Analytical Solution for Turbulent Flow in Channel
本研究推导得到通道湍流的GHE解析解,其为层流与超指数湍流解的叠加,吻合多组经典实验,提出湍流本质是两类解的振荡,证明GHE与湍流实验高度一致。
2023-07-25 physics.flu-dyn
Superhydrophobic surfaces to reduce form drag in turbulent separated flows
作用于在流体中运动的物体上的阻力有两个分量,即由于流体粘性引起的摩擦阻力和由于物体后面的流动分离引起的形状阻力。当存在时,形状阻力通常是两者之间最重要的,并且在许多应用中,流线型有效地减少或防止流动分离。正如这里所研究的,当工作流体是水时,一种很有前途的减阻技术是用超疏水表面修饰物体的壁。这些表面在其粗糙度中捕获气泡,避免液体与壁的直接接触。超疏水表面已经被广泛研究用于减少摩擦阻力。我们表明,它们在减少湍流中的流动分离方面也是有效的,因此在减少形状阻力方面也是有效的。通过研究钝体上的湍流的数值模拟,证明了它们的概念有效性,钝体由通道内的凸起表示,其被修改为不同的超疏水表面。这里所示的方法有助于新的和强大的技术,为减少阻力的钝体。
2022-05-08 physics.flu-dyn
Superposition of system response in modulated turbulent plane Couette flow
本文通过直接数值模拟湍流平面库埃特流,发现在特定剪切Reynolds数下,只要调制小于基础流场,其对调制扰动的响应即可用Fourier模态线性叠加和层流模型有效描述,揭示了湍流中线性叠加的持久性。
2024-07-30 physics.flu-dyn
High-fidelity reconstruction of turbulent flow from spatially limited data using enhanced super-resolution generative adversarial network
在这项研究中,应用基于深度学习的方法,目的是使用最小流场数据重建高分辨率的湍流场。提出了一种基于物理损失函数的多尺度增强超分辨率生成对抗网络模型来重建高分辨率流场。利用绕方柱层流的数据,检验了模型重建高分辨率层流的能力。结果表明,即使在有限的空间信息下,该模型也能准确地再现高分辨率的流场。湍流槽道流的情况下,用于评估模型的能力,以重建高分辨率的壁有界的湍流场。从该模型获得的瞬时和统计结果与地面真实数据吻合良好,表明该模型可以成功地学习一次将粗糙流场映射到高分辨率。此外,经过仔细检查,发现所提出的模型的计算成本实际上很低。这表明,使用高保真训练数据与基于物理指导的生成对抗网络模型,在从极其粗糙的数据重建高分辨率湍流场方面实际上是有效的。
2021-09-10 physics.flu-dyn
SCoReT: Super-Resolution Compression and Reconstruction of Turbulent Flows
Indian Institute of Technology, Madras(印度马德拉斯理工学院);Nanyang Technological University, Singapore(新加坡南洋理工大学)
研究湍流重建的两种范式,即监督重建和物理信息重建,引入涡度增强监督方法和物理信息方法,通过基于三维非定常可压缩纳维-斯托克斯方程的部分辅助可压缩PINN公式实现,评估不同稀疏度下的重建性能并分析两种方法优缺点。
2026-07-07 physics.flu-dyn
Model-based time super-sampling of turbulent flow field sequences
本文提出一种基于经验Galerkin模型和POD基的湍流流场时间超采样方法,通过前向-后向时间推进积分重建连续流场,并在湍流射流PIV数据上验证其能以较小误差重建流动动力学。
2025-06-06 physics.flu-dyn
Supergranule aggregation for constant heat flux-driven turbulent convection
自然界中的湍流对流过程通常被发现是以羽流结构和流型的层次结构来组织的。本文报道并分析了对流胞或对流颗粒逐渐聚集成最终充满整个水平层的超颗粒的三维湍流Rayleigh-Bénard对流在纵横比为$60$时的谱元直接数值模拟。该形成过程持续的时间跨度超过$10^4$对流时间单位的最大可访问的瑞利数,只有当湍流是由一个恒定的热通量,这是强加在底部和顶部平面包围对流层驱动。由此产生的逐步逆级联过程中观察到的温度变化和湍流动能。在其高维相空间中的完整湍流轨迹的主导李雅普诺夫矢量场的附加分析表明,在一定尺度下的湍流模式继续局部地产生在湍流情况下具有较长波长的模式。结果,连续的较大的对流模式增长,直到达到层的水平延伸。这种不稳定机制,这是已知的恒定的热通量驱动的对流的发病附近存在,在这里示出的持续到充分发展的湍流流动制度,从而连接弱非线性斑图形成与一个充分发展的湍流。我们讨论了我们的研究可能产生的影响,观察到的,但还没有一致的数值再现,太阳超颗粒,这可能会导致改进的模拟模型,在太阳表面对流。
2021-02-23 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Drag reduction induced by superhydrophobic surfaces in turbulent pipe flow
在湍流管流中研究了超疏水表面的减阻作用。润湿的超疏水表面被示出为在其粗糙度中捕获气泡。这阻止了液体与该位置的壁直接接触,从而允许流动滑过气泡。我们考虑一个明确的纹理与流向槽的墙壁中的气体预计将被截留。这种配置是模拟交替无滑移和无剪切边界条件的墙壁。相对于经典的湍流管流,观察到显著的减阻,其强烈地取决于凹槽的尺寸和固体分数,即固体壁表面与管的圆周的总表面之间的比率。阻力减小是由于在固定压降下壁面处的平均滑移速度增加了流速。强化的边界条件也会产生特殊的湍流结构,这反而会降低流速。这两个并发的影响提供了一个整体的流量增加,通过平均轴向动量平衡证明。该方程提供了平均压力梯度、雷诺应力、平均流速和平均滑移速度贡献之间的平衡。
2018-09-24 physics.flu-dyn
