丢失的条目，这可能会降低模态分解。在这里，我们使用强大的主成分分析（RPCA），以提高流场数据的质量，利用全局相干结构，以识别和替换虚假的数据点。RPCA是主成分分析（PCA）的一种稳健变体，也称为流体中的适当正交分解（POD），其将数据矩阵分解为包含相干结构的低秩矩阵和离群值和损坏条目的稀疏矩阵的总和。我们应用RPCA滤波到一系列不同复杂度的流体模拟和实验中，并评估低秩结构恢复的准确性。首先，我们分析了直接数值模拟的流动在雷诺数100与人工异常值，以及类似的PIV测量雷诺数413通过一个圆柱。接下来，我们应用RPCA过滤的湍流通道流模拟从约翰霍普金斯湍流数据库，证明占主导地位的相干结构被保存在低秩矩阵。最后，我们研究了一个两叶片的双击式水轮机，表现出宽带和相干现象背后的PIV测量。在所有情况下，我们发现，RPCA滤波提取占主导地位的相干结构，并识别和填充不正确或丢失的测量。当使用对噪声和异常值敏感的动态模式分解来分析流场时，性能特别引人注目。
2019-12-13 physics.flu-dyn
Explicit Filtering in Large Eddy Simulation of Barotropic Turbulence in Spectral Space
研究了谱空间中球面正压湍流大涡模拟中的显式滤波方法，并与隐式滤波方法进行了比较。在这里，一个光滑的过滤器被应用到旋转球上的无辐散正压涡度方程（BVE）的流场分解尺度（RS）和子过滤尺度（SFS）的运动。一部分的SFS运动的理论重建使用近似反卷积模型（ADM）。而未重建部分由亚网格尺度（SGS）运动组成，需要单独建模。为了研究单独的显式滤波的效果，没有使用SGS模型。结果表明，显式滤波准确地跟踪了旋转球上二维湍流中相干结构的演化，而隐式滤波则不能。与隐式滤波相比，显式滤波改善了总动能和总涡度拟能的时间变化以及能谱随波数变化的结果。虽然显式滤波比隐式滤波更昂贵，但它增加了计算的准确性并改善了结果，特别是在相干结构的位置方面，这是气候和天气应用中大气流动LES中特别重要的一个主题。
2014-04-05 physics.flu-dyn
Explicit filtering for large eddy simulation as use of a spectral buffer
讨论了大涡模拟（LES）的显式滤波方法，该方法包括对控制方程进行积分而不增加亚网格模拟项，以及低通滤波器在输运场中的应用。已被用于几个LES的空间导数和显式滤波器的数值方案的滤波器响应函数的形状进行了检查。通常，这些在低波数范围内是平坦的（没有滤波），然后在最高代表波数的小范围内下降。有人认为，这个高波数的部分可以被看作是一个光谱缓冲区类似的物理缓冲区（或海绵）流出边界附近使用的区域。这种方法的单调收敛到一个直接的数值模拟，并转移的频谱缓冲区，以较大的波数作为代表的频谱范围增加，而不改变低波数部分的解决方案，证明与LES的两个样品流。连接到其他广泛使用的方法-Smagorinsky模型，MILES和另一个ILES-也进行了解释。
2017-10-05 physics.flu-dyn
Large Eddy Simulation of Turbulent Barotropic Flows in Spectral Space on the Sphere
大气环流模式的数值模拟受到空间分辨率的限制，因此大涡模拟（LES）是研究这些模式的首选方法。在LES中，低通滤波器应用于流场以分离大尺度和小尺度运动。在隐式过滤LES的计算网格和离散化计划被认为是低通滤波器，而在显式过滤LES的方法中，过滤过程是从网格和离散化运营商分离，并允许更好地控制数值误差。本文的目的是研究和比较隐式过滤和显式过滤LES的大气环流模式在谱空间。为了实现这一目标，我们提出的结果隐式过滤和显式过滤LES的正压大气环流模式的球面上的谱空间，并比较它们与直接数值模拟（DNS）得到的结果。我们的研究表明，虽然在一些积分量，如总动能和总拟能的计算中，从隐式过滤LES和显式过滤LES得到的结果与DNS结果显示出同样良好的协议，显式过滤产生的能量谱，显示出更好的协议与DNS的结果。更重要的是，显式滤波捕获相干结构随时间的位置，而隐式滤波不。
2014-04-08 physics.flu-dyn
The volume-filtering immersed boundary method
