The effect of mechanical stirring on buoyancy-driven circulations
对Boussinesq流体的机械搅拌水平对流的能量学的理论分析得出以下公式：G（APE）= γ_{mixing} G（KE）+（1+γ_{mixing}）W_{r,laminar}式中G（APE）和G（KE）分别为浮力和机械力所作的功率，γ_{mixing}为混合效率，以及W_{r,laminar}是由于分子扩散引起的重力势能的背景增加率。该公式表明，即使在混合效率较低的情况下，机械搅拌也容易引起很强的浮力驱动的翻转池（即大的G（APE）），而只有在γ_{mixing} >> 1的情况下，才有可能在没有机械搅拌的情况下产生这种翻转池。此外，当$γ_{mixing} G(KE) >> (1+γ_{mixing}) W_{r,laminar}$。这一结果解释了为什么在实验室实验中由\cite{Whitehead2008}进行的浮力驱动的翻转池被搅拌棒的横向运动放大。这个公式意味着，海洋热机的热力学效率远不像通常所说的那样小到可以忽略不计，事实上，由于风和潮汐的搅动，它可能会尽可能大。这些想法进一步说明了理想化的数值实验。还给出了上述公式的一个非Boussinesq推广。
2009-06-23 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Mixing of active scalars due to random shock waves in two dimensions
本研究通过直接数值模拟探究二维随机冲击波下活性标量的混合机制，揭示了密度梯度引发的非线性扩散效应、斜压性涡量对界面的作用，以及阿特伍德数正负对混合均匀化时间的影响规律。
2024-08-14 physics.flu-dyn
Bounds on the mixing enhancement for a stirred binary fluid
Cahn-Hilliard方程描述了二元液体中的相分离。在这里，我们研究这个方程的空间变化的源和搅拌，或平流。我们专注于对称的混合物和时间无关的来源，并讨论搅拌策略，均质化的二元流体。通过测量组合物偏离其平均值的波动，我们量化了可实现的均质化量。我们发现我们的均匀化措施的上限和下限仅使用Cahn-Hilliard方程和平流的不可压缩性。我们比较这些理论界与数值模拟两个模型流：恒定流，和随机相位正弦流。使用正弦流作为一个例子，我们展示了如何我们的组合物波动的界限提供了一个衡量的有效性，一个给定的搅拌协议，在Brachia相分离的二元流体。
2007-09-12 physics.flu-dyn
Active Scalar Mixing by Homogeneous Isotropic Turbulence
本文通过直接数值模拟研究均匀各向同性湍流中活性标量的混合，发现密度梯度方向影响界面演化，并提出新混合度量，指出合成湍流场即使匹配能谱也不足以替代Navier-Stokes湍流研究混合动力学。
2025-07-05 physics.flu-dyn
Spatially resolved stretching-rotation-stretching sequence in flow topology as elementary structure of fluid mixing
我们进行了二维数值模拟的被动搅拌的两种液体，产生两个空间上可区分的范式速度流，即几个大的扩展涡和快速振荡。利用Okubo-Weiss准则，我们绘制了流场中拉伸和旋转的区域.我们发现，一个基本的振荡序列的拉伸旋转拉伸诱导空间的再分布和浓度梯度的陡峭化，和聚合这样的序列决定流体混合在下游位置。此外，我们量化的范例“拉伸”和“折叠”的流动拓扑结构的基础上，这将有利于搅拌协议的设计开发措施。
2022-10-21 physics.flu-dyn
Stirring by multi-cylinder in potential flow
我们认为，由于多个气缸组织在学校同步移动的潜在流增强混合。在这里简单的相互作用的圆柱体之间的建模方法的图像偶极子。这是对Thiffeault \& Childress的工作[ \emph{Physics Letters A} \textbf{374}，3487（2010）]的扩展，其中分析了由于非相互作用的游泳者引起的流体颗粒位移，以产生可能对海洋混合具有显著影响的有效扩散率。我们的研究结果表明，学校的两个圆柱体诱导非线性增强扩散率相比，非相互作用的情况下，一般的配置参数，除了当他们沿着一条直线移动，小的分离。我们将这种现象归因于两种不同的物理机制，通过这两种机制，相互作用的圆柱体根据它们的形成而合作产生长的粒子漂移。最后，还讨论了三个或多个圆柱体在不同构型下的有效扩散系数。