LES Study on the Mechanism of Vortex Rings behind Supersonic MVG with Turbulent Inflow
在这项研究中,我们研究了在MVG控制的斜坡流在M=2.5和Req=5760后的涡环和斜激波之间的相互作用。采用隐式大涡模拟(ILES)方法,采用5阶带宽优化WENO格式求解无滤波形式的纳维-斯托克斯方程。充分发展的入流由之前DNS模拟获得的一系列湍流廓线给出。结果表明,环形结构在穿透强激波后不会预锻破裂并保持原有的拓扑结构,斜激波受环形诱导流场的影响较大。发现了三维激波表面的凸起现象,并对其机理进行了解释。
2014-02-24 physics.flu-dyn
Effect of texture randomization on the slip and interfacial robustness in turbulent flows over superhydrophobic surfaces
超疏水表面在船舶和流体动力学应用中表现出良好的减摩潜力。超疏水表面的最新发展旨在可扩展的应用使用随机分布的粗糙度,如喷涂和蚀刻工艺。然而,大多数以前的分析流动和超疏水表面之间的相互作用研究周期性的几何形状,是经济上可行的,只有在实验室规模的实验。我们进行直接数值模拟的湍流随机图案的界面,考虑一系列的纹理宽度$w^+\approx 4-26$,和固体分数$ϕ_s=11\%$到$25\%$。滑移和无滑移边界条件是在一种模式中实现的,模拟了气液界面和固体元素的存在。我们的研究结果表明,随机分布的纹理下的湍流的滑移约$30\%$小于那些具有相同大小的对齐功能的表面。在小的纹理尺寸限制$w^+\approx 4$,滑移长度的随机分布的纹理在湍流是很好地描述了由先前介绍的斯托克斯流动解决方案的随机分布的无剪切孔。通过比较DNS结果的模式滑移和无滑移边界对相应的均匀化滑移长度边界条件,我们表明,湍流超过随机分布的职位可以表示为各向同性滑移长度在流向和展向方向。气袋上的平均压力波动与具有相同纹理尺寸和气体分数的对齐特征的压力波动相似,但是当纹理随机分布时,粗糙元的前缘处的最大界面变形大约大两倍。
2017-09-27 physics.flu-dyn
A model for slip and drag in turbulent flows over superhydrophobic surfaces with surfactant
超疏水表面可以降低湍流中的摩擦阻力。在层流状态下,已经表明痕量的表面活性剂可以抵消这种阻力降低,有时使这些表面不比固体壁好(Peaudecerf等人,Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114(28),7254-9,2017)。然而,表面活性剂对SHS减阻性能的影响尚未在湍流条件下进行研究,根据当今的标准,预测表面活性剂在直接数值模拟中的影响仍然很昂贵。我们提出了一个湍流模型,包括表面活性剂,在通道或边界层配置,在长但有限长度的流向脊是周期性的展向方向,周期$P$和气体分数$φ$。我们采用了一种基于移位对数定律的技术来获得减阻的表达式。平均流向和展向滑移长度是通过在粘性子层内引入局部层流模型而得到的,由此通过修改平均流向和展向滑移长度来模拟表面活性剂的作用。我们的模型同意从文献中获得的实验室实验数据时,条件是干净的(无表面活性剂),或当有低的表面活性剂水平。然而,我们发现一个明显的阻力增加较大的背景表面活性剂浓度的特点,湍流在SHS海洋应用。
2023-02-03 physics.flu-dyn
Learning Turbulent Flows with Generative Models: Super-resolution, Forecasting, and Sparse Flow Reconstruction
School of Engineering(工程学院);Division of Applied Mathematics(应用数学系)
本文提出将算子学习与生成模型结合,解决传统神经算子在湍流超分辨率、预测和稀疏重建中的过度平滑问题,显著降低误差并实现近实时推理。
2025-09-10 cs.AI cs.LG physics.flu-dyn
Kolmogorov-Hinze scales in turbulent superfluids
本文通过数值模拟研究了湍流双组分超流体中不可混溶区域尺寸随能量输入率的变化规律,发现强不可混溶时遵循经典Kolmogorov-Hinze理论的ε^{-2/5}标度,弱不可混溶时因量子效应改变为ε^{-1/4}标度。
2023-08-05 cond-mat.quant-gas physics.flu-dyn
Shedding of Vortex Rings from an Oscillating Sphere in Superfluid He-4 below 0.5 K - The Origin of the Turbulent Drag Force
围绕振荡球体的湍流的开始已知发生在临界速度vc ~ sqrt(kappa ω)处,其中kappa是循环量,ω是振荡频率。然而,在驱动力幅值F的小区间内(或高于vc几个百分比的相应速度幅值),发现湍流是不稳定的。流型在势流和湍流之间间歇地切换。湍流相的寿命呈指数分布,其平均寿命τ随驱动力的增加而迅速增长,即τ(F)~ exp [(F/F1)^2]。在这项工作中,比以前更详细地分析了这个实验结果,特别是确定了力F1。结果表明,湍流阻力F(v)~(v^2 - vc^2)可以定量地归因于具有球体大小的涡环脱落。此外,我们可以推断出在任何给定的速度v下,每半周期在湍流阻力上脱落的涡环的平均数量。
2013-09-08 cond-mat.other physics.flu-dyn
Direct numerical simulations of supersonic three-dimensional turbulent boundary layers
STM Journals, Cambridge University Press(剑桥大学出版社);Center for Turbulence Research, Stanford University(斯坦福大学湍流研究中心)
研究通过直接数值模拟分析超音速三维湍流边界层的热传输和速度变换,揭示了非平衡条件下速度自相似性和雷诺类比的适用性。