提出体积过滤浸入边界（VFIB）方法，通过过滤Navier-Stokes方程将界面边界条件转化为体力，并创新性地解决内部流动应力分离、Lagrangian强迫点体积计算及大涡模拟扩展问题，显著提升了计算精度。
2023-03-25 physics.flu-dyn
Deep learning based on mixed-variable physics informed neural network for solving fluid dynamics without simulation data
近年来，深度学习方法在处理流体动力学方面引起了极大的关注。然而，深度学习方法需要大量的数据来保证泛化能力，而流体动力学的数据不足。近年来，物理信息神经网络（PINN）被广泛应用于流体流动问题的求解，其基本思想是将控制方程和连续性方程嵌入到损失函数中，要求用较少的数据集就能得到可靠的神经网络。本文提出了一种混合变量PINN方法，将控制方程转化为连续介质和本构方程，用于求解无标号数据的流体动力学（绕圆柱流动）问题。初始/边界条件与惩罚因子也被嵌入到损失函数，成为一个很好的强加的问题。结果表明，与传统的PINN格式相比，混合变量PINN格式具有更好的流场预测能力。此外，采用迁移学习方法，以较少的计算量求解不同网格数的流体解。结果表明，迁移学习方法可以在短时间内很好地模拟不同雷诺数下的流动。
2021-11-17 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
A covariant approach to relativistic large-eddy simulations: The fibration picture
湍流模型需要大范围尺度的分辨率，从大涡旋到与耗散直接相关的小尺度特征。由于所需的分辨率不在大规模数值模拟的范围内，标准策略涉及通过时间平均或空间滤波来平滑流体动力学。这些策略在广义相对论中提出了形式上的问题，在广义相对论中，空间和时间的分裂取决于观察者。为了取得进展，我们开发了一个新的协变框架过滤/平均的基础上与流体元素和费米坐标的使用，以方便有意义的本地分析的时空纤维化。我们推导出解决的运动方程，演示如何“有效”耗散项出现，因为粗粒化，并特别注意解决量的物理解释。最后，作为平滑的流体动力学不可避免地导致一个封闭的问题，我们提出了一个新的封闭方案的灵感来自最近的进展，在建模耗散相对论性流体，至关重要的是，证明了线性稳定性的建议模型。
2021-10-27 astro-ph.HE gr-qc physics.flu-dyn
A new paradigm for wall-modeled large eddy simulations using the volume-filtering framework
本文提出体积过滤壁面模化大涡模拟（VF-WMLES）新框架，无需时间平均或先验压力梯度假设，基于PC-IBM策略实现任意边界耦合，并在湍流通道和周期性山丘案例中准确预测平均速度剖面。
2024-11-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Influence of viscosity on acoustic streaming in sessile droplets: an experimental and a numerical study with a Streaming Source Spatial Filtering (SSSF) method
当声波在诸如液体的有损耗介质中行进时，它逐渐将其伪动量传递到流体，这导致稳定的声流。值得注意的是，该现象涉及声衰减和剪切之间的平衡，使得粘度在速度场的最终表达中消失。因此，在声流实验中，粘性的影响一直被忽略。在这里，我们的实验表明，粘度起着重要的作用，如在固着液滴中的表面声波诱导的流腔。我们开发了一个数值模型的基础上的空间过滤的流源项计算诱导流运动，大大降低了计算要求。我们的证据表明，在液滴声场是一个混乱的领域和一些强大的焦散线的叠加。焦散线似乎驱动流动，这允许对流动结构进行定性预测。最后，我们减少了问题的两个无量纲的数字有关的表面波和体波衰减和模拟半球形的固着液滴休息在锂的硼酸盐基板的参数范围。即使在这样的基线配置中，我们也观察到至少四种不同的流态。对于他们中的每一个，我们建立了一个相关的液滴中的平均流动速度，这是越来越依赖于体波衰减的粘度增加。这些相关性将我们的结果扩展到广泛的流体和驱动频率。
