Constitutive theory of inhomogeneous turbulent flow based on two-scale Lagrangian formalism
针对非均匀湍流发展了一种封闭理论，该理论可以在不依赖任何经验参数的情况下系统地推导湍流本构关系。在对流坐标系中，基于平均流进行重正化摄动近似，成功地将对流积分以一般协变的方式结合起来。
2019-02-26 physics.flu-dyn
Structure of the velocity gradient tensor in turbulent shear flows
湍流小尺度特性的普遍性意味着在很大的雷诺数极限下速度梯度张量的各向同性特性。使用直接的数值模拟，我们确定的张量形成的n = 2和3的速度梯度在一个单一的点在湍流均匀剪切流，并在日志层的湍流通道流，我们的特征在于这些张量从相应的各向同性预测的偏离。具体来说，我们分离的张量，不变的反射下的所有轴，从奇数的，这完全消失在没有剪切的偶分量。结果表明，三阶速度梯度关联函数的奇次分量，尤其是沿流向速度分量法线方向导数的三阶矩，对各向同性的偏离最大。在所考虑的雷诺数（R_lambda ~ 140）下，我们观察到这些二阶和三阶关联函数在湍流槽道流中明显大于在均匀剪切流中。总的来说，我们的工作表明，平均剪切导致相对简单的结构的速度梯度张量。在非常大的雷诺数极限下各向同性如何恢复还有待了解。
2017-07-01 physics.flu-dyn
Lagrangian Probability Distributions of Turbulent Flows
我们概述了湍流的统计理论的基础上的拉格朗日制定的流体运动。我们推导出一个层次的拉格朗日N点概率分布的演化方程，以及一个适当定义的概率泛函，这是模拟的霍普夫的功能方程的功能方程。进一步推导了N个流体粒子联合速度-位置概率密度的广义Fokker-Plank方程。
2002-07-03 physics.flu-dyn
Lagrangian coherent structures and entrainment near the turbulent/non-turbulent interface of a gravity current
本文应用拉格朗日拟序结构理论研究了三维涡旋的分离，并研究了大尺度涡旋结构对湍流/非湍流界面和重力流卷吸的影响。重力流的实验实现和不同层次的分层进行了检查。对于流量测量，我们使用多变量三维粒子跟踪测速技术。为了识别涡型LCS（VLCSs），实现了一种基于拉格朗日平均涡度偏差方法的全自动三维多流结构提取算法。对VLCS的大小、方向和形状进行了分析，结果表明，这些特征仅微弱地依赖于分层的强度。通过条件分析，我们提供的证据表明，VLCSs调制的平均TNTI高度，从而影响卷吸过程。此外，VLCSs的影响当地的卷吸速度和组织的流场的湍流和非湍流侧的重力流边界。
2019-07-29 physics.flu-dyn
Lagrangian one-particle velocity statistics in a turbulent flow
我们提出了拉格朗日单粒子统计从里索PTV实验的湍流。我们估计的拉格朗日Kolmogorov常数$C_0$，并发现它是由流动的大尺度不均匀性的影响。时间速度增量的PDF是高度非高斯的小时间，我们解释为一个后果的不稳定性。使用扩展的自相似性，我们设法量化的不确定性，并发现从Kolmogorov 1941年相似标度的偏差是较大的拉格朗日框架比欧拉。通过多重分形模型计算了多重分形维数谱。
2006-10-19 physics.flu-dyn
Lagrangian tracer dynamics in a closed cylindrical turbulent convection cell
在拉格朗日坐标系下，利用三维直接数值模拟方法，研究了封闭圆柱体中的湍流Rayleigh-Benard对流。晶胞的纵横比γ在1到12之间变化，瑞利数Ra在10^7到10^9之间变化。普朗特数Pr固定为0.7。据发现，无论是对分散的拉格朗日示踪粒子和沿粒子轨迹测量的加速度分量的统计依赖于纵横比为一个固定的瑞利数的参数范围内，我们的研究。这表明对流单体中存在的大尺度环流影响拉格朗日动力学。我们的研究结果与现有的拉格朗日实验室湍流对流实验定性一致。
2010-06-04 physics.flu-dyn
Geometry of stratified turbulent mixing: local alignment of the density gradient with rotation, shear and viscous dissipation
本文提出基于速度梯度张量构造两个正交基的几何分析方法，研究分层湍流中密度梯度与旋转、剪切及黏性耗散的局部对齐，并利用分层倾斜管道实验揭示高剪切区密度梯度优先沿最小耗散方向且垂直于rotex-剪切平面的规律。
2023-09-19 physics.flu-dyn
Lagrangian network analysis of turbulent mixing
提出了一种基于时间复杂网络的方法，从拉格朗日的角度研究湍流混合。通过利用空间邻近准则，一组流体粒子的动力学被几何化为一个随时间变化的加权网络。具体而言，数值求解的湍流槽道流作为一个示例性的情况下。我们表明，随时间变化的网络是能够清楚地描述粒子群动力学，在参数鲁棒性和计算成本低廉的方式。网络形式主义能够直接识别瞬态和长期流态，湍流混合和平均流平流之间的相互作用，以及颗粒之间的邻近事件的发生。由于其多功能性和突出显着的流动特征的能力，复杂的网络代表了一个合适的工具，湍流混合的拉格朗日调查。复杂网络的应用为湍流的拉格朗日分析提供了强有力的资源，从而为湍流研究和网络科学之间的桥梁提供了进一步的步骤。
2019-02-21 physics.flu-dyn
Turbulent bifurcations in intermittent shear flows: from puffs to oblique stripes