2016-01-03 physics.flu-dyn
Intermittent flow in yield-stress fluids slows down chaotic mixing
本文介绍了用旋转搅拌棒法对牛顿流体和屈服应力流体进行混沌混合的实验结果。我们展示了如何混合的屈服应力流体的混沌平流相比，牛顿流体的混合减少，并解释我们的结果带来光的相关机制：流体的存在，只流动间歇性，增强的屈服应力的现象，和外围区域的重要性。这一发现通过数值模拟得到证实。当不同搅拌元件的同步导致相同流体颗粒的缓慢拉伸重复时，观察到异常缓慢的混合。
2013-10-01 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
A Bound on Mixing Efficiency for the Advection-Diffusion Equation
本文导出了一个被动标量在对流和扩散作用下与体源混合效率的上界。对于一个给定的搅拌速度场，混合效率的测量方面的等效扩散率，这是分子扩散率，将需要实现相同水平的波动的标量浓度在搅拌的情况下，对于相同的源分布。等效扩散率的界限仅取决于源和平流场的函数“形状”。直接数值模拟进行了一个简单的平流测试的界限。
2004-11-21 nlin.CD physics.flu-dyn
Mixing effectiveness depends on the source-sink structure: Simulation results
混合效率，即，流动的分子扩散的增强可以根据由稳定源和汇维持的被动标量的浓度变化的抑制来量化。以这种方式定义的混合增强是单独通过分子扩散混合的标量的RMS波动与在搅拌存在下标量密度的（统计稳态）RMS波动的比率。搅拌的有效性的这种测量自然地与相对于分子扩散的等效涡流扩散率的增强因子有关，并且取决于Peclet数。最近有人指出，在给定的佩克莱数的最大可能的混合增强取决于以及源和汇的结构。也就是说，混合效率、有效扩散率或涡流扩散通常取决于被搅拌的物质的源和汇。在这里，我们提出了基于粒子的模拟结果定量确认源-汇的依赖性的混合增强作为一个模型流的Peclet数的函数。
2008-04-17 physics.flu-dyn
On the energetics of stratified turbulent mixing, irreversible thermodynamics, Boussinesq models, and the ocean heat engine controversy
分层湍流理论中的一个关键问题是关于D（APE）（可用势能的耗散率APE）和W_{r,turbulent}（背景重力势能的湍流变化率GPE_r）之间联系的性质，它们都受分子扩散控制。对于具有线性状态方程的Boussinesq流体，这种联系简单地为W_{r,turbulent} =D（APE），广泛地解释为暗示GPE_r以APE为代价增加，与层流情况相反，GPE_r以内能（IE）为代价增加。这个想法在这里被重新考虑，把IE看作是三个不同的子成分的总和：可用内能（AIE），有效能（IE_{exergy}），和死内能（IE_0）。在这个新的观点中，D（APE）是APE到IE_0的耗散率，而W_{r,laminar}和W_{r,turbulent}都将IE_{exergy}转换为GPE_r。因此，等式W_{r,turbulent} =D（APE）表明，IE_{exergy}以与APE耗散到IE_0相同的速率转换到GPE_r。对于非Boussinesq流体，等式D（APE）= W_{r,turbulent}充其量是一个很好的近似，因为W_{r,turbulent}通常小于D（APE），有时甚至对于强非线性状态方程为负。在第二步中，搅拌和混合之间的联系检查风和浮力驱动的热分层海洋，以确定这些是否限制搅拌的机械源，最近提倡。它是建立搅拌和混合之间的耦合不能反驳传统的浮力驱动的所谓的赤道翻转环流的观…
2009-07-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Stirring by squirmers