2025-04-16 physics.flu-dyn
Turbulent free-surface in self-aerated flows: Superposition of entrapped and entrained air
本文针对自掺气自由表面流的空气浓度问题,扩展了既有双态表述,提出截留与挟带空气的叠加原理,推导平均空气浓度表达式,深化了对自掺气流物理机制的理解。
2023-12-13 physics.flu-dyn
Differential diffusion effects and super-adiabatic local temperature in lean hydrogen-air turbulent flames
本文通过三维直接数值模拟研究贫燃氢气-空气湍流火焰,发现即使在高Karlovitz数下差异扩散仍显著影响火焰结构与燃烧速度,而超绝热温度减弱源于湍流混合增强而非差异扩散效应弱化。
2025-04-08 physics.flu-dyn
Generating the Log Law of the Wall with Superposition of Standing Waves
湍流仍然是一个未解决的多学科科学问题。作为湍流中最著名的例子之一,对数平均速度剖面(MVP)的知识,即所谓的壁对数定律,在湍流遇到固体壁的任何地方都起着重要的作用,例如任何类型的通道中的流体,所有类型的运输的表面摩擦,行星地面上的大气风,以及海床上的洋流。然而,在湍流切变的多尺度性质下,这种对数律MVP是如何形成的机制仍然是湍流谜题的最大兴趣之一。为了解开湍流剪应力的多尺度耦合,我们探索了一个已知的物理学基本工具。在这里,我们提出了如何重现对数律MVP与偶谐波模式的固定端驻波。我们发现,当这些相同大小的谐波被认为是多尺度湍流剪应力,它们的叠加波包络模拟的平均剪应力分布的壁有界流。这意味着对数律MVP与Kolmogorov能量级联相关的惯性子区中的湍流尺度无关,揭示了所有尺度的耗散性质。减少谐波模式的MVP也显示出有前途的连接到湍流的流动过渡的理解。这一发现表明,简谐波作为良好的代理人,以帮助解开复杂的湍流动力学在有壁流动。
2017-08-19 physics.flu-dyn
Modeling and simulation in supersonic three-temperature carbon dioxide turbulent channel flow
本文首次对超声速三温CO2湍流槽道流动进行了直接数值模拟和物理分析。CO2是一种线性对称的三原子分子,在室温下,由于平动、转动和振动模式之间的相互作用,产生了热非平衡三温效应。因此,CO2的旋转和振动模式得到解决。采用扩展的BGK型三温模型模拟了CO2的热非平衡效应,并标定了平动、转动和振动弛豫时间。为了精确和鲁棒地求解扩展的BGK型方程,在两阶段四阶框架下提出了非平衡高精度气体动力学格式。与单温超声速湍流通道流相比,超声速三温CO2湍流使壁面整体换热增大了约20%,而整体摩擦力略有减小。对系综密度场和温度场的影响较大,流向速度的Van Driest变换变化不大。CO2的热非平衡三温效应也抑制了密度和温度的归一化均方根峰值、归一化湍流强度和雷诺应力。CO2的振动模式与转动模式和平移模式的行为完全不同。与振动温度场相比,转动温度场与平动温度场具有更高的相似性,特别是在温度幅值方面。目前的热非平衡模型,高精度DNS和物理分析在超声速CO2湍流可以作为基准的可压缩CO2湍流的长期适用性。
2022-10-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Machine learning based spatio-temporal super resolution reconstruction of turbulent flows
本文提出了一种新的基于监督式机器学习技术的湍流数据重建方法,该方法受超分辨率和中间插值的启发,能够从时间和空间上非常粗糙的流场数据中恢复出高分辨率的湍流。对于目前基于机器学习的数据重建,我们使用基于卷积神经网络的下采样跳跃连接/多尺度模型,将流体流动的多尺度性质纳入其网络结构中。作为初始示例,将该模型应用于$Re_D$ = 100的二维圆柱尾迹。用该方法重建的流场与直接数值模拟得到的参考数据吻合较好。接下来,我们研究所提出的模型的能力,为二维衰减均匀各向同性湍流。根据湍流统计的评估,机器学习模型可以从空间和时间上的粗输入数据跟踪衰减演化。提出的概念进一步研究了复杂的湍流槽道流动在三维区域在$Re_τ$ =180。本模型可以从空间上的粗输入数据重建高分辨率的湍流,并且在适当选择时间间隔的情况下,它还可以再现时间演化。基于时间两点相关系数的训练快照的数量和第一和最后帧之间的持续时间的依赖性也被评估,以揭示时空超分辨率重建的能力和鲁棒性。这些结果表明,本方法可以满足一系列的流场重建支持计算和实验的努力。
2020-10-21 physics.comp-ph 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
Finite-size effects lead to supercritical bifurcations in turbulent rotating Rayleigh-Bénard convection
在纵横比为Γ= D/L(D为直径,L为高度)的圆柱形样品中的湍流热对流中,当样品绕其垂直轴旋转时,努塞尔数Nu增加,这是因为形成了埃克曼涡流,该涡流从顶部和底部的热边界层中提取额外的流体。我们从实验和直接的数值模拟表明,增强只发生在一个临界逆Rossby数$1/\Ro_c$,与$1/\Ro_c \propto 1/Γ$的分叉点以上。我们提出了一个Ginzburg-Landau模型,解释了在有限的$1/\Ro_c$作为一个有限尺寸效应的分歧的存在。该模型产生的比例之间的$1/\Ro_c$和$1/Γ$,并与其他几个测量或计算的系统属性。
2011-09-30 physics.flu-dyn
Supergravitational turbulent thermal convection