局部湍流结构，如泡芙或斜条纹的亚临界壁边界剪切流的不稳定性制度的基石。这些湍流结构的不可压缩的压力驱动的环形管流在长域中使用直接数值模拟进行了研究。对于足够低的半径比$η$，这些相干结构具有与圆柱形管流中的喷流相当的动力学。对于大于0.5的$η$，它们采取相对于轴向方向倾斜的螺旋条纹的形状。从喷流到条纹的过渡集中在相关的大尺度流的轴对称特性进行统计分析。它示出的过渡是渐进的：作为方位角限制放松，允许一个方位角大规模的组件，斜条纹出现在平面极限预测。这种过渡机制的一般性进行了讨论的背景下，亚临界剪切流。
2017-05-08 physics.flu-dyn
Statistics of Lagrangian Trajectories in a Rotating Turbulent Flow
通过直接数值模拟研究了三维旋转湍流的拉格朗日统计特性。我们发现，相干涡结构的出现，因为科里奥利力导致抑制的“飞行坠毁”事件报道的徐，等。Acad. Sci.（U.S.A）111，7558（2014）]。我们进行系统的研究，以跟踪这种抑制的起源在紧急几何的流动，并显示为什么这样的拉格朗日措施的不可逆性可能会失败的旋转存在。
2019-10-02 physics.flu-dyn
Laminar, turbulent and inertial shear-thickening regimes in channel flow of neutrally buoyant particle suspensions
这封信的目的是描述有限惯性下粘性流体中有限尺寸刚性颗粒悬浮液的流动状态。我们探讨了系统的行为作为粒子的体积分数和雷诺数（流量和颗粒的惯性粘性力的比率）的函数。与层流和湍流状态之间存在明显区别的单相流不同，在存在颗粒相的情况下可以识别三种不同的状态，它们之间具有平滑的过渡。在低体积分数下，当雷诺数增加时，流动变得湍流，从由粘性力主导的层流状态过渡到以湍流涡流增强动量传输为特征的湍流状态。在更大的体积分数，我们确定了一个新的制度，其特征在于更大的增加壁摩擦。壁面摩擦力随雷诺数（惯性效应）而增加，而湍流输运的影响很弱，如在强烈的惯性剪切增稠状态。这种状态可能会阻止过渡到一个充分的湍流状态在任意高速度的流动。
2014-11-14 physics.flu-dyn
The evolution of coherent vortical structures in increasingly turbulent stratified shear layers
我们研究了欧拉涡结构的形态及其与密度界面的相互作用，在日益动荡的稳定分层剪切层。本文分析了在分层倾斜管道实验室中得到的三维同时速度场和密度场。我们跟踪，在15个数据集，相干结构的演变，从前湍流Holmboe波，通过间歇性湍流，充分的湍流和混合。我们使用的Rortex-剪切分解的涡度场成一个纯旋转的部分（的Rortex矢量），和一个非旋转的部分（剪切矢量）。我们描述了无处不在的发夹状涡结构（揭示的rottex）的形态，类似于那些通常观察到的边界层湍流。这些都是作为相对较弱的涡流周围的强三维剪切结构的封闭Holmboe波，并逐渐加强和变形下增加湍流，转化成对向上和向下指向的发夹传播方向相反的剪切层的顶部和底部边缘。每个发夹的一对腿是反向旋转的，并在横向和垂直方向上夹带流体，它们的拱形“头”是横向涡流，垂直夹带流体。然后，我们阐明了这种大规模的旋涡形态搅拌和混合的密度场。基本上，位于混合层（主要是发夹头）的任一边缘上的尖锐密度界面处的涡流将未混合的流体团吞没到混合层中，而混合层（主要是发夹腿）内部的涡流进一步搅拌它，产生强烈的小尺度剪切，增强混合。这些发现提供了新的见解剪切驱动的分层混合中的湍流相干结构的作用。
2022-03-21 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
Extreme-value statistics from Lagrangian convex hull analysis for homogeneous turbulent Boussinesq convection and MHD convection
本文研究了拉格朗日示踪剂的凸壳在分析不同各向异性湍流输运特性中的应用。在统计均匀和稳态Navier-Stokes湍流，中性流体Boussinesq对流，MHD Boussinesq对流的直接数值模拟与拉格朗日对色散的比较表明，凸包统计捕获的渐近色散行为的一大群被动示踪粒子。此外，凸包分析提供了关于示踪剂子系综的附加信息，这些示踪剂平均以极值统计和流动各向异性的形式经由凸包的几何性质最有效地分散。我们使用凸壳表面的几何形状来研究湍流对流中发生的各向异性。应用极值理论，我们证明了凸壳顶点的最大平方扩张是由一个经典的极值分布，Gumbel分布很好地描述。在湍流对流期间，间歇性对流羽流增长并加速拉格朗日示踪剂的分散。凸壳分析产生的信息，补充标准拉格朗日分析的相干湍流结构及其影响的全球统计的流动。
2017-05-07 physics.flu-dyn
Goldilocks mixing in oceanic shear-induced turbulent overturns
我们提出了一个新的物理动机的参数化，基于索普和Ozmidov尺度的比例，不可逆的湍流通量系数$Γ_{\mathcal M}= {\mathcal M}/ε$，即不可逆率${\mathcal M}$在分层流中的背景势能增加，由于宏观运动的湍流动能耗散率的比例。我们的参数化涵盖了所有三个关键阶段（至关重要的是，在时间上）的剪切诱导分层湍流生命周期：初始，“热”的增长阶段，中间大力强迫阶段，和最后的“冷”的tetralization衰减阶段。涵盖所有三个阶段使我们能够突出中间阶段的重要性，我们称之为“金发姑娘”阶段，因为它显然是最佳的（因此既不太热也不太冷，但刚刚好）平衡，其中从背景剪切到湍流混合的能量传递是最有效的。$Γ_{\mathcal M}$在此阶段接近1/3，我们证明，这似乎与持续湍流$\sim 0.2-0.25$的临界或边际Richardson数的调整有关。