2016-05-12 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Fluid-particle interaction regimes during the evolution of turbidity currents from a coupled LES/DEM model
本文采用大涡模拟和离散元相结合的模型，研究了平板上锁交换浊流中的流体-颗粒相互作用。该模型的可靠性证明通过比较的前端位置，流体速度分布，和锁交换TC的颗粒浓度分布的测量值的数值解。获得以下物理理解。涡度场通过影响流体升力（即，在垂直于流体-颗粒滑移速度的方向上）作用在颗粒上。在初始阶段，由于强正涡度产生的纵向正升力促进了粒子的纵向输运。之后，纵向升力减小并最终变为负的，其幅度甚至超过正的纵向拖曳力，因为越来越多的沉降颗粒受到由表面摩擦引起的底壁附近的负涡量的影响。有趣的是，尽管流体-粒子相互作用力的复杂行为及其在TC演化中的作用，但只有非常小的一部分初始粒子引力势能实际上转化为TC动能（粒子和流体）。
2022-03-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Study and derivation of closures in the volume-filtered framework for particle-laden flows
本文研究了体积过滤流体动量方程中各闭合项的影响，推导了粘性闭合与颗粒动量源规则化的解析表达式，提出了亚过滤应力张量模型与修正对流项以解决稳定性问题，并给出了点颗粒模拟的指导原则。
2024-02-08 physics.flu-dyn
Data-Driven Filtered Reduced Order Modeling Of Fluid Flows
本文提出了一种数据驱动的滤波降阶模型（DDF-ROM）框架，用于流体流动的数值模拟。新的DDF-ROM框架由两个步骤组成：（i）在第一步中，我们使用显式ROM空间滤波的非线性PDE来构建一个过滤的ROM。这个过滤的ROM是低维的，但不是封闭的（因为在给定的PDE中的非线性）。(ii)在第二步中，我们使用数据驱动建模来关闭过滤的ROM，即，以模拟已解析和未解析模式之间的相互作用。为此，我们使用一个二次anananterior模型这种相互作用，并关闭过滤ROM。为了找到新的系数在封闭的过滤ROM，我们解决了一个优化问题，最大限度地减少全阶模型数据和我们的anterior之间的差异。我们强调，新的DDF-ROM是建立在空间滤波和优化的一般思想，是独立的（限制性）现象学的论点。本文研究了雷诺数为$Re=100$的二维槽道圆柱绕流的DDF-ROM数值模拟。DDF-ROM比标准投影ROM精确得多。此外，DDF-ROM和标准投影ROM的计算成本是相似的，两者的成本都比全阶模型的计算成本低几个数量级。我们还比较了新的DDF-ROM和现代ROM闭包模型在一维Burgers方程数值模拟中的应用。DDF-ROM比这些ROM闭合模型更准确，效率也明显更高。
2017-09-11 physics.flu-dyn
Comparative study on mesh-based and mesh-less coupled CFD-DEM methods to model particle-laden flow
对基于网格和无网格的计算流体动力学（CFD）方法与离散单元法（DEM）的耦合进行了比较研究。作为基于网格的CFD方法，使用有限体积法（FVM）。光滑粒子流体动力学（SPH）方法代表无网格CFD。未解决的流体模型由局部平均的纳维-斯托克斯方程控制。一个新开发的模型应用边界条件的SPH的描述和验证测试进行。通过对比试验，讨论了DEM-FVM和DEM-SPH方法的异同。三个测试用例，包括一个单一的固体颗粒沉降测试，通过一个多孔块和多孔块的沉降流动，使用这两种方法进行。作用在固体颗粒上的拖曳力高度依赖于局部流体分数。出于比较的原因，选择FVM中单元的大小，使得流体分数与SPH中计算的流体分数相匹配。在一般情况下，DEM-FVM和DEM-SPH方法表现出良好的协议与分析参考结果。DEM-SPH和DEM-FVM方法之间的差异主要是由于计算的局部流体分数的差异。
2016-09-27 physics.flu-dyn
