Stability of Couette flow for 2D Boussinesq system without thermal diffusivity
本文证明了Gevrey- $\frac{1}{s}$（$1/3<s\leq 1$）中无热扩散系数的二维Navier-Stokes Boussinesq方程组的Couette流在初始扰动下的稳定性.密度混合、涡度混合和速度扩散的协同作用导致了稳定性。
2020-10-04 math.AP physics.flu-dyn
Flow instabilities in circular Couette flow of wormlike micelle solutions with a reentrant flow curve
本研究数值模拟稀蠕虫状胶束溶液圆筒Couette流动，发现再入流变曲线导致混合稳定性区域，产生指状不稳定性，并证明RRM-R模型能捕获涡度带状且其线性稳定。
2023-09-05 physics.flu-dyn
Optimal heat transfer enhancement in plane Couette flow
本文讨论了在速度连续性方程和温度对流扩散方程的约束下，在多传热少能量耗散的条件下，平面Couette流的最佳速度场是什么。以壁面热流（或等效总标量耗散）超过总能量耗散的部分作为目标泛函，用变分法导出Euler-Lagrange方程，数值求解该方程，得到泛函最大化意义下的最优状态。在高雷诺数下，三维速度场中出现了分层自相似的准流向涡结构，得到了最佳换热。流向涡沿展向倾斜，从而产生与平均切变涡反平行的反气旋涡，产生明显的三维性。缠绕在倾斜反气旋涡流周围的等温线受到平均流的横轴剪切，因此缠绕等温线的间距较窄，因此温度梯度比纯流向（二维）涡流管周围的温度梯度更陡，从而加强标量耗散，从而增加壁面热通量。此外，倾斜的反气旋涡诱导朝向壁的流动以将低温（或高温）流体推到热（或冷）壁上，从而增强壁热通量。优化后的三维速度场比平面Couette湍流具有更高的壁面热流密度和更低的能量耗散。
2017-02-11 physics.flu-dyn
Enhanced dissipation and inviscid damping in the inviscid limit of the Navier-Stokes equations near the 2D Couette flow
在这项工作中，我们研究了长时间，无粘极限的二维Navier-斯托克斯方程附近的周期Couette流，特别是，我们确认在非线性水平的定性行为预测开尔文的1887年线性分析。在高雷诺数Re下，我们证明了对于时间t \lesssim Re^（1/3），解的性质类似于二维欧拉，特别是表现出无粘阻尼（例如涡量弱地接近剪切流）。对于时间t \gtrsim Re^（1/3），它比自然耗散的时间尺度O（Re）更快，粘性成为主导，涡量的流向依赖性被增强的耗散效应迅速消除。之后，剩余的剪切流在非常长的时间尺度t \gtrsim Re上衰减回到库埃特流。当适当定义时，在这种情况下的耗散长度尺度为L_D \sim Re^（-1/3），大于经典Batchelor-Kraichnan二维湍流理论中预测的尺度L_D \sim Re^（-1/2）。我们研究的初始数据类是一个足够光滑函数和一个小的（相对于Re^（-1））$L^2$函数之和。
2014-08-20 math-ph math.AP math.MP
Linear inviscid damping for shear flows near Couette in the 2D stably stratified regime
研究了一类二维不可压缩稳定分层流体库埃特流附近剪切线的线性稳定性。我们的主要结果包括近最佳的衰减率的扰动的定态的速度是单调的剪切流$(U(y),0)$，并有一个指数密度分布。在库埃特流$U(y)=y$的情况下，我们恢复率预测哈特曼在1975年，通过采用显式逐点的方法在频率空间。作为一个副产品，这意味着最佳的衰减率，以及在$L^2$的涡量的李雅普诺夫不稳定性。对于库埃特附近更一般的剪切流的以前未探索的情况下，无粘阻尼结果遵循加权能量估计。关于稳定层结区的每个结果也适用于Boussinesq方程。值得注意的是，我们的研究结果举行下著名的迈尔斯-霍华德标准分层流体。
2021-01-06 math.AP physics.flu-dyn
Modulation of the regeneration cycle by neutrally buoyant finite-size particles
采用力耦合方法对平面Couette和压力驱动通道结构中的湍流悬浮流进行了直接数值模拟。当雷诺数略高于层流-湍流转捩时，考虑中性浮力有限尺寸（L_y /d = 20）球形颗粒的稀到中等浓度悬浮液。在湍流槽道和库埃特流中，用合成条纹进行的试验清楚地表明，颗粒触发槽道流中的不稳定性，而平面库埃特流变成层流。此外，我们已经表明，颗粒有一个显着的影响，压力驱动流通过详细的时间和空间分析，而他们没有显着的影响，平面Couette流配置。这两种流动之间的实质性差异与Couette流动中大规模卷（非活动运动）中颗粒的空间优先分布有关，而它们在压力驱动流动中的喷射（活动运动）区域中积累。通过对两种不同流动构型的颗粒改性的研究，我们能够显示湍流结构的特定响应和构成近壁湍流缓冲层中再生循环的基本机制的调制。特别是对于压力驱动的流动，颗粒增强提升并使其连续作用，而颗粒不显著改变条纹击穿过程。流向涡的加强是由于涡量拉伸项的波状条纹。波纹条纹的数量多、尺寸小，增强了涡量的拉伸，从而加强了悬浮流中大尺度流向涡的环流。
2018-06-07 physics.flu-dyn
Transient Growth of Ekman-Couette Flow
科里奥利力对剪切流的影响在地球物理学和天体物理学背景下是重要的。本文研究了系统旋转方向垂直于剪切方向的平面Couette流的线性稳定性和瞬态能量增长。外旋导致线性不稳定。在小的旋转速率下，线性不稳定性的开始与旋转速率成反比，线性稳定区域的最佳瞬态增长略有增强，~ Re ^[2]。相应的最佳初始扰动的特点是倾斜的流向和扭转下的外部旋转的滚动结构。在大的旋转速率，瞬态增长显着抑制，因此线性稳定性分析是一个可靠的指标不稳定。