2021-08-11 physics.flu-dyn
Lagrangian acceleration statistics in a turbulent channel flow
基于示踪粒子跟踪实验和直接数值模拟，研究了$Re_τ= 1440$充分发展槽道湍流中的拉格朗日加速度统计。分析了拉格朗日速度和加速度时间尺度随壁距的演化规律。使用互相关和联合概率密度函数描述了近壁区域中的加速度分量之间的依赖性。强流向相干涡典型的壁有界湍流的动态显示有显着的影响。这导致在近壁区域中的小尺度下的强各向异性，该区域仍然存在于大部分通道中。这种统计特性可以用作构建高级拉格朗日随机模型的约束，以预测用于燃烧或环境研究的化学组分的分散和混合。
2017-04-24 physics.flu-dyn
Studying edge geometry in transiently turbulent shear flows
在中等Re的线性稳定剪切流中，尽管存在称为混沌边缘的余维一流形，但湍流自发地衰减，该流形将衰减扰动与触发湍流的扰动分开。我们统计分析了平面Couette流中的衰变，量化了自持反馈回路的破裂，并证明了可能的衰变路径的整个连续体的存在。绘制平行低维模型和监测相对于衰减轨迹的边缘的位置，我们提供的证据，混沌的边缘分离状态空间，而不是全球。相反，它包裹在湍流产生结构周围，而不是一个独立的动力学结构，而是混沌鞍的一部分。因此，衰减轨迹不需要穿过边缘，而是在从湍流鞍形物展开的同时环绕它。
2013-12-10 physics.flu-dyn
Neural network-based modelling of unresolved stresses in a turbulent reacting flow with mean shear
随着计算能力和数据存储能力的不断提高，流体力学中用于建模目的的数据驱动方法是一种有前途的替代方法。高度非线性的流动，包括湍流和反应是具有挑战性的模型，和精确的封闭的大涡模拟的这种流动的未解决的条款是很难获得。在这项研究中，我们调查使用人工神经网络建模的一个重要的未闭合项，即未解决的应力张量，在一个高度要求的湍流和反应流，其中还包括平均剪切。基于神经网络的建模方法的性能进行了先验的粗化网格的方法，并与其他八个经典模型在文献中，其中包括静态和动态配方的预测。
2019-04-17 physics.flu-dyn
Aerodynamically-driven rupture of a liquid film by turbulent shear flow
本文用流体体积法研究了气相同向剪切湍流引起的液膜破裂。为了模拟这个多相问题，我们使用一个简化的数值设置，其中的液膜是“夹”在两个充分发展的边界层从湍流通道模拟。膜在由共流产生的剪切区内变形并最终破裂。这种有效的设置允许系统的物理参数的变化，以衡量他们的作用，在空气动力学驱动的变形和破裂的液膜下充分发展剪切湍流。目前的工作提出了一个详细的研究的发展压力场的变形膜和相关的空气动力学效应，如以前所建议的其他作者，特别是无粘升力和阻力的作用。引入累积升力以捕获在膜上形成的交替压力最小值和最大值的效果，所述交替压力最小值和最大值放大并最终使膜破裂。由升力引起的阻力导出的速度标度反映了膜上的紊流边界层的状态，并使这种累积升力的时间发展以及膜变形的幅度崩溃，对于不同的膜厚度和雷诺数取得了一定的成功。
2020-08-11 physics.flu-dyn
Experimental studies of liquid-liquid dispersion in a turbulent shear flow
本文研究了在两个反向旋转的同轴圆柱体之间产生的湍流泰勒-库埃特流中的液-液分散。在纯水和反向旋转中，雷诺数可达1.4 × 10^5。我们首先描述的单相流，在过渡到湍流的阈值，缩放的扭矩和测量的平均流量和雷诺应力的立体PIV。然后，我们研究了两相流中耗散的增加，发现单位质量的扭矩可以是单相流扭矩的两倍。长期行为也有报道。
2008-06-19 physics.flu-dyn
Lagrangian analysis of turbulent blood flow in the human left heart
本研究基于患者特异性解剖模型的高保真模拟与FSEI框架，开展人体左心湍流的拉格朗日分析，发现左心内存在强拉格朗日间歇性，为溶血建模及医疗器械评估提供统计基础。
2025-06-12 physics.flu-dyn
Feedback Control of Turbulent Shear Flows by Genetic Programming
湍流剪切流引发了非线性动力学的基础研究，如转捩情景，斑图形成和动力学建模。特别是，非线性动力学的控制是几十年来研究的主题。在该出版物中，致动湍流剪切流用作非线性闭环控制策略的试验台，该策略可以以自动自学习的方式优化任意成本函数。这是促进遗传编程提供了一个分析治疗的控制律。与基于PID法则或神经网络的控制不同，不需要预先指定控制法则的结构。该策略首先适用于低维动力系统的湍流方面，线性控制方法失败。这包括稳定非线性耦合振荡器模型的不稳定固定点和最大化混合，即强迫洛伦兹方程的李雅普诺夫指数。对于第一次，我们证明了遗传编程控制的适用性，四个剪切流实验具有较强的非线性和固有的噪声测量。这些实验包括湍流剪切层中的混合增强、后向台阶后回流区的减少以及分离边界层的优化再附着。遗传编程控制已经超过了测试优化国家的最先进的控制，甚至发现了新的驱动机制。
2015-05-05 physics.flu-dyn
The effect of Prandtl number on turbulent sheared thermal convection