高瑞利数对流湍流在许多自然现象和工业中普遍存在,例如大气环流、海洋流动、行星流体核心中的流动以及能量产生。在这项工作中,我们提出了一种新的方法来提高瑞利数热对流,利用离心加速和快速旋转的圆柱环,以达到60倍地球重力的有效重力。我们发现,在该政权的科里奥利效应是强的,Nusselt数与瑞利数的标度指数超过三分之一,一旦瑞利数是足够大的。对流卷沿反方向旋转,标志着纬向气流的出现。目前的研究结果开辟了一个新的途径,探索高瑞利数湍流热对流,并将提高地球物理和天体物理流动和其他强旋转系统的流动动力学和传热过程的理解。
2022-01-04 physics.flu-dyn
Parameter Influence on Porous Bleed Performance for Supersonic Turbulent Flows
通过三维RANS模拟系统研究了板长、孔径、孔隙率、厚度-直径比和交错角对超声速湍流多孔抽吸性能的影响,发现孔径是关键参数,孔隙率和交错角次之,厚度-直径比和板长主要影响抽吸效率。
2023-04-13 physics.flu-dyn
Applying Physics-Informed Enhanced Super-Resolution Generative Adversarial Networks to Turbulent Non-Premixed Combustion on Non-Uniform Meshes and Demonstration of an Accelerated Simulation Workflow
Forschungszentrum Jülich GmbH(于利希研究中心);RWTH Aachen University(亚琛工业大学)
本文扩展的方法,使用物理信息增强的超分辨率生成对抗网络(PIESRGANs)的LES子滤波器建模在湍流与有限速率化学,并显示了一个成功的应用到非预混时间射流的情况下。考虑到需要更高效和碳中性的能源设备来应对气候变化,这是一个重要的话题。多个先验和后验的结果,并进行了讨论。作为其中的一部分,强调了底层网格对预测质量的影响,并开发了一种多网格方法。它演示了如何LES的基础上PIESRGAN可以用来预测的情况下,在雷诺数没有用于培训。最后,阐述了成功预测所需的数据量。
2022-10-28 cs.LG physics.flu-dyn
Turbulent velocity spectra in superfluid flows
我们目前的速度谱测量在三个低温液体4 He稳定流:网格和尾流在加压风洞能够实现平均速度高达5米/秒的温度以上和以下的超流转变,下降到1.7 K,和“大块”湍流在1.55 K,能够维持平均超流速度高达1.3米/秒。根据流动情况,用于风速测量的滞止压力探头可分辨出湍流叶栅惯性状态的一至二十年。我们没有发现任何证据表明在超流转捩之下的湍流的二阶统计不同于在转捩之上的经典湍流的二阶统计。
2012-02-03 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
LES of an Inclined Jet into a Supersonic Turbulent Crossflow
这篇短文描述了流体动力学视频“LES of an Inclined Jet into a Supersonic Turbulent Crossflow”(http://www.example.com [高分辨率]和http://ecommons.library.cornell.edu/bitstream/1813/14073/2/GFM-2009-web.m1v [低分辨率]视频)的流动参数、数值方法和动画。ecommons.library.cornell.edu/bitstream/1813/14073/3/GFM-2009.mpg采用亚网格尺度(LES-SGS)动量和标量输运的拉伸涡模型,对氦气倾斜圆喷流与超声速($M=3.6$)湍流(\Reth $ =13\times10^3$)气流的气动相互作用进行了大涡模拟。该视频显示了马赫数和密度梯度的大小在中跨平面的时间发展,以及氦质量分数和$\lam_2$(涡旋结构)的等值面。确定的涡结构是片,倾斜管,和不连续的环。涡结构在空间和时间上与氦质量分数等值面($Y_{\rm He}=0.25$)有很好的相关性。
2009-10-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Supersonic turbulent flows over sinusoidal rough walls
对等温粗糙壁面上充分发展的超声速湍流槽道流动进行了直接数值模拟。粗糙度的影响被纳入使用水平集/体积的流体浸没边界法。比较了五种槽道流的湍流统计,包括一种两壁光滑的参考情况和四种具有光滑顶壁和底壁的二维(2D)和三维(3D)正弦粗糙度的情况。结果表明,湍流的粗糙地形和相关的冲击模式的强烈依赖。具体而言,2D几何形状产生强的斜激波,其传播穿过通道并被反射回粗糙壁侧。这些强冲击是不存在的光滑壁通道,并显着较弱的情况下,与三维粗糙的几何形状,取代弱激波。在二维粗糙度情况下,在冲击位置上的顶壁上,湍流剪切产生的局部增强进行了观察。这种增强生产的区域也存在于3D的情况下,在一个弱得多的水平。斜激波被认为是负责一个更显着的熵产生的情况下,2D表面比那些与3D的,导致更高的不可逆热生成,因此在2D粗糙度的情况下更高的温度值。在目前的超声速通道中,由于激波的存在,粗糙度的影响超出了近壁层。这表明外层相似性可能不完全适用于粗糙壁超音速湍流。
2022-11-07 physics.flu-dyn
Generalizable super-resolution turbulence reconstruction from minimal training data
Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学);Shanghai University(上海大学);Harbin Institute of Technology(哈尔滨工业大学)
针对湍流多尺度复杂性导致的解析与泛化难题,提出仅在单一HIT数据集上训练的SoZoGAN框架,通过分区分解与尺度索引模型实现零样本跨域超分辨率湍流生成,验证了其高精度与强泛化能力。
2025-11-04 physics.flu-dyn
Super-resolution of turbulent velocity and scalar fields using different scalar distributions