我们分析了一个简单的“斯托克斯蠕动”模型的增强混合由于游泳微生物。该模型基于Thiffeault & Childress的计算[Physics Letters A，374，3487（2010），arXiv：0911.5511]，其中添加了由于无粘性游泳者引起的流体粒子位移以产生有效扩散率。在这里，我们表明，对于粘性的情况下，游泳者不能被假定为游泳无限的距离，即使他们的总质量位移是有限的。相反，最大的贡献，颗粒位移，从而混合，从随机变化的方向游泳，并在我们的简单模型中的远场应力项占主导地位。我们通过数值模拟验证了结果。我们还计算非零雷诺数修正的有效扩散。最后，我们表明，由于随机游泳蠕动位移表现出PDF指数尾巴和短时间的超扩散制度，如先前发现的几个作者。在我们的例子中，指数尾是由于“粘”在蠕动表面的停滞点附近。
2010-10-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
The Mixing efficiency of open flows
本文研究了在入口边界上有非均匀被动标量注入的开放不可压缩流的混合问题。作为衡量搅拌效率的一个指标，体标量浓度方差是有界的，并且在低Peclet数下，该界是尖锐的。虽然没有特定的流量饱和的边界在高Peclet数在这里产生的，估计被证明是接近具有足够的持续混沌区域的流量。
2010-02-16 physics.flu-dyn
Stirring by Periodic Arrays of Microswimmers
游动微生物或人工自推进胶体与流体中的被动（示踪剂）颗粒之间的相互作用导致示踪剂的扩散增强。这种增强引起了人们的强烈兴趣，因为它可能导致新的策略来解决微流体规模上的混合难题。大部分的理论工作都集中在示踪剂和游泳者之间的流体动力学相互作用的散装流体。然而，在模拟中，周期性的边界条件（PBCs）往往施加在样品和流体。在这里，我们从理论上分析了PBCs对示踪粒子和微泳者之间的流体动力学相互作用的影响。我们制定了埃瓦尔德和领先的顺序产生的应力波奇异性的游泳者探测PBCs示踪剂轨迹的效果。我们发现，引入周期性的系统有一个令人惊讶的显着效果，即使是相对较小的游泳者示踪分离。我们还发现，体积限制只达到非常大的系统尺寸，这是具有挑战性的模拟与大多数流体动力学求解器。
2017-07-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Reynolds number effects on mixing due to topological chaos
拓扑混沌已成为研究流体混合的有力工具。虽然这个理论可以保证某些材料线的拉伸速率的下限，但它并没有表明流体的哪一部分实际上参与了这种最低限度的强制混合。实际上，发生有效混合的区域取决于物理参数，例如雷诺数。为了帮助澄清这种依赖关系，我们数值模拟的影响，一个批次的搅拌装置上的二维不可压缩的牛顿流体的层流制度。特别是，我们计算有限时间李雅普诺夫指数（FTLE）字段为三种不同的搅拌协议，一个拓扑复杂（伪Anosov）和两个简单的（有限阶），在一定范围内的粘度。提取适当的措施后，指示的混合量和有效混合的面积从FTLE字段，我们看到一个明确定义的雷诺数范围内的伪Anosov协议的相对功效的有限阶协议证明拓扑混沌的应用。更令人意外的是，我们看到，虽然有效混合面积的措施随着雷诺数的增加有限阶协议，他们实际上表现出非单调行为的伪Anosov协议。
2016-03-07 math-ph math.DS math.MP
Surface mixing and biological activity in the four Eastern Boundary Upwelling Systems
东部边界上升流系统（EBUS）的特点是与大型商业渔业相关的浮游生物的高生产力，从而发挥关键的生物和社会经济作用。本文的目的是利用有限尺度李雅普诺夫指数（FSLEs）对这四个上升流系统的表面搅动及其生物活性进行比较研究。首先，水平混合的空间发布分析从时间平均值和FSLE的概率密度函数。然后，我们研究了地面搅拌的时间变化，重点是年和季节的循环。四个区域的表层水平混合与叶绿素蕴藏量之间存在着全球性的负相关关系。为了更好地理解这种反向关系，我们通过观察Ekman输运和垂直速度来考虑垂直维度。我们建议的浮游植物的子/中尺度湍流的变化响应的可能性，从一个非常富有成效的沿海地区的积极的一个在公海的负面影响。