在湍流壁面剪切热对流中，根据热强迫和壁面剪切的相对相关性，存在三种不同的流动状态。在本文中，我们报告了在固定瑞利数$Ra=10^6$的情况下，在$0 \leq Re_w \leq 4000$和普朗特数$0.22 \leq Pr \leq 4.6$范围内改变壁雷诺数，对这种剪切瑞利-贝纳德对流进行直接数值模拟的结果，扩展了Blass等人（2020）的先前工作，其中$Pr$保持不变，热强迫（$Ra$）变化。我们涵盖了广泛的散装理查森数$0.014 \leq Ri \leq 100$，并表明普朗特数强烈影响的形态和动力学的流动结构。特别是，在固定的$Ra$和$Re_w$，高普朗特数导致更强的动量传输从壁，因此产生更大的影响的流动结构上的壁剪切，导致增加的效果$Re_w$的努塞尔数。此外，我们分析了热和动力学边界层厚度，并将它们的行为与所得的流态。对于最大的剪切速率和$Pr$数，我们观察到的普朗特-冯卡门对数层的出现，在边界层的湍流动力学的发病信号。最后，我们的结果允许扩展Grossmann-Lohse理论的瑞利-Bénard对流的热传输剪切的情况下，普遍描述$Nu(Ra,Pr,Re_w)$。
2020-07-06 physics.flu-dyn
Signature of Pressure Gradient History on Wall Shear Stress in Turbulent Boundary Layers
本文通过实验研究顺逆压力梯度序列对湍流边界层壁面切应力的历史效应，发现上游顺压力梯度对下游逆压力梯度区域具有持久影响，且该效应在低雷诺数下更显著。
2025-07-01 physics.flu-dyn
On the nature of laminar-turbulence intermittency in shear flows
在管道、槽道和边界层流动中，湍流首先在空间和时间上间歇地发生：在中等雷诺数下，无序湍流运动的区域被静止层流区域分隔开。基于管流的直接数值模拟，我们在这里认为，空间不稳定性有其起源于最近邻湍流区之间的相互作用。我们进一步表明，在这种制度下，湍流本质上是间歇性的一个定义良好的平衡湍流分数，但从来没有假设一个稳定的模式。这种过渡情况类似于在简单模型中发现的情况，例如耦合映射格子。所观察到的缩放意味着湍流的层流间歇将持续到任意大的雷诺数。
2013-06-25 physics.flu-dyn
The multi-scale nature of Wall shear stress fluctuations in turbulent Rayleigh-Benard convection
本文报道了在一个直径2.5 m、高2.5 m的瑞利-贝纳德（RB）室的加热底板上，对空气中的湍流Rayleigh-Benard（RB）对流在很长时间尺度（$\ge$ 1900自由落体时间单位）上的壁面剪应力波动的测量结果。新型传感器同时捕获壁面剪应力矢量$\boldsymbolτ(t)$的大小和方向的波动，具有高分辨率的慢气流。结果表明，持续的翻滚型结构，这是在一个双稳态，因为它有规律地振荡的时间尺度，与典型的涡流周转时间的平均取向。平均取向可以持续几乎数百个涡流周转，直到这种结构的重新取向的形式，一个缓慢的进动设置，而一个临界弱化的平均壁面剪应力的大小-分别平均风-被观察到。流向壁面剪应力$τ_x$沿平均风向的湍流脉动幅值呈现高度偏态的Weibull分布，而在较大时间尺度上的脉动则服从对称的高斯分布。极端事件，如负$τ_x$的局部流动逆转恢复为罕见的事件，并与壁面剪应力矢量的快速角扭转。这些事件-与表面摩擦力场的临界点相关-与两种概率分布中尾部信号的重合相关。
2019-01-19 physics.flu-dyn
The 3D structure of the Lagrangian acceleration in turbulent flows
本文报道了高湍流中三维拉格朗日加速度的实验结果。示踪粒子的光学跟踪使用四个硅条探测器从高能物理，提供高的时间和空间分辨率。的组件的加速度被证明是统计依赖。加速度幅值的概率密度函数（PDF）与对数正态分布相当。假设各向同性，对数正态分布的幅度可以解释观察到的依赖性的组件。的加速度分量的时间动态被发现是典型的耗散尺度，而幅度演变在较长的时间，可能接近的积分时间尺度。
2004-10-12 physics.flu-dyn
Transitions between turbulent states in a two-dimensional shear flow
本文采用直接数值模拟的方法研究了大尺度射流在受迫剪切流湍流区的分叉现象。在最大尺度模式的概率密度函数（PDF）中可以看到分叉，其中控制参数是基于表示为$Rh$的摩擦系数的雷诺数。当在湍流状态下增加$Rh$时，大尺度模式的PDF首先从高斯行为分叉为双峰行为，这表明出现了大尺度流的反转，其中流在两个不同的湍流状态之间波动。进一步增加$Rh$导致从双峰到单峰PDF的分叉，这表示最大尺度模式的反转消失。我们把后一种转变归因于大尺度流动表现出的与低频$1/f^α$型噪声（具有$0 < α< 2$）相关的长时间记忆。我们还证明了一个极小模型，15个模式，从截断的欧拉方程，是能够捕捉到的纳维-斯托克斯方程所表现出的大尺度射流的分叉。
2020-06-09 physics.flu-dyn
Direct Measurement of Turbulent Shear
介绍了一种测量湍流肥皂膜中剪切速率张量分量的光子相关方法。这种新的计划，这也是适用于三维流动，示出了激光多普勒测速仪相同的结果，但统计噪声较小。该技术产生平均剪切速率s、其标准偏差以及剪切速率本身的概率密度函数P（s）的简单数学变换。
2011-10-10 nlin.CD physics.flu-dyn
Mechanism of Roll-Streak Structure Formation and Maintenance in Turbulent Shear Flow