A connection between filter stabilization and eddy viscosity models
University of Houston（休斯顿大学）；Moscow State University（莫斯科国立大学）；University of Pittsburgh（匹兹堡大学）
本文证明了基于非线性微分滤波的不可压缩Navier-Stokes方程稳定化方法与LES中的涡粘模型等价，并分析了滤波性质，同时给出了投影法中滤波数值解收敛到DNS解的估计。
2013-04-13 cs.NA math.NA physics.comp-ph
LES of Turbulent Flow of The Non-Newtonian Fluid: The Turbulence Statistics
采用扩展的Smagorinsky模型，采用大涡模拟（LES），在雷诺数为4000，网格分辨率为65 3个轴向、径向和周向网格点，区域长度为20 R的条件下，对剪切稀化流体（n=0.75）在静止管道中充分发展的湍流进行了数值模拟。本研究的目的是严格评估非牛顿流变学和流体动力学行为对湍流主要特征的影响，以及确定实验室代码预测结果的准确性和可靠性。获得的湍流统计数据与实验数据和DNS结果进行了比较。预测结果与文献结果吻合较好。研究结果表明，平均轴向速度脉动产生于壁面附近，并传递到径向和展向分量，导致湍流脉动的动能沿径向增强。与牛顿流体相比，轴向波动向流层间其他波动分量的能量传递受到抑制。
2020-05-29 physics.flu-dyn
Fluid Dynamics Beyond the Continuum -- A Physical Perspective on Large Eddy Simulation
在这项工作中，我们将提出一个物理上一致的理论推导出的控制方程的大涡模拟（LES）框架的基础上的第一性原理，而不是动机进行计算负担得起的模拟湍流。因此，我们假设一个粗粒流体元素，随后称为超流体元素，可以局部定义包括大量的较小的基本流体元素。然后，类似于非平衡分子动力学（NEMD），其中基本流体元素的输运方程可以从分子的局部集体动力学一致地重构，超流体元素的输运方程可以从基本流体元素的局部集体动力学导出。有趣的是，我们发现：（a）Favre滤波是一种物理一致性条件，（b）为什么Boussinesq假设与涡粘性模型一起通常用于LES，以及（c）LES框架可能不仅仅是计算流体动力学（CFD）的数值湍流模型。
2021-09-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Physics-informed data-driven inference of an interpretable equivariant LES model of two-dimensional incompressible fluid turbulence
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
本文提出了一种无需假设的亚格尺度模型，通过数据驱动方法在湍流模拟中实现高精度预测，其结构更接近RANS模型，利用二阶张量场提升预测准确性。
2026-10-20 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Lagrangian coherent structures and inertial particle dynamics
在这项工作中，我们研究了惯性粒子的动力学有限时间李雅普诺夫指数（FTLE）。特别是，我们的吸引子和排斥子结构的基础上的优先浓度的惯性粒子的FTLE领域的基础载体流体。比环境流体（气溶胶）重的惯性粒子吸引到负时间流体FTLE的脊上。该负时间FTLE脊成为比载液轻的颗粒（气泡）的排斥器。我们还研究了惯性FTLE（iFTLE）所确定的轨迹的惯性粒子演化使用Maxey-Riley方程与非零斯托克斯数和密度比。最后，我们探讨了斯托克斯数的低通滤波效果。这些想法被证明在二维非定常双涡旋流的数值模拟。
2015-12-17 physics.flu-dyn
A priori tests of a novel LES approach to compressible variable density turbulence