2013-12-18 physics.flu-dyn
Shear-layer dynamics at the interface of parallel Couette flows
本文对同向流动的平面库埃特流进行了详细的分析。特别地，研究了从湍流区到非湍流区的流量变化。虽然拟能表现出急剧的跳跃，但其他量（例如，平均速度、雷诺法向应力和动能）在界面上表现出连续的变化。雷诺法向应力的预算分析表明，在湍流输送中起关键作用的条款根据所研究的雷诺法向应力而变化。产生、扩散和再分布这些术语在流向雷诺应力中起着重要的作用。在展向雷诺应力中，扩散项起着重要的作用。在壁面法向雷诺应力中，只有再分布项是重要的。通过与标准平面库埃特流（pCf）相比，在系统中发现的额外的平均速度和雷诺法向应力，观察到一种流在同向流状态下对另一种流的影响。将并流系统与常规pCf系统进行比较，前者表现出更大的涡量、涡拉伸和动能。利用流动不变量对流动结构的几何和拓扑结构进行了详细的分析。
2022-10-31 physics.flu-dyn
Large-scale instability in a sheared nonhelical turbulence: formation of vortical structures
本文研究了剪切非螺旋湍流中大尺度不稳定性引起的大尺度涡量的产生。考虑了三种类型的背景大尺度流，即，在小尺度均匀湍流中的Couette和Poiffille流动，以及在非均匀湍流中的“对数线性”速度剪切。对于任何雷诺数，层流平面Couette流和层流平面Poiffille流的反对称模态对于小扰动都是稳定的。我们证明了在一定条件下的小尺度湍流中，由于大尺度的不稳定性，大尺度的Couette和Poiffille流是不稳定的。这种不稳定性导致沿平均剪切速度伸展的大尺度涡结构的形成。“对数线性”速度切变的大尺度不稳定性的增长率远大于Couette和Poiffille背景流的增长率。我们在小尺度剪切湍流中发现了Tollmien-Schlichting波的湍流类似物。湍流Tollmien-Schlichting波的激发机制与湍流雷诺应力引起的平均涡度扰动和背景剪切运动的综合效应有关。当平均速度的扰动依赖于三个空间坐标时，即使在施加于小尺度湍流上的平面Couette流中也能激发出这些波。这些波的能量由小尺度剪切湍流提供。
2007-10-20 astro-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Instability in strongly stratified plane Couette flow with application to supercritical fluids
本文通过广义拐点判据、分段线性长波模型和数值计算，揭示运动黏度极小值主导强分层平面 Couette 流不稳定性，并解释超临界流体中的观测模态。
2024-06-12 physics.flu-dyn
Linear waves in sheared flows. Lower bound of the vorticity growth and propagation discontinuities in the parameters space
本文的研究提供了二维不可压缩粘性Poiquille流和Couette流中扰动涡度拟能随时间单调衰减的充分条件。J.L.的扩展Synge（1938）对初值问题的处理方法使我们能够找到波数-雷诺数图中任何初始扰动的拟能不能增长的区域。这个区域比动能的区域更宽。我们还表明，参数空间分裂成两个区域，具有明显不同的传播和色散特性。
2018-04-17 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Turbulent states in plane Couette flow with rotation
流体中的剪切力和旋转力会显著改变动量的输运，本文采用绕垂直于壁面法线方向和流向的轴旋转的平面Couette流动，对剪切力和旋转力的作用进行了数值研究。使用一组逐渐增加的雷诺数Re = 5200，我们发现，对于一个给定的Re的扭矩是一个非单调的函数的旋转数，Ro。对于低到中等的湍流雷诺数，我们发现一个最大值，这是与流场，主要由下游涡和2-D涡计算捕获的最大定量。对于较高的剪切雷诺数的第二个更强的最大值出现在较小的旋转数，更接近非旋转平面库埃特流。它是由一个显着的三维结构的流动，不能捕获的二维涡研究。随着雷诺数的增加，这一最大值变得更强，并最终超过与二维流动状态相关的最大值。
2014-11-18 physics.flu-dyn
Chiral Particles in Taylor-Couette Turbulence
University of Twente（特温特大学）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）
本研究通过实验探讨手性粒子在泰勒-库埃特湍流中的行为，发现其运动受流体涡旋主导，且手性不影响旋转和取向动态。
2025-11-28 physics.flu-dyn
Surfactant and gravity dependent inertialess instability of two-layer Couette flows and its nonlinear saturation
本文研究了两个不混溶流体层在垂直重力作用下的水平流动，流体层具有不同的密度、粘度和厚度，界面处存在不溶性表面活性剂。底部库埃特流是由通道壁的水平运动驱动的。线性和非线性阶段的（无惯性）表面活性剂和重力依赖的长波不稳定性研究使用润滑近似，这导致一个系统的耦合非线性演化方程的界面和表面活性剂的干扰。线性稳定性由简正模态的特征值问题确定。的界面，表面活性剂，速度和压力的扰动的增长率和振幅被发现解析。对于每个波数，有两个活跃的正常模式。对于每个模式，不稳定性阈值条件的系统参数的确定。特别是，它透露，对于某些参数范围内，即使任意强的重力不能完全稳定的流动。涡度厚度相位差与不稳定性的相关性，目前当重力的影响被忽略，被发现打破重力是重要的。在涡度不起作用的情况下解释了这两种模式不稳定的物理机制。与我们以前研究的半无限情况不同，在没有重力的情况下，表面活性剂不稳定性的小振幅非线性饱和是可能的。对于某些参数范围内，界面偏转是由一个解耦的Kuramoto-Sivashinsky方程，它提供了一个源项的线性对流扩散方程控制的表面活性剂浓度。数值模拟结果证实了界面波随界面的变化是混沌的，但两个混沌波的比值是常数。