在壁面剪切流动中，主要拟序结构是流向滚纹（R-S）。在没有相关不稳定性的情况下，R-S被归因于平均流和扰动之间的非正态介导的相互作用。这种相互作用可以直接由于瞬态增长扰动的激发而发生，也可以间接由于湍流雷诺应力引起的R-S不稳定而发生。直接机制和间接机制之间的一个基本区别是，在直接机制中，R-S本身就是增长结构，而在间接机制中，R-S作为自组织结构出现。在突现R-S理论中，基本机制是由雷诺应力条纹组织起来的，这些条纹被配置成通过提升过程来支持其相关的滚动。这需要条纹组织湍流扰动，例如产生被配置为加强条纹的雷诺应力。在本文中，我们提供了详细的分析，解释物理为什么这种正反馈发生，是一个普遍的性质，湍流剪切流。DNS数据从相同的湍流中使用的理论研究（Poisseullle流在R=1650）也进行了分析，验证这种机制在DNS中运行。
2022-05-16 physics.flu-dyn
Lagrangian velocity and acceleration correlations of large inertial particles in a closed turbulent flow
本文研究了非均匀各向异性流中大惯性颗粒对湍流脉动的响应。我们进行了拉格朗日研究，使用粒子比周围的流体更重和更轻，其直径是可比的流量积分尺度。分析了速度和加速度的关联函数，计算了这些粒子的拉格朗日积分时间和加速度时标。大小和密度如何影响这些时间尺度的知识是至关重要的，在理解粒子动力学，并可能允许随机过程建模使用两个时间模型（例如Sawford的）。由于颗粒在封闭流的准整体中被长时间跟踪，平均流影响它们的行为，并且还使速度时间统计数据，特别是速度关联函数偏置。通过使用一种允许计算湍流速度轨迹的方法，我们可以得到无偏的拉格朗日积分时间。这在访问这种颗粒的尺度分离以及将其与类似配置中的流体颗粒的情况进行比较时特别有用。
2015-12-24 physics.flu-dyn
Navier-Stokes-driven analysis of mean and fluctuating wall shear stress in turbulent channel flow
CNRS（法国国家科学研究中心）
本文提出基于纳维-斯托克斯方程分析湍流通道流中平均和脉动壁面剪应力的方法，揭示了湍流生产与扫过现象对剪切加速度协方差的影响。
2026-02-04 physics.flu-dyn
Prediction of Turbulent Shear Stresses through Dysfunctional Bileaflet Mechanical Heart Valves using Computational Fluid Dynamics
全世界每年有超过300，000个心脏瓣膜植入，其中约50%是机械瓣膜。心脏瓣膜置换术通常是严重瓣膜疾病的常见治疗方法。然而，瓣膜可能功能障碍，导致不良的血液动力学状况。当前的计算研究调查了在0%、50%和100%的不同瓣叶功能障碍水平下的双叶机械心脏瓣膜周围的流动，并记录了相关的流动特征，例如旋涡结构和湍流剪切应力。研究这些阀门在正常操作和功能障碍期间的流动特性，可以更好地了解其性能，可能改进设计，并帮助识别可能增加血细胞损伤潜在风险的条件。结果表明，最大流速增加功能障碍从2.05至4.49 ms-1，这是伴随着不断增长的漩涡和速度波动。这些波动导致更高的湍流剪切应力从90至800 N.m-2的功能障碍增加。这些应力值超过了溶血和血小板活化风险升高对应的阈值。应力升高的区域集中在功能瓣叶周围和下游，其中存在高射流速度和更强的螺旋结构。
2018-03-09 physics.flu-dyn
Aerodynamic sound of turbulent time-developing shear layer as the outcome of the flow linear non-modal instability
本文的目的是证实非正规的剪切流线性算子及其后果-非模态动力学的扰动-在形成声波输出的时间发展的自由剪切/混合层的重要性。首先，空间傅立叶谐波的线性瞬态动力学被认为是在一个三维的同熵平行无界无粘恒定剪切流，可以模拟剪切层的中心/身体部分。非模态方法允许捕获声波产生的唯一线性机制-- \textit{the linear vortex-wave mode coupling induced by the shear flow non-normality}。我们描述的具体/关键功能的生成过程中，应该留下痕迹的进一步动态生成的波。然后，给出了中等对流马赫数（具体为$M_c=0.7$）下可压缩湍流时间发展混合层的直接数值模拟结果，以及具有固定流向和剪切方向长度（$L_x=100, L_y=200$）和不同流向展向展弦比（$L_x/L_z=0.5,1,2$）的模拟箱$(L_x,L_y,L_z)$。模拟识别的声波输出的起源：一个\emph{linear generation process of acoustic waves in the shear layer core region, induced by the flow non-normality}的主导地位，可观察到在近场的声波发射的流动。
2021-04-19 physics.flu-dyn
Optimal control of diffuser shapes for confined turbulent shear flows
湍流剪切流的发展模型，在一个封闭的通道中的非均匀的平行流创建的，是用来识别的扩散器的形状，最大限度地提高压力恢复时，流入是不均匀的。宽扩压器角度会加剧不均匀流动，导致压力恢复差。另一方面，浅扩压器角度产生具有大壁阻力的较长区域，这也不利于压力恢复。因此，最佳的扩散器形状在两种效果之间取得平衡。我们使用一个简单的模型，它描述了一个近似的流量分布和压力的扩散器的演变。模型方程形成了最优控制问题的动力学，其中控制是扩压器通道形状。数值优化方法是用来解决的最优控制问题，我们用分析结果来解释在某些限制情况下的数值。将优化结果与计算流体动力学的计算结果进行比较。