本文评估了超分辨率生成对抗网络在湍流混合中的泛化能力,发现加入双帕累托和半高斯等极端标量分布训练后可显著提升模型对速度场和未见标量分布的重建性能。
2025-03-11 physics.flu-dyn
Nonlocality of the slip length operator for scalar and momentum transport in turbulent flow over superhydrophobic surfaces
本研究针对超疏水表面湍流的标量与动量输运,采用宏观强迫方法对比两种边界条件,发现有限尺寸纹理下均匀化滑移长度存在显著非局域性,并验证了其对雷诺平均解的重要影响。
2025-01-25 physics.flu-dyn
Numerical investigation of supersonic shock-wave/boundary-layer interaction in transitional and turbulent regime
本文对马赫数M = 1.7的激波/边界层相互作用(SBLI)进行了直接数值模拟,研究了来流边界层状态对相互作用特性的影响。我们再现和扩展了Giepman等人进行的实验的流动条件,其中平板上的空间演变层流边界层最初被分布粗糙元件阵列绊倒,并被斜激波进一步冲击下游。四SBLI的情况下,被认为是基于两个不同的冲击冲击沿流向的位置,对应于过渡和湍流的相互作用,和两个不同的冲击强度,对应于流动偏转角3度和6度。我们发现,对于所有的流动情况,都没有观察到激波诱导的分离,边界层在3度情况下保持附着,在6度情况下接近初始分离,与来流边界层的状态无关。这项工作的结果表明,过渡相互作用可能是实际SBLI应用的最佳解决方案,因为它消除了典型的层流相互作用的大分离泡,并减少了与进入湍流边界层相关的高摩擦区域的范围。
2017-09-15 physics.flu-dyn
Characterization of turbulent supersonic flow over a backward facing step through POD
目前的工作报告的流动物理的湍流超声速流后向台阶(BFS)在马赫数2使用LES方法,其中动态Smagorinsky模型用于SGS建模,而POD被调用来识别的相干结构中存在的流动。计算得到的平均数据与实验测量值吻合较好,但不同时刻的Q准则等值面显示了复杂的流动结构。从Q和涡量模量的等值线上也可以明显看出,剪切层中存在反向旋转的涡对,以及复杂的激波/边界层相互作用导致边界层分离。此外,POD分析揭示了相干结构的存在,其中第一和第二模式确认附近的步骤以及沿剪切层在下游区域的涡结构;而第二,第三和第四模式确认沿剪切层由于开尔文-亥姆霍兹(KH)不稳定性的涡的存在。此外,POD以及频率分析扩展到不同的平面,以提取详细的流动特征。
2021-02-24 physics.flu-dyn
Unsupervised deep learning for super-resolution reconstruction of turbulence
最近尝试使用深度学习进行湍流的超分辨率重建,使用了监督学习,这需要成对的数据进行训练。这种局限性阻碍了超分辨率重建的更多实际应用。因此,我们提出了一种无监督学习模型,该模型采用周期一致的生成对抗网络,可以用未配对的湍流数据进行训练,以进行超分辨率重建。我们的模型进行了验证,使用三个例子:(i)恢复原始流场的过滤数据使用直接数值模拟(DNS)的均匀各向同性湍流;(ii)重建全分辨率场使用部分测量数据从DNS的湍流通道流;和(iii)生成DNS分辨率流场的大涡模拟(LES)数据的湍流通道流。在示例(i)和(ii)中,配对数据可用于监督学习,我们的无监督模型在定性和定量上表现出与最佳监督学习模型相似的性能。更重要的是,在示例(iii)中,在不可能进行监督学习的情况下,我们的模型成功地从LES数据重建了统计DNS质量的高分辨率流场。这表明湍流数据的无监督学习确实是可能的,为湍流场的超分辨率重建的广泛应用打开了一扇新的大门。
2020-07-30 physics.flu-dyn
Generative Super-Resolution of Turbulent Flows via Stochastic Interpolants
本文提出利用随机插值子对二维湍流速度场进行逐块生成式超分辨率重建,在准确恢复动能谱和耗散率等关键统计量的同时,优于全场重建方法及其他生成模型。
2025-08-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Vortex line density in counterflowing He II with laminar and turbulent normal fluid velocity profiles
超流氦是一种粘性正常流体和非粘性超流的紧密混合物,粘性正常流体具有连续的涡度,而非粘性超流的涡度被限制在薄的、稳定的拓扑缺陷中。在该系统中产生湍流的一种机制是通过施加热通量,即所谓的热逆流。特别令人感兴趣的是如何在超流湍流响应层流和湍流的正常流体在存在的墙壁。我们模型超流涡线重新连接的空间曲线与固定的循环,并考虑层流(Poietille)和湍流的正常流体流动的通道配置。使用高分辨率的数值模拟,我们表明,在正常的流体湍流维持一个显着较高的涡线密度比层流具有相同的平均流量。我们检验了定常涡线密度$L$和逆流速度$v_{ns}$之间的Vinen关系式$\sqrt{L}=γv_{ns}$。我们的研究结果支持的假设,过渡到湍流在正常的流体是负责TI TII过渡。我们还考虑了超流涡旋涨落的谱特性,这与以前的实验结果吻合得很好。
2013-10-22 cond-mat.other physics.flu-dyn
Resolved energy budget of superstructures in Rayleigh-Bénard convection
湍流超结构,即湍流中的大尺度流动结构,在许多地球和天体物理环境中起着至关重要的作用。例如,在湍流瑞利-贝纳德对流中,出现了水平延伸的相干大尺度对流卷。目前,小尺度湍流波动和大尺度相干结构的相互作用的详细了解是缺失的。在这里,我们调查解决动能和温度方差预算通过应用过滤方法直接数值模拟的瑞利-贝纳德对流在高纵横比。特别是,我们专注于大尺度流动结构和小尺度波动之间的能量传递率。我们表明,小尺度主要作为一个耗散的上层建筑。然而,我们发现,高度依赖的能量传递率具有复杂的结构,具有明显的体积和边界层的功能。此外,我们观察到,尺度之间的热传递主要发生在热边界层附近。我们的研究结果澄清了上层结构和湍流波动的相互作用,并可能有助于指导发展的一个有效的描述大尺度流动特征的降阶模型。