2017-07-04 nlin.AO nlin.CD nlin.PS
Frequency Transient of Three-Dimensional Perturbations in Shear Flows. Similarity Properties and Wave Packets Linear Formation
本文研究壁面流动三维扰动的非模态线性分析。在第一部分中，研究了Orr-Sommerfeld和Squire IVP的正交函数展开形式的解。Galerkin方法成功地实现了数值计算有界流动的近似解。该函数显示，以确保五阶精度。后续分析的重点是扰动频率和相速度的瞬态行为。结果证实了最近的观察跳跃的壁正常速度信号的频率的时间演变，被认为是早期瞬态的结束。在此跳跃之后，平面Couette流的波频率在渐近值附近经历了一个周期性的调制。一个新的结果是存在的第二个频率跳跃的壁法向涡。这一事实，以及信号渐近频率的不同值的可能性，表明中间瞬态的存在。此外，频率跳跃和建立一个自相似条件的速度和涡量分布的时间之间的连接被发现和调查的平面Couette流和平面Poiquillille流。最后，通过有限波数范围内的波叠加，重建了平面Couette流动和Blasius边界层流动的波包。线性斑的演化与湍流斑的早期阶段有许多共同特征，特别是条纹状结构和斑的形状。
2013-06-27 physics.flu-dyn
Comment on "Investigation of simplified thermal expansion models for compressible Newtonian fluids applied to nonisothernal plane Couette and Poiseuille flows" by S. Bechtel et al
在Bechtel、Cai、Rooney和Wang的上述论文中，Physics of Fluids，2004，16，3955-3974研究并比较了牛顿粘性流体的六种不同理论，即可压缩牛顿流体的理论，以及该理论的五种本构极限：不可压缩理论，密度仅随温度变化而变化的极限，密度仅随熵变化而变化的极限，压力极限是温度的函数，压力极限是熵的函数。这六种理论通过模拟两个测试问题的能力进行比较：（i）在流动方向上没有压力梯度的固定距离（Couette流）的移动平行等温平面之间的稳定流动，以及（ii）在具有压力梯度的静止等温平行平面之间的稳定流动（Poietille流）。作者发现，除其他外，不可压缩理论承认这些问题的解决方案的平面Couette/Poiffuille流的形式：一个单一的非零速度分量的方向平行于边界平面，和速度和温度的变化，只有在方向垂直于平面。
2007-03-02 physics.flu-dyn
Rortex A New Vortex Vector Definition and Vorticity Tensor and Vector Decompositions
涡流直观地被认为是流体的旋转/漩涡运动。然而，在流体力学领域中，涡的定义一直没有统一的定义，这可能是造成湍流研究混乱和误解的主要原因之一。在我们以前的工作中，我们提出了一个新的矢量量，称为涡矢量，以准确地描述局部流体旋转和清晰地显示旋涡结构。本文从数学的角度重新定义了涡矢量的定义，在此将其命名为Rortex。通过实Schur分解证明了旋转轴的存在性。基于实Schur分解，给出了一种快速计算Rortex的算法.此外，还引入了新的涡量张量和矢量分解：将涡量张量分解为刚性转动部分和反对称变形部分，将涡量矢量分解为刚性转动矢量和非转动矢量。通过对二维Couette流、二维刚性旋转流和三维平板边界层转捩等几种情况的研究，证明了Rortex定义的合理性。可以看出，Rortex既能准确地识别旋转强度，又能准确地识别旋转轴，从而合理地表征了局部流体的旋转，为涡动力学和湍流研究提供了一种新的有力工具。
2018-01-20 physics.flu-dyn
Nonlinear inviscid damping and shear-buoyancy instability in the two-dimensional Boussinesq equations
本文研究了二维无粘Boussinesq方程在稳定分层Couette流附近的长时间性质，初始Gevrey扰动的大小为$\varepsilon$ .在经典的Miles-Howard稳定性条件下，我们证明了该系统经历了剪切浮力不稳定性：密度变化和速度经历了$O(t^{-1/2})$无粘阻尼，而涡量和密度梯度按$O(t^{1/2})$增长.该结果至少在自然的非线性时间尺度$t \approx \varepsilon^{-2}$之前保持不变。请注意，密度的行为与被动标量非常不同，这可以从无粘阻尼和较慢的梯度增长中看出。证明依赖于几个要素：（A）一个适当的对称化，使线性项服从能量方法，并考虑到经典的Miles-Howard谱稳定性条件;（B）在一个适用于Boussinesq方程的玩具模型上发展的、用于无粘、均匀Couette流问题的Fourier时间相关能量法的一个变体，即跟踪对称变量中潜在的非线性回波链，而不管涡度增长。
2021-03-25 math.AP physics.flu-dyn
A model for alignment between microscopic rods and vorticity