2018-04-06 physics.flu-dyn
Transition from shear-dominated to Rayleigh-Taylor turbulence
自然界中的湍流混合层通常以两股不同速度的流体之间存在平均剪切和不稳定浮力梯度为特征。取决于剪切力与浮力的相对强度，前者或后者可能主导两股流之间的湍流和混合。在本文中，我们提出了一个唯象理论，导致识别两个不同的湍流制度：早期制度，占主导地位的平均剪切，和后来的制度占主导地位的浮力。主要的理论结果包括识别的交叉时间尺度，区分剪切和浮力为主的湍流。这个交叉时间取决于三个大规模的流动常数，即浮力差，两股流之间的速度差，和重力加速度。我们验证我们的理论对直接数值模拟（DNSs）的时间湍流混合层与不稳定的分层复合。我们观察到，交叉时间正确地预测从剪切浮力驱动的湍流的过渡，在湍流动能生产，能谱标度和混合层厚度。
2021-06-17 physics.flu-dyn
Lagrangian and Eulerian accelerations in turbulent stratified shear flows
采用直接数值模拟的方法研究了均匀剪切湍流和均匀稳定层结中流体质点的拉格朗日（LA）和欧拉加速度（EA）特性。Richardson数从对应于非分层剪切流的$Ri=0$变化到对应于强分层剪切流的$Ri=1$。LA和EA的概率密度函数（pdf）都具有拉伸指数形状，并且它们对Richardson数具有强烈且相似的影响。EA的极值比LA观察到的极值更强。几何统计学解释说，由于欧拉和对流加速度的相互抵消，EA的幅度大于其拉格朗日对应物，因为这两个矢量在统计上显示出反平行的偏好。一个基于小波的尺度相关分解的LA和EA进行。对于较小尺度的湍流运动，加速度pdf的尾部变得更重。因此，平坦度随着尺度的减小而增加，这表明在较小尺度下具有更强的不稳定性。LA和EA的联合PDF表明，随着理查森数的增加，在更大尺度的湍流运动的趋势更强的相关性。对纳维-斯托克斯方程中各项的考虑表明，LA主要由压力梯度项决定，而EA主要由非线性对流项决定。
2021-07-21 physics.flu-dyn
Modelling turbulent fluxes due to thermal convection in rectilinear shearing flow
我们沿着最初由Gough（1965）提出的路线重新讨论了湍流热对流的唯象描述，在该路线中，涡旋仅仅通过从不稳定分层平均态中提取能量而增长，随后被内部剪切不稳定性破坏。这项工作是正在进行的调查的一部分，寻找一个程序来计算湍流通量的热量和动量的剪切背景流的存在下，在恒星。
2010-11-16 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Mean velocity profiles and total shear stress profiles in adverse-pressure-gradient turbulent boundary layers considering history effect
本研究提出一种考虑历史效应的预测模型，通过引入由Clauser参数修正的摩擦速度尺度恢复流向自相似性，并开发估计-修正模型显式捕捉压力梯度流向导数，将总剪切应力分解为四部分，准确预测了逆压梯度湍流边界层的平均速度剖面和总剪切应力剖面。
2025-10-31 physics.flu-dyn
Flow organization and heat transfer in turbulent wall sheared thermal convection
我们进行直接数值模拟壁面剪切瑞利-贝纳德（RB）对流瑞利数$Ra=10^8$，普朗特数单位，壁面剪切雷诺数高达$Re_w=10000$。使用Monin-Obukhov长度$L_{MO}$，我们确定了三种不同的流动状态，浮力为主的制度（$L_{MO} \lesssim λ_θ$ ;与$λ_θ$的热边界层厚度），过渡制度（$0.5H \gtrsim L_{MO} \gtrsim λ_θ$ ;与$H$域的高度），和剪切为主的制度（$L_{MO} \gtrsim 0.5H$）。在浮力占主导地位的政权的流动动力学是类似的湍流热对流。过渡状态的特征在于随着剪切力的增加而逐渐伸长的辊。在剪切为主的制度的流动包括非常大规模的曲折卷，类似于传统的库埃特流中发现的。作为这些不同的流动状态的结果，对于固定的$Ra$并且随着剪切的增加，由于热辊的破碎，热传递首先降低，然后在剪切主导的状态开始时增加。对于$L_{MO} \gtrsim 0.5H$，努塞尔数$Nu$有效地缩放为$Nu \sim Ra^α$，其中$α\ll 1/3$，而我们发现$α\simeq 0.31$处于浮力主导的状态。在过渡区的有效标度指数是$α> 1/3$，但在这个区域的温度和速度的轮廓还不是对数，从而表明瞬态动力学，而不是热对流的最终制度。
2019-09-23 physics.flu-dyn
Consistency between the attached-eddy model and the inner-outer interaction model: a study of streamwise wall-shear stress fluctuations in a turbulent channel flow
内外相互作用模型（Marusic，Mathis & Hutchins，Science，vol.329，2010，193-196）和附着涡模型（Townsend，Cambridge University Press，1976）分别是描述多尺度湍流相互作用和高雷诺数壁边界湍流对数区域中含能运动组织的两个基本模型。本文将附加描述与附壁涡模型耦合，描述了附壁涡引起的流向壁面剪切脉动的产生过程。然后，借助于内外相互作用模型，分离了槽道湍流中由附着涡产生的流向壁面切应力脉动。通过对这两个模型的统计数据进行直接比较，可以看出它们是一致的，并且可以相互补充。同时，通过验证强自相似性和扩展自相似性的有效性，进一步证明了附加涡的叠加严格遵循一个可加性过程。此外，我们提出了一个高斯模型来表征瞬时分布的流向壁面切应力，从附着涡叠加。这些研究结果对发展先进的壁面降阶模型具有重要意义。