2020-03-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Investigation of high-pressure turbulent jets using direct numerical simulation
基于射流直径($D$)和射流出口速度($U_{e}$),对雷诺数($Re_{D}$)为$5000$的自由圆射流进行了直接数值模拟,研究了超临界压力下射流的湍流特性。射流由$\mathrm{N_{2}}$组成,在相同温度下将其注入$\mathrm{N_{2}}$中。为了理解湍流混合,在施密特数为1时,被动标量随流动被输送。两套流入条件,模型射流从一个光滑的收缩喷嘴(层流流入)或长管喷嘴(湍流流入)被认为是。通过一次改变一个参数,模拟检查喷流的热力学条件的敏感性(其特征在于在压缩因子($Z$)和归一化的等温压缩性),流入条件,和环境压力($p_{\infty}$)跨越完美的真实气体条件。流入影响流量统计在近场(包含潜在的核心关闭和过渡区),以及进一步下游(包含充分发展的流量与自相似统计)在大气和超临界$p_{\infty}$。流入的敏感性较大的过渡区,在那里的层流流入射流表现出占主导地位的相干结构,产生更高的平均应变率和更高的湍流动能比在顺向流入射流。在固定的超临界$p_{\infty}$下减小$Z$增强了压力和密度波动(分别由局部平均压力和密度归一化),但对速度波动的影响也取决于局部流动动力学。当$Z$减小时,层流入流射流过渡区的大平均应变率显著增强速度波动(由局部平均速度归一化)和标量混合,而湍流入流射流的影响最小。
2021-06-05 physics.flu-dyn
A comparative study of various Deep Learning techniques for spatio-temporal Super-Resolution reconstruction of Forced Isotropic Turbulent flows
Delhi Technological University(德里技术大学)
超分辨率是一种创新技术,它可以提高图像或视频的分辨率,从而使我们能够从低分辨率数据中重建高保真图像。本研究使用各种最先进的机器学习技术(如ESPCN、ESRGAN和TecoGAN)在空间和时间上对湍流流场进行超分辨率分析,以从低分辨率流场数据重建高分辨率流场,特别是要记住低资源消耗和快速结果生成/验证的需求。用于本研究的数据集是从“各向同性1024粗”数据集提取的,该数据集是约翰霍普金斯湍流数据库(JHTDB)的一部分。我们利用了预先训练好的模型,并根据我们的需求对其进行了微调,以最大限度地减少计算资源和实现超分辨率模型所需的时间。该方法的优点远远超出了常规单一结构模型的预期和结果。然后使用MSE、PSNR、SAM、VIF和SCC指标对通过这些模型获得的结果进行比较,以评估放大的结果,找到计算能力和输出质量之间的平衡,然后确定用于湍流场的空间和时间超分辨率的最准确和最有效的模型。
2021-07-07 cs.LG physics.flu-dyn
Connecting finite-time Lyapunov exponents with supersaturation and droplet dynamics in the bulk of a turbulent cloud
本研究在暖性无冰云层深处探讨湍流混合对液滴尺寸分布的影响,通过简化的云混合模型和三维直接数值模拟,将过饱和度场与液滴动力学及有限时间李雅普诺夫指数联系起来,发现云体内部蒸发混合均匀但过饱和度弛豫不均匀,且各参数分布呈高斯分布。
2024-03-19 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Coherence of temperature and velocity superstructures in turbulent Rayleigh-Bénard flow
本文研究了大纵横比条件下Rayleigh-Bénard对流中温度场$θ$和垂直速度场$w$的涨落场中大尺度模式即所谓的超结构之间的相互作用。早期的研究表明,速度超结构小于它们的热对应物在域的中心。然而,采用线性相干谱的两个字段之间的相关性的一个规模的规模的分析表明,相同大小的上层结构存在于两个字段,这是几乎完美的相关性。这个问题是进一步澄清的观察,在对比的温度,并不像以前假设的,在垂直速度场的上层结构不会导致在功率谱的$w$的峰值。这种差异的起源可以追溯到$θ$ -和$w$ -方差的产生项。这些结果在瑞利数$Ra = 10^5$ -$10^9$的范围内得到了证实,可以看到超结构尺寸随$Ra$单调增加。此外,特别是温度波动的尺度分布明显是双峰的。除了由超结构引起的大尺度峰外,还存在一个强的小尺度峰。该“内峰”在距壁$δ_θ$的距离处最强,并与尺寸为$\approx 10 δ_θ$的结构相关,其中$δ_θ$是热边界层厚度。最后,基于相对于参考高度$δ_θ$的垂直相干性,在速度场(垂直和水平分量)中识别出自相似结构,但在温度中不识别出自相似结构。
2019-12-13 physics.flu-dyn
NUNet: Deep Learning for Non-Uniform Super-Resolution of Turbulent Flows
University of California, Irvine(加州大学欧文分校);Advanced Micro Devices, Inc.(超威半导体公司)