我们评估的可行性，最近提出的新方法LES可压缩变密度流动的先验测试。先验测试已经进行了过滤的经典锁交换基准的二维DNS数据库。试验证实，在变密度流的亚网格尺度模拟中，相对于传统方法中通常考虑的项，应考虑附加项。这些条款的建模的几种选择进行了评估和讨论。
2018-03-26 physics.flu-dyn
Maximum Likelihood Filtering for Particle Tracking in Turbulent Flows
OpB Data Insights LLC（OpB数据洞察有限责任公司）；Syracuse University（雪城大学）
本文提出了一种基于最大似然估计的粒子追踪滤波方法，通过考虑测量误差和随机过程物理，提高了湍流数据处理的效率和准确性。
2023-05-23 math.OC physics.flu-dyn
4D Topology optimization of moving rigid bodies in fluid flows
Tokyo University of Science（东京科学大学）；The University of Osaka（大阪大学）
本研究将4D拓扑优化框架应用于流体中运动刚体，同步优化其形状与运动，通过数值算例验证了所提方法的有效性。
2026-08-04 physics.flu-dyn
Three-dimensional low Reynolds number flows near biological filtering and protective layers
中尺度的过滤和保护层在整个自然界中比比皆是。在体内，细胞外蛋白质、微绒毛和纤毛的阵列可以充当保护层和机械传感器。例如，通过内皮表面层的血流分布确定内皮细胞感受到的剪切应力的量，并且可以改变分子进入和离开细胞的速率。因此，表征通过这些层的流动曲线对于理解这些阵列在细胞信号传导和分子过滤中的功能至关重要。外部过滤层对许多动物和植物也很重要。毛状体（植物上的毛发或细小的生长物）可以极大地改变叶片表面附近的平均风速和轮廓，影响养分和热量交换的速率。在本文中，动态缩放的物理模型被用来研究代表这种过滤和保护层的圆柱体阵列外的流动剖面。此外，数值模拟使用浸没边界方法来解决层内的三维流动。实验和计算结果进行了比较，通过建模层作为一个均匀的多孔介质与自由流动的层以上所获得的分析结果。实验结果表明，简单的分析模型能很好地描述整体流动。数值结果表明，Brinkman模型能较好地描述层流层内的空间平均流动。数值结果还表明，流动可以是高度三维的流体进出层。Brinkman模型未描述这些效应，并且可能对生物学相关体积分数具有显著性。本文的结果可以用来了解如何在密度和高度的变化，这种结构可以改变剪切应力和整体流量。
2017-09-14 physics.flu-dyn q-bio.QM
Tracking Brownian fluid particles in large eddy simulations
本文结合随机涡方法与LES核心原理，利用滤波函数和抛物型方程积分表示定理构建封闭数值格式，克服三维核非局部可积困难，通过蒙特卡洛方法高效模拟壁面约束层流与湍流。
2025-11-10 math.AP math.PR physics.flu-dyn
Exchange flow of two immiscible fluids and the principle of maximum flux
由于两种不可混溶的、不可压缩的流体之间的界面的任意性，两种流体在圆柱形管中相互经过的稳定的同轴流动具有连续的可能性。通过调用存在的表面张力，以至少限制任何接口的形状，圆弧或完整的圆，我们考虑以下问题：哪一个流将最大限度地交换时，只有一个划分接口伽玛？令人惊讶的是，答案从根本上不同于更知名的同向两相流的情况下，一个轴对称（同心）的核心，环形的解决方案总是优化通量。相反，最大通量状态总是不对称的，要么是"并排"配置，其中伽马在管壁处开始和结束，要么是偏心芯-环形流，其中伽马是偏心的完整圆，其中粘性较大的流体被粘性较小的流体包围。对于小于或等于4.60的小粘度比β，并排解决方案是最有效的交换器，否则偏心核-环解决方案是最佳的。在大β，这种偏心的解决方案提供了51%以上的流量比轴对称的核心环形流，这总是一个局部极小的通量。
2009-12-04 physics.flu-dyn physics.gen-ph