2022-05-16 physics.flu-dyn
Nonlocal model for the turbulent fluxes due to thermal convection in rectilinear shearing flow
我们沿着Gough（1977）提出的路线重新讨论了湍流热对流的唯象描述，在该路线中，涡旋仅仅通过从不稳定分层的平均态中提取能量而增长，随后被内部剪切不稳定性破坏。这项工作是正在进行的调查的一部分，寻找一个程序来计算湍流通量的热量和动量的剪切背景流的存在下，在恒星。
2011-11-30 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Direct velocity measurement of a turbulent shear flow in a planar Couette cell
在一个平面库埃特池中，由水组成的薄流体层在雷诺数为300至1400的透明带之间被剪切。与膜分离相比，细胞流动通道的长度较大。为了提取实验中的流速，相关图像测速（CIV）方法被用于高速摄像机记录的图像。以允许分析与膜分离尺寸相似的流型的分辨率记录流动。然后通过计算流速自相关函数来研究流体流动。在临界雷诺数Re=360以上的尺度上出现的湍流模式显示出用计算出的速度自相关函数证明的特征模式。这些模式是亚稳态的，并在整个实验中的不同位置和时间重新出现。通常，这些图案是湍流辊，其在带移动的方向的流动方向上伸长。虽然流动状态是亚稳态的，但它们与已知出现在圆形泰勒库埃特单元中的稳定泰勒涡具有相似之处。
2014-03-12 physics.flu-dyn
Experimental properties of continuously-forced, shear-driven, stratified turbulence. Part 1. Mean flows, self-organisation, turbulent fractions
我们研究了分层倾斜管道（SID）中的交换流的实验性质，这些交换流同时是湍流的，由平均垂直密度梯度强烈分层的，由平均垂直剪切驱动的，并且连续地由重力强迫。我们专注于核心剪切层远离管道壁，这些流量是优秀的实验可实现的近似规范双曲正切分层剪切层，其迫使允许平均和湍流特性达到准稳态。我们分析了国家的最先进的数据集的时间分辨密度和速度在三维子体积的管道在16个实验，涵盖了一系列的流态（霍姆波，间歇性湍流，全湍流）。在第1部分中，我们首先揭示了多维参数空间（雷诺数，体理查森数，速度密度层厚度比）中的允许区域，以及它们与实验可控参数的联系。哈罗德平均余额，然后揭示了微妙的动量强迫和耗散机制，在每一层中，扩大或锐化的密度接口，以及这些流量的流向非周期性的重要性。平均流量表明自相似的速度和密度分布的趋势，增加湍流，梯度理查森数统计支持以前的内部混合理论的平衡理查森数，边际稳定性和自组织临界。湍流体积分数拟能和翻转阈值的基础上量化不同制度之间的湍流的性质，同时突出了在时空间歇性流动中获得代表性统计数据的挑战。这些见解可能会刺激和协助发展的数值模拟与更高程度的实验现实主义。
2021-03-16 physics.flu-dyn
Biologically generated turbulent energy cascade in shear flow depends on tensor geometry
本研究揭示生物生成扰动与背景剪切流的几何关系决定湍能级联的强度与方向，补充了生物湍流研究中被忽视的关键影响因素。
2023-10-05 physics.flu-dyn
Relation between shear parameter and Reynolds number in statistically stationary turbulent shear flows
本文研究了近似均匀的统计定常剪切湍流的剪切参数S^* 与雷诺数Re之间的关系。参数研究与最近概述的关于剪切流中局部各向同性的回归的广义观点一致[Schumacher，Sreenivasan and Yeung，Phys. Fluids，vol.15，84（2003）]。因此，系统地改变两个参数，即恒定剪切速率S和由能量注入速率epsilon_{in}规定的初始湍流波动水平。研究表明，剪切参数的水平为更大的雷诺数，这是由尺寸参数支持。结果发现，偏度的横向导数表现出不同的衰减行为，相对于雷诺数时，模拟运行的序列遵循不同的途径在两个参数的平面。该研究可以为高雷诺数实验中奇阶矩衰减的不同解释提供新的思路。
2004-07-08 nlin.CD physics.flu-dyn
Gas near a wall: a shortened mean free path, reduced viscosity, and the manifestation of a turbulent Knudsen layer in the Navier-Stokes solution of a shear flow
对于固体平面壁面附近的气体，在分子自由飞行入射方向均匀分布的假设下，我们提出了分子平均自由程随离壁面距离变化的标度公式。随后，我们施加相同的缩放到附近的气体的粘度的壁，并计算的Navier-Stokes解的剪切流的速度平行于壁。该解显示了与氩和氮的相应直接模拟蒙特卡罗计算一致的克努森速度边界层。我们还发现，建议的平均自由程和粘度缩放设置的二阶导数的速度为无穷大的壁边界的流域，这表明，气体流动是正式湍流内的Knudsen边界层附近的壁。
2017-03-21 physics.flu-dyn