数值模拟表明，悬浮在湍流中的微观棒状体倾向于与涡量矢量对齐，而不是与应变率张量的主导特征矢量对齐。本文研究了在各向同性随机速度场中对准模型的解析可解极限。涡量变化非常缓慢，各向同性随机流等效于具有关于涡量方向轴对称的统计的纯应变。我们分析了在一个弱波动的单轴应变场的对齐，作为一个函数的产品的应变弛豫时间$τ_{\rm s}$和角速度$ω$的涡轴。我们发现，当$ωτ_{\rm s}\gg 1$，杆主要是垂直或平行于涡。
2012-05-31 physics.flu-dyn
Modulation of the turbulence regeneration cycle by inertial particles in planar Couette flow
双向耦合直接数值模拟被用来调查的影响，惯性粒子的自持，湍流相干结构（即所谓的再生循环）在平面Couette流在低雷诺数以上的开始过渡。试验表明，随着颗粒惯性的增加，有两种限制行为，类似于1962年的线性稳定性分析结果：低惯性颗粒触发层流-湍流不稳定性，而高惯性颗粒由于颗粒-液力偶合器引起的额外耗散而趋于稳定湍流。此外，它被发现，流向相之间的耦合是阻尼湍流的主导因素，是高度相关的颗粒的空间分布。颗粒在不同湍流拟序结构（大尺度涡或大尺度条纹）中的存在决定了颗粒相的湍流动能，它与以大尺度涡翻转时间标度的颗粒响应时间有关。通过定量研究的周期性特征的整个再生循环和链接的子步骤之间的相位差，我们表明，惯性粒子的存在并不改变周期性的周期性或每个子步骤的相对长度。相反，高惯性颗粒大大削弱了大尺度涡以及流向涡度拉伸和提升效应，从而抑制了大尺度条纹的波动幅度。然而，低惯性颗粒的主要影响是加强大尺度涡，这促进了循环并最终降低了临界雷诺数。
2018-07-05 physics.flu-dyn
Longitudinal vortices in unsteady Taylor-Couette flow: solution to a 60-year-old mystery
University of Sheffield（谢菲尔德大学）；California State University, San Marcos（圣马科斯加州州立大学）
本研究通过数值观察揭示了Couette-Taylor系统中纵向涡流的不稳定性，解释了其与Stokes振荡边界层问题的关联，并探讨了半径比对不稳定性的影响。
2025-07-30 physics.flu-dyn
Inviscid damping and the asymptotic stability of planar shear flows in the 2D Euler equations
在$\Torus \times \Real$上证明了二维无粘Euler方程中剪切流接近于平面Couette流的渐近稳定性。也就是说，如果库埃特流的初始扰动在适当的正则类中很小，特别是在小于2类的Gevrey空间中，速度在L^2中强烈地收敛到剪切流，该剪切流也接近库埃特流。涡度由线性演化渐近驱动到小尺度，并弱收敛为$t \rightarrow \pm\infty$。速度场的强收敛有时被称为无粘阻尼，这是由于与Vlasov方程中的朗道阻尼的关系。这种收敛是正式推导出在线性水平的开尔文在1887年和它发生在代数率首先计算奥尔在1907年;我们的工作似乎是第一次严格确认这种行为的非线性水平。
2014-04-21 math-ph math.AP math.MP
Stability threshold of the 2D Couette flow in a homogeneous magnetic field using symmetric variables
该研究针对均匀磁场中的二维Couette流，采用对称变量重构系统，证明小扰动下的稳定性阈值及涡量、电流密度的瞬态增长与指数衰减规律，明确了无黏机制和输运扩散作用的影响。
2023-08-24 math.AP physics.flu-dyn
Large-scale structures in high Reynolds number rotating Waleffe flow
我们进行直接数值模拟旋转湍流Waleffe流，两个平行板之间的流动与正弦流向剪切驱动力，研究大尺度结构的形成和动量传输的机制。我们模拟不同的气旋和反气旋旋转的范围内的无量纲的旋转数（逆Rossby数）$R_Ω$ $\in$ $[-0.16, 2.21]$，并固定雷诺数为$Re=3.16\times 10^3$，足够大，使剪切运输几乎完全是由于雷诺应力和粘性运输是可以忽略不计的。我们发现一个最佳的旋转在反气旋制度在$R_Ω=0.63$，其中一个给定的流向动量传输在壁法线方向实现最小的平均能量的流向流。我们将这种最佳传输与大尺度结构的强度联系起来，如Brauckmann \& Eckhardt在平面Couette中所做的那样（J.Fluid Mech.，815，2017）。此外，我们探讨了展向旋转下的大尺度结构及其行为，并发现在$R_Ω=0$无序的大结构，但在反气旋制度的高度有组织的结构，类似于旋转平面库埃特和湍流泰勒库埃特流的轧辊。比较了平面Couette流和Waleffe流的大尺度结构，发现流向涡量主要集中在涡核内部。我们表明，轧辊采取能量的平均流量在长时间尺度，并将这些结构的特征值的流函数。
2019-10-02 physics.flu-dyn
Half-range lattice Boltzmann models for the simulation of Couette flow using the Shakhov collision term
采用混合格子Boltzmann模型求解平行板间的三维Couette流动，该模型分别在垂直于壁面和平行于壁面的笛卡尔坐标轴上实现半程和全程Gauss-Hermite求积。我们的模型模拟稀薄流的能力进行了验证，通过与以前报道的结果进行比较，使用线性化Boltzmann-BGK方程的克努森数（Kn）的值高达$100$。我们发现，恢复速度分布的非线性部分（即，其与线性函数的偏差）需要高的正交阶数。然后，我们采用Shakhov模型的碰撞项，以获得宏观配置文件麦克斯韦分子使用标准的$μ\sim T^ω$法律，以及为单原子氦和氩气体，通过从头算势建模，在那里的粘度恢复使用萨瑟兰模型。我们通过与DSMC结果的比较来验证我们的实现，并发现${\rm Kn} \lesssim 0.1$的所有宏观量都非常匹配。在${\rm Kn} \gtrsim 0.1$，在压力张量、平行于板的热通量和速度分布的对角分量的分布中，以及在通道中心的速度梯度的值中，可以看到小的偏差。我们将这些偏差归因于沙霍夫碰撞模型对高度不平衡流的有限适用性。