2009-09-01 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Vortex flow generated by a magnetic stirrer
我们调查的流动产生的磁搅拌器在圆柱形容器的光学观察，PIV测量和粒子和染料跟踪方法。切向流是一个理想的漩涡外的核心，但内部下降流发生强烈的射流在最中间。在芯区域中，染料图案在数分钟内保持可见，表明在该区域中的纯搅拌和混合性质。定量测量的结果可以用简单的公式来描述，在所研究的区域内的搅拌棒的旋转频率。切向流在动力学上类似于大的大气涡旋，如沙尘暴和龙卷风。
2007-06-08 physics.flu-dyn
Topology, Braids, and Mixing in Fluids
在许多实际应用中，用移动棒搅拌流体以达到均匀性是必要的。这些杆是迫使流体元素拉伸的拓扑障碍物。由此产生的拉伸和折叠通常被观察为细丝和条纹，并且是混合的前兆。在时空图中，杆的轨迹形成一个辫子，而这个辫子的性质在流动中施加了最小的复杂性。我们回顾了流体混合的拓扑观点，并讨论了如何辫子可以用来诊断混合和构建高效的混合装置。我们介绍了一种新的，可实现的设计混合设备，银混频器，基于这些原则。
2006-09-26 nlin.CD physics.flu-dyn
Thermal Chaotic Mixing of Power-Law Fluids in a Mixer with Alternately-Rotating Walls
本文研究了高粘度非牛顿流体在双杆混合器中的混合与传热强化。混合器由圆柱形罐中的两个垂直圆形棒组成。混沌流是通过对壁面的旋转速度施加时间调制而得到的。我们研究了不同的搅拌协议，导致非混沌和混沌流，混合和传热的效率为三种不同的流变流体行为：剪切稀化，牛顿和剪切增稠的影响。为此，我们使用统计指标，其特征的平均值的流体温度和均匀化。我们发现，混沌混合是合适的剪切增稠流体，我们观察到一个明确的增强的热混合（热提取和均匀化）。这是由于旋转壁附近的表观流体粘度增加。这一方面证实了高粘度流体的混沌混合的相关性。
2010-02-20 physics.flu-dyn
Mixing as a correlated aggregation process
本文证明光滑二维混沌流中的混合是关联聚集过程，其效率低于随机聚集，并由单一指数量化，扩展了聚集理论的应用范围。
2024-05-29 physics.flu-dyn
Numerical simulation of microscale acoustic streaming flow
在小型化的全分析系统中流体样品的有效混合对于包括生物筛选测定、化学提取、聚合、细胞分析和蛋白质折叠在内的许多应用是必不可少的。微型化的微流体平台最近出现用于微尺度流体混合，其具有高通量样品处理和减少样品消耗的能力。然而，微尺度流体混合固有地受到阻碍，由于在小通道中的低雷诺数流动的特性。微尺度流体混合主要依赖于分子扩散，因此需要较长的处理时间。为了解决这一难题，已经开发了多种用于快速有效混合的主动微流体方法，其使用电动流动、激光诱导流动、磁力搅拌和声学流动（ASF）。在这些具有外力场的技术中，声流体混合由于其按需、可控、无创和生物相容性的性质而受到好评。在本研究中，我们进行了数值模拟的声流，诱导与高度局域化的表面声波（SAW），在微尺度流体通道的基础上的声波衰减模型
2022-10-23 physics.flu-dyn
Optimizing the Source Distribution in Fluid Mixing
一个被动标量平流的速度场，与非均匀的空间源，保持浓度不均匀。例如，标量可以是由热点和冷点组成的源的温度，使得平均温度恒定。哪个源分布在这个速度场中混合得最好？这个问题有一个直接而丰富的答案，与实际的混合问题有关。我们使用一个多尺度的措施，稳态增强混合和优化它的变分方法。然后，我们解决所产生的欧拉-拉格朗日方程的扰动均匀流和简单的细胞流。最佳源分布具有许多广泛的特征，正如预期的那样：它们避免了停滞点，有利于快速流动的区域，并且它们的轮廓对齐，使得流动将热点吹到冷点上，反之亦然。然而，详细的结构变化很大的扩散率和其他问题的参数。虽然这些都是模型问题，优化过程是足够简单，以适应更复杂的情况。
2007-07-14 physics.flu-dyn
Thermal chaotic mixing: comparison of constant wall temperature and constant heat flux boundary conditions
在最近的一篇论文中（El Omari和Le Guer，IJHMT，53，2010），我们研究了由两个圆形棒组成的混合器中的混合和传热增强保持垂直在一个圆柱形的坦克。棒和槽可以绕其旋转轴旋转，同时它们的表面保持恒定的温度。在本研究中，我们调查的热混合过程中所产生的利用恒定的热通量作为边界条件的差异。该研究涉及一个高粘性流体与高普朗特数$Pr = 10,000$，这种混沌混合器是合适的。通过对壁面的旋转速度施加时间调制，得到混沌流。通过数值求解流动和能量方程，研究了不同搅拌方式和流动结构对混合和传热效率的影响。为此，我们使用不同的统计指标作为工具来表征流体温度及其均匀化的演变。这两种模式的加热或冷却之间的根本差异已被报道：虽然混合与施加的温度结果在一个均匀的温度场，与固定的热通量，我们观察到一个恒定的差异之间的最大和最小的温度，建立在流体中，这种差异的程度是由混合协议的效率。
2010-12-13 physics.class-ph physics.flu-dyn
Péclet-number dependence of optimal mixing strategies identified using multiscale norms
被动标量在有限Péclet数$Pe=Uh/κ$（其中$U,h$是特征速度和长度尺度，$κ$是标量扩散率）下的混合优化与科学和工程领域的许多重大流动挑战有关。虽然许多工作都集中在识别有利于混合的流动结构的流量与各种值的$Pe$，有相对较少的注意力支付的基本结构的初始标量分布如何影响混合实现。在这项研究中，我们专注于两个问题的兴趣调查这个问题。我们的方法采用非线性直接伴随循环（DAL）方法来计算流体速度场，优化多尺度规范（代表我们的标量的“混合”）在有限的目标时间。首先，我们研究如何最佳的初始速度扰动和随后的混合最初的直线“条纹”的标量和盘状的“滴”之间的变化的结构。我们发现，随后搅拌的初始速度扰动变化很大，这取决于初始标量分布的几何形状。其次，我们研究的情况下，晶格的多个初始的“滴”的标量和调查的结构的最佳扰动的变化与适当缩放的Péclet数定义的下降规模，而不是域规模。我们发现，我们观察到一个单一的下降的最佳初始速度扰动的特征结构是维护的下降和$Pe$的数量增加。然而，特征涡结构{ \color{red}和相关混合表现出一些非局部变化，}表明重新标度到局部$Pe$ { \color{red}}不会捕获所有重要的流动动力学。
2022-10-02 physics.flu-dyn
Yield-Stress Fluid Mixing: Localization Mechanisms and Regime Transitions
本研究通过模拟二维Bingham流体的搅拌过程，揭示了屈服应力流体混合的三种局域化机制，划分出三类混合流态并明确其临界参数，为搅拌釜应用中的混合行为预测提供了机制框架。
2025-03-12 physics.flu-dyn
Turbulent mixing and a generalized phase transition in shear-thickening fluids
本文提出了搅拌反应器中湍流混合的新理论。混合流体的均匀性程度可以通过柯尔莫哥洛夫微尺度来表征。其值越小，均匀性越好。微尺度与搅拌过程中能量耗散速率的四次方根成反比。该速率越高，λ越小，并且反应器中的均匀性越好。牛顿流体也是如此。在非牛顿流体中，情况有所不同。例如，在剪切增稠流体中，高剪切速率会使流体变稠，并可能抑制混合。不同的流体力学和胶体变量之间的内部相互作用是微妙的，即由于（直到最近）非常有限的理解湍流。从非粘性流体的定性新湍流理论出发[Baumert，2013]，例如，将卡门常数给定为$(2π)^{-1/2} = 0.40$ [普林斯顿的超级管道给出0.40 p/m 0.02，Bailey等人，2014]，我们将这种方法推广到粘性流体的情况，并推导出在稳态下表现出两个解的方程。一个解分支描述了一种良好混合的状态，另一个解分支描述了一种扼杀湍流的状态。物理系统不可能同时处于两种不同的稳定状态。但在物理上允许通过非平稳跃迁在两个稳态之间切换，可能是以混沌的方式。
2015-08-07 physics.flu-dyn
Harnessing elastic instabilities for enhanced mixing and reaction kinetics in porous media
Princeton University（普林斯顿大学）
通过添加柔性聚合物引发弹性不稳定性，有效增强多孔介质中溶质混合与反应动力学，实现混合效率提升和反应速率增强。
2023-11-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft nlin.CD
A gradient-based framework for maximizing mixing in binary fluids
提出了一种基于非线性直接伴随循环的二元流体混合策略优化计算框架。控制方程为非线性纳维-斯托克斯方程，通过被动标量的演化方程进行增广，并通过基于谱傅立叶的方法进行求解。搅拌器嵌入在计算域中的Brinkman惩罚技术，和搅拌器的形状和路径梯度计算从伴随的解决方案。四种情况下，增加的复杂性被认为是，这表明计算方法和算法的效率和有效性。在所有情况下，在外部施加的范围内，混合效率都得到了显著的改善。
2020-01-23 math.OC physics.comp-ph physics.flu-dyn
Fast fluid heating by adaptive flow reorientation
层流中的标量传输（例如，热或化学物质）是许多工业活动的关键，并且通过流动重定向的流体搅拌是增强该过程的常见方式。然而，“如何最好地搅拌？“仍然是一个重大挑战。本研究的目的是促进现有的解决方案的发展，通过一个有代表性的案例研究中的热边界的冷流体的快速加热的专用流量控制策略。流体变形充当“热致动器”，流动经由该热致动器影响热传递，然而这可能既增强又减弱流体包裹之间的热交换，并且因此限制流动的有益影响。此外，流体变形对全球流体加热的影响主要局限于驱动流动的移动边界附近。这些见解使得热行为的结合对于有效的基于流动的增强策略至关重要，并且暴露了流体混合，工业中的传统方法，可能是次优的。全球加热包括两个并发的过程，即增加能量含量和热均匀化的概念，产生相关的指标制定的控制问题作为一个专用的成本函数的最小化。这有助于逐步确定的“最佳”流重新定向从预测的未来演变的实际中间状态，从而铺平了道路（实时）调节标量传输流量控制。性能分析表明，这种“自适应流重定向”显着加速流体加热，因此优于传统的周期性计划（设计用于有效的流体混合）的一致性和有效性。控制器实际上从不选择这些周期性方案，并且对于所有流动条件都实现相同的优越性能，而不管是否发生所述混合。
2021-12-21 nlin.CD physics.app-ph physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of water-ethanol flows in a T-mixer
流体的有效混合在许多应用中是关键，例如化学反应和纳米颗粒沉淀。然而，很难获得混合动力学的详细实验测量，因此预测性数值工具有助于设计和优化许多过程。如果考虑两种不同的流体，混合物的粘度和密度通常非线性地取决于组成，这使得混合过程的建模特别具有挑战性。因此，水-水混合物在简单的几何形状，如T型混合器已被深入研究，但很少有人知道更复杂的混合物的动力学，特别是在湍流状态。在这里，我们提出了一种数值方法，允许精确模拟两种流体的混合物。使用这种方法的高性能实现，我们进行直接的数值模拟解决的空间和时间动态的水-乙醇流的雷诺数从100到2000。详细讨论了湍流转捩过程中遇到的流动状态及其混合特性，并与水-水混合物进行了比较。
2016-12-09 physics.flu-dyn
High-Fidelity Simulations of Two Miscible Fluids in Small Scale Turbulent Mixers Using a Variational Multiscale Finite Element Method
School of Mechanical Engineering, Purdue University（普渡大学机械工程学院）；Department of Agricultural and Biological Engineering, Purdue University（普渡大学农业与生物工程系）；Davidson School of Chemical Engineering (by courtesy), Purdue University（普渡大学戴维森化学学院（荣誉））
本研究利用变分多重尺度有限元法对两种湍流混合器进行高保真模拟，揭示了湍流起始、能量衰减和混合性能的差异，为优化混合条件提供依据。
2026-01-06 physics.chem-ph physics.flu-dyn