Outer scaling of self-similar adverse-pressure-gradient turbulent boundary layers
在飞机机翼或燃气轮机叶片中，凸表面上的湍流边界层（TBL）流动的预测是一个具有挑战性的问题。在大范围的逆压梯度（APG）范围内，寻找一个通用的湍流统计标度律仍然没有得到解决。在这里，我们介绍了APG-TBL的特征长度和速度尺度，并对Kitsios { \it et al.}（{ \it J. Fluid Mech.}，第829卷，2018年，pp. 392- 419）。被称为“剪切厚度”的特征长度尺度，$δ^\ast$，被定义为对应于湍流剪切流中的主动剪切区域的端部的位置，其中由动能归一化的无量纲剪切速率和耗散速率近似恒定。接下来，我们展示了一个通用的缩放使用的混合速度，称为“摩擦压力速度”，$u^\ast$，这是基于总剪切应力。结果表明，在大范围的APG内，TBL中的速度脉动和雷诺应力与零压力梯度（ZPG）TBL中的速度脉动和雷诺应力一致。目前的缩放是用来缩放的动能平衡在TBL，并比较他们与其他剪切流。此外，小尺度的属性，即涡度，使用$δ^\ast$和$u^\ast$的缩放也得到假设在惯性范围内的局部平衡。目前的缩放壁有界剪切流，包括TBL在很宽的压力梯度范围内，意味着潜在的瞬时湍流结构具有共同的特点下，适当的缩放，是关键的湍流模型的发展和应用。
2019-12-11 physics.flu-dyn
Velocity gradient partitioning in turbulent flows
California Institute of Technology（加州理工学院）
研究通过分解速度梯度张量，揭示湍流中不同湍流结构的贡献，为湍流建模提供新的视角。
2024-12-04 physics.flu-dyn
Derivative moments in turbulent shear flows
我们提出了一个广义的角度在湍流剪切流的高阶导数矩的行为，考虑到小尺度的不稳定性和平均剪切的作用，除了雷诺数。两个渐近制度进行了讨论相对于剪切效应。通过这些方法，一些现有的分歧雷诺数依赖的导数矩可以解释。横向速度导数的奇数阶矩并不像从基本尺度考虑所预期的那样趋于消失，这并不一定意味着小尺度各向异性在所有雷诺数下都存在。
2002-10-07 nlin.CD physics.flu-dyn
A toy model of turbulent shear flow using vortons
ENS de Lyon（里昂高等师范学院）；CNRS（法国国家科学研究中心）；LPENSL（理论物理实验室）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；CEA（法国原子能和替代能源委员会）；SPEC（物质与环境研究科学与技术中心）；Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement（气候与环境科学实验室）；IPSL（地球物理学研究所）
该研究引入用于剪切流的新型玩具模型，利用空间间歇性与尺度分离，通过涡子表示强烈结构并影响大尺度流，模型虽简单却呈现层流与湍流状态转变，其耗散和格拉晓夫数与雷诺数有类似经典湍流的幂律关系。
2026-07-20 physics.flu-dyn
Homage to Bob Brodkey at 85: Ejections, Sweeps and Reynolds Shear Stress Generation in Turbulent Pipe Flow
大约50年前，Bob Brodkey和他的学生Corino设想并进行了湍流管流的非常近壁区域的可视化实验，该实验与Kline等人的湍流边界层可视化一起，令湍流研究界兴奋不已。使用安装在车床床上的高速电影摄像机，记录随流动移动的参考系中的放大图像，他们观察了亚微米颗粒在子层、缓冲层和日志层中的运动。令人惊讶的是，这些运动并不像当时对湍流的普遍看法那样是局部随机的。相反，近壁流动的连接区域减速，然后在他们所谓的“喷射”中从壁面爆发。这些减速的运动之后是从上方朝向墙壁的更大规模的连接运动，他们称之为“扫描”。他们估计，在$Re_d = 20,000$处，喷射导致雷诺剪切应力的$70\%$，而在大约$18\%$的时间内仅发生喷射。这个流体动力学视频显示了来自原始Corino和Brodkey视觉研究的三个雷诺数的短序列。在接下来的几十年里，它激发了许多实验室和模拟研究，旨在解开有界湍流的结构，并了解其中的湍流输运过程。
2013-12-13 physics.flu-dyn
Turbulent transport for wall shear stress fluctuations
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
Droplets in homogeneous shear turbulence
本文模拟了剪切雷诺数为15200的均匀剪切湍流中两种不可压缩不混溶流体的流动。两种流体的粘度和密度相等，在本研究中考虑了不同的表面张力和初始液滴直径。我们表明，两相流达到一个统计上稳定的湍流状态持续的非零平均湍流生产率由于平均剪切的存在。单相流相比，我们发现，所得到的稳态条件下表现出减少泰勒微尺度雷诺数由于分散相的存在下，作为一个水槽的湍流动能的载体流体。在稳态下，平均功率的表面张力是零和湍流的产生率与湍流耗散率是平衡的，其值大于在参考单相的情况下。界面通过在小尺度上引入能量来修改能谱，与单相情况的差异随着韦伯数的增加而减小。这是由于在域中的液滴的数量和总表面积随着韦伯数单调增加。这也反映在随韦伯数变化的液滴尺寸分布中，随着韦伯数的增加，分布的峰值移动到更小的尺寸。我们发现，Hinze估计的最大液滴尺寸，考虑在均匀各向同性湍流中的分裂，提供了一个很好的估计，尽管显着的聚结和平均剪切的存在下的行动。
2019-08-06 physics.flu-dyn