深度学习(DL)算法在重建高分辨率湍流(又称超分辨率)方面越来越受欢迎。然而,当前的DL方法执行空间上均匀的超分辨率,这是用于计算流体动力学(CFD)的基于DL的代理的可扩展性的关键性能限制。为了解决上述挑战,我们引入了NUNet,这是一种基于深度学习的自适应网格细化(AMR)框架,用于湍流的非均匀超分辨率。NUNet将输入的低分辨率流场划分为补丁,对每个补丁进行评分,并预测其目标分辨率。因此,它输出空间非均匀流场,自适应地细化流体域的区域以实现目标精度。我们训练NUNet与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)的解决方案,从三个不同的正则流,即湍流槽道流,平板,绕流椭圆。NUNet显示出卓越的识别特性,细化具有复杂流动特征的区域,例如近壁域和固体周围流动中的尾流区域,同时在低精度范围内保留具有平滑变化的区域(例如自由振荡)。因此,NUNet展示了与传统OpenFOAM AMR求解器的出色定性和定量对齐。此外,它达到了与AMR求解器相同的收敛保证,同时将其加速3.2- 5.5倍,包括在训练过程中看不到的几何形状和边界条件,证明了其泛化能力。由于NUNet仅对感兴趣区域进行超分辨率处理的能力,它预测相同目标的1024 x1024空间分辨率比最先进的DL方法快7- 28.5倍,并将内存使用量减少4.4- 7.65倍,展示了改进的可扩展性。
2022-03-26 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
Supergranulation and multiscale flows in the solar photosphere: Global observations vs. a theory of anisotropic turbulent convection
太阳为我们提供了湍流热对流的唯一空间分辨良好的天体物理学例子。虽然太阳光球层湍流的各个方面,如颗粒(一兆水平尺度),已经很好地理解,但更大尺度流动的物理起源和动力学组织的问题,如30兆超颗粒和太阳对流区深处的流动,尽管它们对太阳动力学和磁性很重要,但在很大程度上仍然是开放的。在这里,我们提出了一个新的关键的全球观测表征的多尺度光球流,随后制定了各向异性扩展的Bolgiano-Obukhov理论的流体分层湍流,可以解释其独特的动力学特性。我们的综合分析表明,光球流在超颗粒和颗粒之间的水平范围内的尺度有一个典型的垂直相关尺度为2.5至4 Megameter,并在一个强烈的各向异性,自相似,非线性,浮力动力学制度。虽然该理论在现阶段仍然是推测性的,但它有助于与未来的地下层高分辨率声波层析成像和先进的数值模型进行定量比较。这样的验证工作也可能导致新的见解渐近动力学制度中,其他未解决的湍流各向异性天体物理流体系统支持波或不稳定性操作。
2017-03-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Can flocking aid the path planning of microswimmers in turbulent flows?
本文将Vicsek型集群行为引入对抗性强化学习框架,提出集群辅助的微泳体路径规划策略,证明其在二维各向同性湍流中优于既有方法。
2024-11-24 physics.flu-dyn
Applying Physics-Informed Enhanced Super-Resolution Generative Adversarial Networks to Turbulent Premixed Combustion and Engine-like Flame Kernel Direct Numerical Simulation Data
Jülich Supercomputing Centre, Forschungszentrum Jülich GmbH(于利希研究中心于利希超级计算中心);RWTH Aachen University(亚琛工业大学)
欠分辨流中的有限速率化学模型仍然是复杂构型预测模拟的主要挑战之一。如果涉及湍流,问题就变得更具挑战性。这项工作推进了最近开发的PIESRGAN湍流预混燃烧模拟方法。为此,调整了网络处理并在损失函数中考虑的物理信息,平滑了训练过程,特别是考虑了密度变化的影响。所得到的模型提供了良好的结果的先验和后验的直接数值模拟数据的完全湍流预混火焰核心。的建模方法的限制进行了讨论。最后,该模型被用来计算进一步实现的预混火焰内核,这是一个规模敏感的框架,就其周期到周期的变化进行了分析。工作表明,数据驱动的PIESRGAN子滤波器模型可以非常准确地再现直接的数值模拟数据上更粗的网格,这是几乎不可能与经典的子滤波器模型,并使研究统计过程更有效地由于较小的计算成本。
2022-10-28 cs.LG physics.flu-dyn
Numerical Investigation of Supersonic Turbulent Flow Over Open Cavities
空腔流动的研究是非定常空气动力学的重要研究课题之一。空腔上方的超音速湍流主要出现在导弹、导弹和高速飞行器上。空腔内的湍流会产生额外的阻力、声波、压力波动和振动,这可能导致许多问题,如过量的燃料消耗、导弹弹道或机械部件故障以及气动加热。我们进行数值模拟,调查流动,并将我们的结果与现有的实验数据进行比较,以显示定量验证。然后,我们调查的马赫数的湍流超声速流动的压力等值线和空腔内的旋涡结构和随后的影响对其他流动参数,如声波。此后,我们提出了两个修改的空腔的几何形状,a)倾斜的边缘和b)光滑的角落与倾斜的边缘,以提高空气动力学性能。ANSYS ICEM工具已被用于我们的腔体几何形状的精细网格生成,所有的模拟都在ANSYS fluent软件上运行。K Ω SST湍流模型用于模拟,因为它可以以合理的精度捕获近壁特性,并进行网格独立性研究,以通过求解器找到纳维-斯托克斯方程的正确解。得到了不同马赫数下改进前后的开腔压力等值线、流线型、压力分布系数和声压级等参数,并进行了比较。所提出的改进方案在平均声压分布和声压级分布方面比开腔设计有明显的改善。
2021-08-18 physics.flu-dyn
Heat transfer enhancement on thin wires in superfluid helium forced flows
在本文中,我们报告的第一个证据的增强传热从加热的电线由外部湍流的超流氦。我们使用标准的Pt-Rh热线风速计,并在1.9 K和2.12 K之间的温度下,在加压液氦湍流圆形射流中将其过热至21 K。传感器的零速度响应可以令人满意地模拟由逆流机制,而由强制对流产生的额外冷却被发现类似于在经典流体中相应的额外冷却的规模。我们提出了一个初步的分析传感器的响应,并表明-相反的一个共同的假设-这样的传感器可用于探测局部速度在湍流超流氦。