2018-12-18 physics.flu-dyn
Taylor-Couette flow in an elliptical enclosure generated by an inner rotating circular cylinder
本文数值模拟椭圆外筒与旋转同心内圆柱间的 Taylor-Couette 流，采用 Fourier 谱无网格离散和压力投影方法，揭示纵横比 2 时不同 Reynolds 数下的流动结构及定常—非定常转捩。
2023-05-02 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Orientational instabilities in nematics with weak anchoring under combined action of steady flow and external fields
本文研究了平面{ \em Couette}或{ \em Poietille}流作用下液晶层的均匀不稳定性和空间周期不稳定性。初始导向器方向垂直于流动平面。考虑了约束板处的弱锚定以及外部{ \em电场}和/或{ \em磁场}的影响。临界剪切速率的近似表达式，并与半解析解的情况下，Couette流和数值解的全套线虫动力学方程Poietille流进行比较。特别是依赖的类型的不稳定性和阈值上的方位角和极锚定强度和外场进行了分析。
2005-03-10 physics.flu-dyn
Hydrodynamic Fluctuations in Laminar Fluid Flow. II. Fluctuating Squire Equation
我们使用波动流体力学来评估在层流流体流动中的热激发波动的增强，使用平面Couette流作为代表性的例子。在以前的出版物[J.统计。144（2011）p.774]我们通过求解波动Orr-Sommerfeld方程导出了由热激发壁法向波动引起的能量放大。本文通过求解脉动Squire方程，导出了壁面法向涡度脉动引起的能量放大。热激发的壁面法向涡度波动对能量放大的贡献占主导地位。此外，我们表明，热激发条纹，即使在没有任何外部施加的扰动，存在于层流流体流动。
2012-06-19 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
On the role of vortex stretching in energy optimal growth of three dimensional perturbations on plane parallel shear flows
在平面平行剪切流中，三维最佳能量增长机制，重新检查的涡拉伸的作用和展向涡量和平面发散分量之间的相互作用。对于高雷诺数的结构的最佳扰动Couette，Poiffuille，混合层剪切剖面是强大的，类似于本地化的平面波的背景剪切是大的区域。当展向涡度和平面散度场同相（异相）时，背景切变为正（负）时，波随切变倾斜。推导出一个极小模型来解释这种配置如何使两个领域的同时增长，以及这种相互放大如何反映在最佳的能量增长。这种观点提供了一个理解的三维增长完全从二维动态剪切平面上。
2012-02-28 physics.flu-dyn
Strong alignment of prolate ellipsoids in Taylor-Couette flow
我们报告的流动性和方向的有限大小，中性浮力长椭球体（纵横比$Λ=4$）在泰勒-库埃特流，使用接口解决的数值模拟。该装置由旋转内圆筒和静止外圆筒之间的颗粒负载流组成。我们模拟了两种颗粒尺寸$\ell/d=0.1$和$\ell/d=0.2$，$\ell$表示颗粒长轴，$d$表示圆柱体之间的间隙宽度。体积分数分别为$0.01\%$和$0.07\%$。最初随机定位的粒子最终显示出可以分为四种模式的特征空间分布。模式$(i)$到$(iii)$在泰勒涡流流态中观察到，而模式（$iv$）包括波动涡流和湍流泰勒涡流流态。模式$(i)$对应于远离涡核的稳定轨道。值得注意的是，在一个狭窄的$\textit{Ta}$范围内，颗粒被困在泰勒涡核（模式（$ii$））。模式$(iii)$是当观察到模式$(i)$和$(ii)$时的转换。对于模式$(iv)$，由于流动不稳定性，颗粒分布在整个域中。所有四种模式显示特征取向统计。我们发现模式（$ii$）的粒子聚类是大小相关的，有两个主要的观察。首先，与$\ell/d=0.1$相比，$\ell/d=0.2$在核心处的颗粒附聚高得多。其次，观察到聚集的$\textit{Ta}$范围取决于粒度。对于这种模式$(ii)$，我们观察到粒子与局部圆柱切线强烈对齐。观察到$\ell/d=0.2$在$\textit{Ta}=4.2\times10^5$周围的最明显的颗粒排列。这一观…
2021-06-10 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Level crossing instabilities in inviscid isothermal compressible Couette flow
本文研究无粘等温可压缩库埃特流的线性稳定性，发现非拐点特征模态随马赫数和波数增大发生无限序列的能级交叉稳定性转变，形成斑马状不稳定窗口，并识别出转变附近的平方根幂律增长率形式。
2024-12-30 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Turbulence appearance and non-appearance in thin fluid layers
流体层中的流动在工业、物理学和天体物理学中是普遍存在的。薄层中的大尺度流动可以被认为是二维的（2d），增加了底部摩擦。在这里，我们发现，这种流动的性质极大地依赖于它们的驱动方式。我们认为，壁驱动（库埃特）流不能维持湍流，但小的粘度和摩擦。直接数值模拟（DNS）的雷诺数$Re=10^6$证实，所有的扰动死在一个平面库埃特流。相反，对于足够小的粘度和摩擦，我们表明，有限的扰动破坏的压力驱动的层流（Poietille）流。相反，出现的是一种行波，其形式为在壁涡之间滑动的射流。对于$10^4<Re<5\cdot10^4$，平均流具有非常简单的结构：射流是具有抛物线速度剖面的正弦曲线，涡量在涡内是恒定的，而波动很小。在较高的$Re$出现强烈的波动，但平均行波生存。考虑到在这样的流动中的动量通量障碍，我们推导出一个新的摩擦因子的$Re$依赖的标度律，并通过DNS确认。
2018-02-21 physics.flu-dyn
Deformable bodies in a 3-dimensional viscous flow: Vorticity-Stream vector formulation
Center for Interdisciplinary Research in Biology (CIRB), Collège de France, CNRS, Inserm, Université PSL（跨学科生物研究中心，法兰西学院，法国国家科学研究中心，法国国家健康与医学研究院，巴黎文理研究大学）；Facultat de Física, Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学物理学院）；Instituto de Investigación Tecnológica (IIT) and Grupo Interdisciplinar de Sistemas Complejos (GISC), Universidad Pontificia Comillas（技术研究所和复杂系统跨学科小组，科米利亚斯宗座大学）；Institute of Nanoscience and Nanotechnology (IN2UB)（纳米科学与技术研究所）
提出一种涡量-流矢量公式，用于模拟低雷诺数下可变形界面与不可压缩粘性流的相互作用，通过相场模型简化流体求解器，并成功模拟了囊泡和液滴在Poiseuille和Couette流中的演化。
2026-06-18 physics.bio-ph physics.flu-dyn
High-speed shear driven dynamos. Part 2. Numerical analysis
本文旨在数值验证同伴论文Deguchi（2019）中提出的磁流体动力学（MHD）流动的大雷诺数渐近理论。为了避免与湍流和流动几何形状的混沌性质相关的任何复杂性，已利用平面Couette流中的粘性电阻磁流体动力学方程的非线性稳态解。确定了两类能有效地将动能转换为磁能的非线性MHD态。在已知的平面Couette流的流体动力学解分支上施加展向均匀小磁场，可以得到第一类非线性状态。的非线性状态的特点是由流体动力学/磁辊条纹和共振层，在那里观察到强涡和电流片。这些流动特征以及诱导的强流向磁场与Deguchi（2019）提出的涡旋/Alfvén波相互作用理论完全一致。当展向均匀磁场关闭时，溶液变成纯粹的流体动力学。然而，在零外部磁场极限下的第二类“自持剪切驱动发电机”可以通过受展向均匀电流场的强迫态的同伦来找到。发电机状态的发现激发了Deguchi（2019）相应的大雷诺数匹配渐近分析。在这里，由渐近理论导出的简化方程已被数值求解。渐近解提供了非常好的预测有限雷诺数发电机解决方案。
2019-03-22 physics.flu-dyn
Dynamics of Particle-laden Turbulent Suspensions: Effect of particle roughness
本文开发F3T模型研究粗糙颗粒在湍流库埃特流中的动力学，发现粗糙度显著提高颗粒速度与角速度脉动，模型可定量预测颗粒分布与速度剖面。
2023-11-16 physics.flu-dyn
Electrolyte flows under magnetic fields: Manning-like counterion condensation in one dimension
Department of Chemical Engineering, Ben-Gurion University of the Negev（内盖夫本-古里安大学化学工程系）；Institute for Mathematics, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg（奥尔登堡卡尔·冯·奥西茨基大学数学研究所）
本文提出了一种理论框架，用于研究垂直磁场下稀释电解质的单向电磁流体动力学流动。通过Navier-Stokes方程与Poisson-Nernst-Planck方程的耦合，展示了问题可以逐层解耦：首先求解Stokes方程得到速度分布，进而定义进入Nernst-Planck离子描述的流体势能。这种洛伦兹力诱导的势能与静电吸引竞争，显著改变离子分布。在两种典型几何中分析了这一机制，在平面Couette剪切中产生了一种一维Manning-Oosawa-like凝结转变，这在经典静电学中不存在。推导出一个特征方程，预测在带电壁面处反离子富集与贫化的尖锐阈值。在圆柱形Taylor-Couette流动中，相同效应使经典Manning准则偏移一个磁参数，使凝结控制可调。这些发现将Manning-Oosawa现象学扩展到驱动、非平衡系统，并为磁控电解质屏蔽提供了基础，对微流体学、电化学系统和非线性边界值理论有影响。
2026-05-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Cross-correlation Aided Transport in Stochastically Driven Accretion Flows
导致旋转剪切吸积流的线性不稳定性的起源一直是一个有争议的话题。虽然对磁化吸积流在瑞利稳定极限中的这种非正常瞬态扰动增长有一些解释，但在没有磁扰动的情况下，类似的不稳定性仍然无法解释。这种二分法在Chattopadhyay { \it et al}最近的两篇出版物中得到解决，其中表明这种不稳定性，特别是对于非磁化吸积流，通过系统中固有随机噪声的相互作用引入（即使是3000 K的\enquote{cold}吸积流在统计术语中也太\enquote{hot}，并且能够诱导强的热模式），库埃特流动剖面。然而，这两项研究都排除了额外的能量流入（或流出），这可能是由于扰动速度流的噪声的非零互相关引起的，比如说，与驱动涡量流（或等效的磁场和磁涡量流动力学）的噪声。在这篇文章中，我们表明，非零噪声互相关本质上重新归一化的时间相关性的强度。除了能量率的整体提升（空间和时间相关性，因此在系综平均能谱），这导致受影响的变量的增长率的相互竞争，通常导致在小时间内抑制振荡阿尔芬波，同时导致在相对较长的时间尺度上更快的饱和。这种效应在磁场通量的情况下更为明显，其中噪声互相关放大了相关场的强度。
2014-12-04 astro-ph.HE cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
A target-fixed immersed-boundary formulation for rigid bodies interacting with fluid flow
National Taiwan University（国立台湾大学）
本文提出物体固定参考系下的浸入边界投影法求解复杂刚体流固耦合问题，通过隐式耦合等设计提升低固流质量比下的稳定性与表面应力精度，经二维算例验证了方法有效性。
2020-01-01 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence
介绍了一种新的方法来测量拉格朗日涡量和各向异性颗粒在湍流中的旋转动力学。我们使用3D打印技术制造十字架（两个垂直的杆）和千斤顶（三个相互垂直的杆）。时间分辨测量的方向和固体的旋转速率，从立体视频图像的运动在湍流之间的振荡网格$R_λ$ = $91$。平流粒子的最大尺寸是柯尔莫哥洛夫长度的6倍，使它们成为各向异性示踪粒子的良好近似。十字架像圆盘一样旋转，千斤顶像球体一样旋转，所以这些测量，加上以前对示踪棒的测量，可以在整个长宽比范围内对椭球体进行实验研究。测得的均方翻滚速率，$\langle \dot{p}_i \dot{p}_i \rangle$，证实了以前的直接数值模拟表明，磁盘翻滚更迅速比棒。十字架与固体旋转速率矢量的方向的对准的测量提供了通过流动的速度梯度对各向异性颗粒的对准的第一直接观察。
2014-07-28 physics.flu-dyn
Wake instability of a fixed spherical droplet with a high drop-to-fluid viscosity ratio
通过直接数值模拟研究高黏度比固定球形液滴的尾流不稳定性，发现外部分叉与方位角涡量倾斜有关，提出基于液滴表面最大涡量的经验准则，并揭示了不同雷诺数下的分叉序列及内部雷诺数的影响。
2025-04-09 physics.flu-dyn
Turbulent-laminar patterns in plane Poiseuille flow
通过直接数值模拟，在一个倾斜的和平移的计算域中使用并行版本的伪谱代码的湍流层流带状图案在平面Poiffille流进行了研究。通过瞬时和时间平均模式的流向涡的3D可视化，以及平均速度场和湍流动能的2D可视化。雷诺数从2300下降到700的模拟表明，从均匀湍流逐渐发展到Re=1900附近的波长为20的半间隙模式，Re=1300附近的波长为40的模式，最后到Re=800附近的层流。这些转变是通过使用傅里叶变换的振幅和相位及其概率分布的诊断来定量跟踪的。流型的传播速度近似于平均通量的传播速度，并且是雷诺数的递减函数。检查的时间平均流表明，湍流带与两个反向旋转的细胞堆叠在交叉通道方向和湍流是高度集中的墙壁附近。在壁面附近，雷诺应力使流体加速通过湍流带，而粘性使其减速;层流剖面的平流作用在两个方向上。在中心，雷诺应力使流体通过湍流带减速，而层流剖面的平流使其加速。这些特征与平面Couette流中的顺层流带状图案进行了比较。
2015-01-18 physics.flu-dyn
Comparison of the Shakhov and ellipsoidal models for the Boltzmann equation and DSMC for ab initio-based particle interactions
在本文中，我们考虑的碰撞项的Shakhov和椭球模型的玻尔兹曼方程的能力，以捕捉稀薄气体流动的特性。通过比较这些动力学模型方程与粒子通过从头算势相互作用的直接模拟Monte Carlo（DSMC）结果所获得的结果进行基准。分析仅限于平行板之间的通道流动，我们考虑三个流动问题，即：固定板之间的传热，库埃特流和剪切下的传热。对于3 He、4 He和Ne气体，在非线性区域进行模拟。3 He和4 He的参考温度范围为1 K至3000 K，Ne的参考温度范围为20 K至5000 K。虽然良好的协议被视为直接现象（剪切应力，热通量驱动的温度梯度）的过渡制度，在交叉现象（热通量垂直于温度梯度）的相对误差超过10%，即使在滑流制度。动力学模型方程的求解使用有限差分格子玻尔兹曼算法的基础上半范围高斯-厄米求积与三阶迎风方法用于执行的平流。
2020-07-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Laboratory investigation of nominally two-dimensional anabatic flow on symmetric double slopes
通过水箱PIV与热电偶实验研究对称双坡上的高湍流热驱动上坡流，揭示其不可简化为二维准稳态流动的三维结构与涡动特征。
2023-09-29 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Coherent structures and extreme events in rotating multiphase turbulent flows
通过使用直接数值模拟（DNS）在前所未有的分辨率，我们研究湍流旋转的同时存在的直接和逆叶栅。大尺度能量的积累导致沿旋转轴方向的高涡度垂直相干区的形成。通过用数百万个惯性粒子播种流，我们第一次量化了这些相干垂直结构对轻重粒子优先浓度的影响。此外，我们定量地表明，极端的波动，导致偏离正态分布的统计，结果从纠缠的相互作用的垂直结构与湍流背景。最后，我们提出了有史以来第一次测量的斯托克斯阻力，科里奥利力和向心力之间的相对重要性沿惯性粒子的轨迹。我们发现，旋涡相干结构导致意想不到的扩散性质的重和轻粒子在平行和垂直于旋转轴的方向。
2016-11-23 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Inverse cascades in turbulence and the case of rotating flows
我们首先简要总结了几个属性的二维（2D）湍流的动力学，重点是逆级联的能量系统的最大可访问的规模。为了研究经历强固体旋转的三维（3D）湍流中的类似现象，我们在网格上测试了之前开发的大涡模拟（LES）模型，并对旋转湍流进行了高分辨率直接数值模拟。$3072^3$点。然后，我们描述了新的数值结果的逆能量级联在旋转流中使用该LES模型和对比的情况下，二维与三维强迫，以及非螺旋强迫（即，速度和涡度之间的弱整体对齐）与完全螺旋贝尔特拉米情况下，无论是确定性和随机强迫。逆能量级联的不同标度可以归因于强迫的维度，一般来说，在大尺度下，慢模式的$k_{\perp}^{-3}$或$k_{\perp}^{-5/3}$能谱垂直于旋转方向。最后，我们调用的作用，剪切的情况下，一个强各向异性的确定性强迫，使用所谓的ABC流。
2012-03-01 nlin.AO physics.flu-dyn
Energy transfer in turbulence under rotation
众所周知，快速旋转的湍流的特征在于同时出现高尺度和低尺度的能量传递。事实上，数值计算和实验都表明，随着小尺度耗散结构的发展，大尺度各向异性涡的形成。然而，导致这种复杂动态的相互作用的组织仍然不清楚。已知两种不同的机制能够在湍流中传递能量。第一个是其特征在于由二维的三个单元（2D3C）的流形上，即在傅立叶平面垂直于旋转轴的三个单元之间的二维相互作用。第二种机制是三维的，由具有相同螺旋性符号（纯手性）的三元组之间的相互作用组成。在这里，我们提出了一个详细的数值研究的旋转流，使用一套高雷诺数直接数值模拟在不同的参数制度，以分析放大和缩小规模的叶栅范围。我们发现，在波数接近强迫尺度的高档级联产生的日益占主导地位的同手性相互作用耦合的三维散装和2D3C平面。这种耦合在2D3C平面中产生能量的积累，然后由于二维机制将能量转移到较小的波数。在前向级联范围内，我们发现能量转移主要由异手性三单元组控制，并且主要由快速流形内的相互作用控制，其中$k_z\ne0$。我们进一步分析了实空间域中不同区域的能量传递。特别是，我们区分高应变和高涡度区域，我们发现，虽然平均传输产生的应变区域内，罕见的，但极端的能量转移事件主要发生在大规模的列涡。
2018-03-21 physics.flu-dyn
Linear stability of Hunt's flow
本文用数值方法分析了在横向磁场作用下矩形管道中液态金属充分发展流动的线性稳定性。垂直于磁场的管道壁是完全导电的，而平行的管道壁是绝缘的。在足够强的磁场中，流动由绝缘壁处的两个射流和近停滞的核心组成。我们使用矢量流函数公式和Chebyshev配置方法来解决小振幅扰动的特征值问题。由于基流的双重反射对称性，在管道横截面上具有四种不同宇称组合的扰动彼此解耦。磁场使方管中的流动在Hartmann数Ha 5.7处线性不稳定，对于沿磁场方向的涡量分量为偶数而沿磁场方向为奇数的扰动，在此模式下，基于最大速度的临界雷诺数Re_c 2018在Ha ~ 10处达到最小值。进一步增加磁场可使该模式稳定，Re_c的增长近似为Ha。当Ha>40时，最危险扰动的展向宇称在磁场上反转。在Ha ~ 46处出现一对新的最危险的扰动，其沿磁场的宇称与前两个模的宇称相反。这两种模态的临界雷诺数非常接近，在Ha ~ 70时达到最小值Re_c ~ 1130，当Ha >> 1时，随着Re_c ~ Ha ^1/2而增加。当临界相速度接近最大射流速度的0.475时，临界波数的渐近性为k_c ~ 0.525Ha^1/2。
2009-10-29 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Shape-dependent guidance of active Janus particles by chemically patterned surfaces
自泳Janus粒子通过诱导-通过在其表面上发生的非平衡化学反应-改变它们浸入其中的溶液的化学成分来移动。这个过程导致沿着颗粒表面的化学成分梯度，以及沿着任何附近的边界，包括固体壁。沿壁的化学梯度可引起化学渗透，即，梯度驱动表面流动，表面流动又驱动溶液体积中的流动。这种整体流动耦合回颗粒，从而有助于其自我运动。由于化学渗透强烈地依赖于扩散分子种类和壁之间的分子相互作用，由颗粒诱导和经历的响应流编码关于壁的任何化学图案化的信息。在这里，我们扩展了以前的研究在一个化学图案化的墙壁附近的球的自泳的情况下，细长形状的颗粒。我们集中我们的分析可能出现的新的现象学的耦合-这是一个球形的细长颗粒的化学渗透流的应变率张量。通过数值计算，我们表明，一个棒状粒子的动力学表现出一种新的“边跟踪”的稳态：粒子平移沿化学步骤的边缘在一个稳定的距离的步骤，并具有稳定的取向。在一定的系统参数范围内，边缘跟随状态与“停靠”状态共存（粒子在台阶处停止，定向为垂直于台阶边缘），即，一个不稳定的动态发生。这些研究结果是合理化的结果之间的竞争的流体涡度和应变率通过使用分析理论的基础上捕获准定量的动态系统的点粒子近似。
2017-11-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