2014-10-01 physics.flu-dyn
Large eddy simulations of turbulent compressible supersonic jet flows using discontinous Galerkin methods
本文采用间断Galerkin格式对超声速喷流进行大涡模拟。总共进行了四次模拟与不同的网格和精度顺序。来自模拟的自由度的数量从50 x 106变化到400 x 106。结果表明,随着模拟分辨率的提高,总体上模拟结果更接近实验数据。射流唇线是唯一没有观察到这种行为的区域。研究了一种用低阶模拟初始化高阶模拟的方法,从而减少了高阶模拟的总时间。这种策略是成功的,并允许执行高阶模拟,只有5%以上的计算工作量比一个完整的二阶模拟。
2023-01-04 physics.flu-dyn
Visualization study of counterflow in superfluid helium-4 using metastable helium molecules
超流体He-4中的热量通过正常流体$^{1}$的运动来携带,正常流体是一种逆流超流体成分,用于消除任何净质量流。多年来人们已经知道,在临界热流以上,这种逆流中的超流体成分变成湍流。这种湍流的形式是量子化涡线的无序缠结,并由两种流体$^{2-3}$的相对运动维持。人们怀疑正常的流体也可能变成湍流$^{4}$,但如果没有可视化流动的技术,实验验证是困难的。在这里,我们报告了一系列的可视化研究的正常流体成分的热逆流进行成像的种子亚稳态氦分子的运动,使用激光诱导荧光技术$^{5-8}$。我们提出的证据表明,正常流体的流动确实是湍流,至少在相对较大的速度。热逆流中的两个组件是湍流给我们提出了一个新的和理论上具有挑战性的类型的湍流行为。
2010-04-15 cond-mat.other physics.atm-clus physics.flu-dyn
Turbulent cascade induced persistent current of cold atomic superfluids
二维环形玻色-爱因斯坦凝聚体中无序量子涡旋的耗散可以形成宏观的原子持续流动。我们提出了一个协议,以创建持久流与高缠绕数的基础上的双同心环形配置。我们发现,当凝析气的初始状态为随机分布的相同电荷的涡旋时,阱的突然几何猝灭将增强阱外环形区域的环流.所建立的环流具有高稳定性和良好的均匀性,不受拓扑激励的影响。我们的研究对于新的原子电子学设计具有重要意义,同时也有助于定量地理解量子隧穿和远离平衡态的相互作用量子系统。
2020-07-05 cond-mat.quant-gas nlin.CD physics.flu-dyn
Turbulent dissipative coupling in nanoscale multimode superfluid acoustics
本研究利用纳米超流声学谐振器中的多模第四声泵浦-探测方法,观察局域量子化涡旋团簇引发的二维湍流,实现了声学模式间可控的非对称耗散耦合,并推导了柔性壁超流声学共振频率的解析估算方法。
2024-12-19 cond-mat.mes-hall physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of high-pressure mixing in turbulent jets
在采用柴油、燃气轮机和液体火箭发动机的汽车和航空航天应用中,燃烧之前是燃料和氧化剂在高压下的喷射和混合,通常超过混合物临界值。实验观察表明,在超临界压力下喷射的射流表现出显着不同的动态比射流在亚临界条件下,由于在超临界状态下缺乏明显的液相和气相。结果表明,在两种工况下,混合流体的平均流动量,如势核长度、射流空间增长率和速度衰减曲线等不同,从而导致混合流体的分布不同。在这项研究中,湍流射流直接数值模拟(DNS)进行检查之间的变化统计注入氮气($\mathrm{N_{2}}$)在氮气($\mathrm{N_{2}}$)在亚临界(理想气体)和超临界条件。考虑了雷诺数($Re_{D}$)、喷孔直径($D$)和喷孔速度($U_{0}$)、$5000$和马赫数($0.6$)下的等温圆射流。对于混合分析,被动标量与流动进行检查。
2019-07-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Super-resolution of turbulent velocity fields in two-way coupled particle-laden flows
本文提出一种基于条件生成对抗网络的超分辨率框架,通过显式引入颗粒质量密度和亚网格动能等物理条件,利用DNS数据训练,实现了双向耦合颗粒负载湍流速度场的高精度重建,并验证了其在不同颗粒参数和未知流动状态下的泛化能力。
2025-07-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
High-order gas-kinetic scheme with parallel computation for direct numerical simulation of turbulent flows
本文研究了高阶气体动力学格式(HGKS)对各向同性可压缩湍流的直接数值模拟(DNS)的性能。由于HGKS的多尺度特性和时空耦合演化过程,它为可压缩湍流的数值模拟提供了一个有效的工具。基于区域分解和消息传递接口(MPI),本文开发了一个适用于大规模计算的并行HGKS程序。从近不可压缩流到超声速流,包括Taylor-Green涡问题、湍流槽道流和各向同性可压缩湍流,通过标准测试验证了并行实现的可扩展性、效率、精度和鲁棒性。对于近不可压湍流,HGKS的性能与高阶有限差分格式相当,包括流动结构的分辨率和计算效率。根据数值解的精度,对该格式在湍流模拟中的数值耗散进行了定量评价。作为一种介观方法,HGKS方法由于其高阶精度而优于格子玻尔兹曼方法(LBM)和离散统一气体动力学方法(DUGKS)。同时,基于动力学方程的HGKS方法在超声速湍流模拟中具有较高的精度和鲁棒性。目前的工作表明,HGKS作为一个强大的DNS工具的能力,从低速到超音速湍流研究,这是很少报告的框架下的有限体积格式。
2020-05-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn