Sodium chloride inhibits effective bubbly drag reduction in turbulent bubbly Taylor-Couette flows
使用泰勒-库埃特几何，我们实验研究盐对流动中存在的气泡引起的减阻效果。我们将扭矩测量与光学高速成像相结合，将气泡尺寸与流动所经历的阻力相关联。以前的研究结果表明，一小部分空气（4%）可以导致显着的阻力减少（40%）。与以前主要使用淡水的实验室实验不同，我们将改变淡水的盐度到海水的平均盐度。我们发现，随着盐浓度的增加，减阻越来越受到抑制;从淡水的40%到海水的15%。存在于工作流体中的盐抑制聚结事件，导致流动中的较小气泡，并且由此降低减阻。在临界盐度以上，增加盐度对流中的气泡尺寸没有进一步的影响，因此对流所经历的阻力没有进一步的影响。我们的新发现证明了NaCl对气泡减阻机制的重要性，并将进一步挑战海军建筑师在海洋船舶上实施有前途的空气润滑系统。
2022-10-28 physics.flu-dyn
Drag reduction in boiling Taylor-Couette turbulence
我们创建了一个高度受控的实验室环境，可进行全球和本地监测，以分析湍流沸腾流，特别是统计稳定状态下的剪切应力。也就是说，通过精确监测强湍流泰勒-库埃特流（两个同轴旋转圆柱之间的流动，雷诺数$\textrm{Re}\approx 10^6$）从非沸腾到沸腾的过渡过程中的阻力，我们表明，直观的预期，即几个体积百分比的蒸汽气泡将相应地改变几个百分点的整体阻力，是错误的。相反，我们发现，在这些条件下，发生了高达45%的显着的全球阻力减少。我们将这个全球性的结果，我们的本地观测，表明，主要减阻的蒸汽泡变形是至关重要的，对应于韦伯数大于一。我们将我们的研究结果与气泡湍流的结果进行了比较，气泡遵循与蒸汽气泡非常不同的物理学。尽管如此，我们还是发现了显著的相似之处，并对它们进行了解释。
2019-09-09 physics.flu-dyn
Drag Reduction by Microbubbles in Turbulent Flows: the Limit of Minute Bubbles
微气泡减阻是一种很有前途的改善船舶性能的工程方法。然而，这种现象的基本理论缺乏，使得实际设计相当冒险。我们在这里提供了一个理论的减阻由微气泡在非常小的气泡的限制，当气泡的效果主要是归一化的密度和粘度的载体流体。该理论的高潮与减阻程度的预测给定的浓度分布的气泡。与实验的比较进行了讨论，并勾画了前进的道路。
2004-07-09 nlin.CD physics.flu-dyn
Resonance properties of forced oscillations of particles and gaseous bubbles in a viscous fluid at small Reynolds numbers
研究了粘性流体中微粒子和气泡在正弦外力作用下围绕平衡态的微小振荡。精确解的积分微分方程包含斯托克斯和记忆积分阻力。本研究的主要目的是澄清的记忆积分拖曳力的影响，在小雷诺数的粘性流体中的振荡颗粒或气泡的共振特性。获得了这两种物体的谐振曲线（外力的振幅与频率的关系）以及相位-频率关系，并与仅受斯托克斯阻力的传统振子的相应关系进行了比较。
2017-10-07 physics.flu-dyn
Effects of Marangoni and drag forces on the transition from vapor-rich to air-rich bubbles
本文研究非脱气水中局部光热加热下富汽泡向富气泡的转变，揭示曳力与马兰戈尼力随气泡半径的不同标度关系决定气泡运动方向，为稳定形成富汽泡提供条件依据。
2024-01-15 physics.app-ph physics.flu-dyn
Deformable ellipsoidal bubbles in Taylor-Couette flow with enhanced Euler-Lagrange tracking
在这项工作中，我们提出的数值模拟$10^5$亚Kolmogorov变形气泡分散在泰勒-库埃特流（壁有界剪切系统）旋转的内圆筒和外圆筒在休息。我们研究了两相系统中气泡的变形能力对载流流体引起的总阻力的影响。我们发现，在变形的气泡的结果在增强减阻由于一个更显着的积累附近的驱动内壁变形的气泡的增加。这种优先积累是由气泡在壁法线方向上的运动阻力增加引起的。增加的阻力与靠近壁的气泡的强烈变形有关，这使它们长形（沿一个轴拉伸）并沿流向定向。驱动壁附近气泡的浓度越大，意味着它们在削弱羽流喷射方面越有效，从而导致更强的减阻效果。这些模拟实际上是不可能的完全解决的技术是通过耦合的亚网格变形模型与双向耦合欧拉-拉格朗日跟踪分散在一个湍流领域，这是通过直接数值模拟解决亚Kolmogorov气泡。气泡被认为是椭圆形的形状和它们的变形是由一个演变方程，这取决于当地的流动条件和它们的表面张力。
2017-08-04 physics.flu-dyn
The importance of bubble deformability for strong drag reduction in bubbly turbulent Taylor-Couette flow
在雷诺数Re = 5 × 10^5 ~ 2 × 10^6范围内，采用静止外圆柱和平均气泡直径约为1 mm的气泡湍流Taylor-Couette（TC）流动，对整体和局部进行了研究。在0%~ 4%的范围内，我们测量了基于整体尺度扭矩作为整体气体体积分数a_global的函数的减阻（DR）。当Re = 5.1 x 10^5时，我们观察到高达7%的中等DR。当Re = 1.0 x 10^6和2.0 x 10^6时，DR明显更强，当Re = 2.0 x 10^6和a_global = 4%时，DR明显超过40%。为了揭示两个明显不同的制度，中度DR和强DR，我们调查的局部液体流动速度和局部气泡的统计，特别是径向气体浓度分布和气泡尺寸分布，为两种不同的情况;在中度DR区域中Re = 5.1 x 10^5，在强DR区域中Re = 1.0 x 10^6，两者均在a_global = 3 +/-0.5%。通过定义和测量局部气泡韦伯数（We）在TC间隙接近IC壁，我们观察到，从中度到强DR政权的交叉大致发生在We ~ 1的交叉。在Re = 1.0 x 10^6的强DR区域中，我们发现We > 1，当接近内壁时达到9（+7，-2）的值，这表明气泡在靠近内壁时会逐渐变形。在Re = 5.1 x 10^5的中等DR区域，我们发现We ~ 1，表明气泡更硬，即使平均气泡直径更大，即1.2（+0.7，-0.1…
2013-05-06 physics.flu-dyn
Drag coefficient of a rising bubble in a shear-thinning fluid using the power-law scheme coupled with a Cahn-Hilliard equation with a variable mobility: A lattice Boltzmann study and comparison with experiment
本文研究了幂律流体中由牛顿流体和非牛顿流体组成的多组分流体的流动行为，特别是气泡上升的终极速度。最近的格子玻尔兹曼（LB）模型扩展使用幂律方案，能够模拟在高密度和粘度比的牛顿和非牛顿流体流动。此外，在这项研究中引入了一个可变的流动性，以尽量减少非物理误差周围的小气泡的域。一个三组分流体流动系统的检查使用恒定和可变的流动性。结果表明，迁移率变化时各组分的稳定性更好，而迁移率不变时，各组分的界面耗散逐渐增加，质量逐渐减少。此外，两个测试案例，包括幂律流体驱动的两个平行板之间的流动进行了显示的准确性和能力的模型。为了找到一个网格独立的计算域，网格独立性测试进行表明，200*400域大小是适合我们的计算。然后，上升气泡的终极速度与文献中现有的关联式进行了比较，结果表明，与现有的研究，使在6个不同的情况下的平均相对误差为5.66%，结果是吻合得很好。此外，模拟的例子显示出良好的符合实验结果的雷诺数和Eotvos数的范围内。
2022-07-19 physics.flu-dyn
The Rayleigh collapse of two spherical bubbles
考虑了两个相互作用的非平移等尺寸球形气泡的惯性坍缩。首先通过一个缓慢收敛的幂级数得到了控制空泡半径的非线性常微分方程的精确解析解。然后构造一个渐近逼近，加速收敛的系列，并施加的渐近崩溃行为时，半径很小。该解决方案概括了经典的1917年瑞利问题的单气泡崩溃，因为这种配置是恢复时，气泡中心之间的距离远远超过他们的半径。
2021-02-10 physics.flu-dyn
Microbubbly drag reduction in Taylor-Couette flow in the wavy vortex regime
通过直接数值模拟的方法研究了微气泡对Taylor-Couette流动的影响。我们采用欧拉-拉格朗日方法与气-液力偶合器的基础上的点力近似。在对单个气泡的运动建模时，考虑了附加质量、阻力、升力和重力。我们发现，非常稀的悬浮液的小的不可变形的气泡（体积空隙率低于1%，零韦伯数和气泡雷诺数<10）诱导一个强大的统计稳定的阻力减少（高达20%）在所谓的波涡流区（Re = 600-2500）。归一化扭矩的雷诺数依赖性（所谓的扭矩减小比（TRR），其对应于阻力减小）与Murai等人（J.Phys.14，143（2005））最近进行的一系列实验测量一致。我们的分析表明，在这个政权的扭矩减少的物理机制是由于局部轴向力，引起的气泡上升，这是能够打破系统中的高耗散泰勒波涡。我们最终表明，在这个过程中，升力作用在气泡上是至关重要的。当忽略它时，气泡优先聚集在内筒附近，并且整体流动的修改效率较低。
2007-07-18 nlin.CD physics.flu-dyn
Prediction of Spherical Bubble-Chain-Induced Liquid Flow through Far-Wake Superposition Based on Bubble-Chain Hydrodynamics
Shizuoka University（静冈大学）；Kansai University（关西大学）
本研究通过嵌入边界模拟揭示气泡链诱导液体流动的物理机制，开发降阶模型复现实验观测的均匀向上流，表明流动由气泡轨迹而非仅分散宽度决定。
2026-07-30 physics.flu-dyn
Polymer drag reduction in surfactant-contaminated turbulent bubbly channel flows
聚合物添加剂通常用于在各种应用中操纵泡状流。在这里，我们调查的影响，清洁和污染的气泡驱动向上（上流）在牛顿和粘弹性湍流通道流。界面分辨的直接数值模拟进行检查的唯一和组合的可溶性表面活性剂和粘弹性的影响，使用一个有效的三维有限差分/前跟踪方法。不可压缩流方程求解完全耦合的FENE-P粘弹性模型和控制界面和本体表面活性剂浓度的方程。后一种耦合是通过将表面张力与表面活性剂浓度相关联的非线性状态方程来实现的。对于牛顿型湍流泡状流，考察了Triton X-100和1-戊醇表面活性剂的影响。据观察，吸附动力学高度影响泡状流的动力学。发现微量的Triton X-100足以防止气泡簇的形成，恢复单相行为，而甚至两个数量级以上的1-戊醇表面活性剂不足以防止层的形成。对于粘弹性湍流，粘弹性促进了泡壁层的形成，因此对于无表面活性剂的泡状流，聚合物的减阻作用完全丧失，而对于$Wi=4$，加入少量的表面活性剂（Triton X-100）可以恢复聚合物的减阻作用，导致$25\%$的减阻。
2021-10-14 physics.flu-dyn
Modelling large scale airgun-bubble dynamics with highly non-spherical features
深入了解米级气枪气泡的动力学特性对海底地球物理勘探具有重要意义。在这项研究中，我们使用边界积分方法来研究高度非球形气枪气泡动力学及其相应的压力波发射。此外，提出了一个模型，也考虑了空气从气枪端口，这是最关键的因素，以估计压力波的初始峰值的释放过程。数值模拟显示出良好的协议与实验，在非球形气泡的形状和压力波。此后，端口打开时间$T\rm_{open}$，气枪射击深度，传热和重力的影响进行了数值研究。我们发现，一个较小的$T\rm_{open}$导致更猛烈的空气释放，从而导致更强的高频压力波发射，然而，低频压力波的影响很小。此外，非球形气泡动力学高度依赖于弗劳德数$Fr$。从$Fr=2$开始，随着$Fr$增加，射流包含较低的动能，导致气泡破裂本身的较强能量聚焦，从而在气泡破裂阶段期间产生较大的压力峰值。对于$Fr \ge 7$，球形气泡理论成为气枪气泡的适当描述。本研究之新发现，可为未来气枪之实际操作及环保型气枪设计提供参考。
2020-02-06 physics.flu-dyn
The initial acceleration of a buoyant spherical bubble revisited
本文仅基于两相不可压缩Navier-Stokes方程重新推导了球形气泡的浮力初始加速度，证明无需势流理论等简化假设即可保留经典结果，并通过数值模拟验证，揭示了非平衡压力分布对气泡受力的重要性。
2025-07-04 physics.flu-dyn
Fluid kinetic energy asymptotic expansion for two variable radii moving spherical bubbles at small separation distance
在理想流体中，考虑两个半径变化的球形气泡沿其中心线运动。得到了流体动能的精确表达式。斯托克斯流函数在双球坐标系中展开为盖根鲍尔多项式。该展开式用于获得流体动能二次型系数的精确级数。通过与已知系列的比较，证实了新系列的正确性.新的动能形式的主要优点是在气泡之间的小分离距离处获得渐近展开的可能性。得到了这些展开式并分析了它们的收敛性。研究结果可用于描述声场中气泡在接触前的接近和聚并过程。
2019-12-12 physics.flu-dyn
Shock waves from non-spherical cavitation bubbles
我们提出了详细的观察，在单一的空化气泡崩溃时发出的冲击波，同时使用时间分辨阴影和水听器压力测量。气泡的几何形状系统地从球形变化到非常非球形，通过减小它们到自由或刚性表面的距离或通过调制抛物线飞行上的重力引起的压力梯度。非球形的崩溃产生多个冲击，显然与不同的过程，如射流的影响和不同的气泡段的个人崩溃。对于在自由表面附近塌陷的气泡，作为各向异性参数$ζ$的函数，分别测量每个冲击的能量和时间，该参数代表开尔文脉冲的无量纲等效值。对于给定的气泡变形源（自由表面、刚性表面或重力），归一化激波能量仅取决于$ζ$，而与气泡半径$R_{0}$和驱动压力$Δp$无关。基于这一发现，我们开发了一个预测框架的峰值压力和能量的冲击波从非球形气泡崩溃。结合实验数据的统计分析和理论推导，我们发现冲击波峰值压力可以用射流冲击诱导的锤击压力来估算，表示为$p_{h} = 0.45\left(ρc^{2}Δp\right)^{1/2} ζ^{-1}$ at $ζ> 10^{-3}$。同样的方法被发现来解释作为$ζ^{-2/3}$的函数的冲击能量淬火。
2017-08-14 physics.flu-dyn
The history effect on bubble growth and dissolution. Part 2. Experiments and simulations of a spherical bubble attached to a horizontal flat plate
在过饱和或欠饱和溶液中的可溶性气泡的生长或溶解动力学的准确描述，需要考虑到一些物理效应，有助于瞬时传质速率。其中之一就是所谓的历史效应。它指的是气泡周围的局部浓度边界层的贡献，该边界层是由气泡和液体环境之间的过去的质量传递事件发展而来的。在本工作的第1部分\citep{penas2016}中，对球形孤立气泡的这种效应进行了理论处理。在这里，第二部分提供了一个实验和数值研究的历史效应有关的球形气泡附着在水平平板和重力的存在。本文中开发的模拟技术是基于流函数-涡量公式，可应用于其他流量的气泡或液滴交换质量中存在的重力场。使用这种数值工具，模拟中使用的实验中，其中的气泡暴露于随后的生长和溶解阶段，使用逐步变化的环境压力相同的条件下进行。除了证明历史效应的相关性，模拟突出的重要性，边界诱导平流准确地描述气泡的生长和收缩，即气泡半径的演变。此外，自然对流有显着的影响，显示在速度场，即使在很短的时间，虽然，在这里研究的过饱和条件下，气泡的演变预计主要是扩散。
2017-06-03 physics.flu-dyn
Effect of axially varying sandpaper roughness on bubbly drag reduction in Taylor-Couette turbulence
实验研究了粗糙壁面和光滑壁面交替变化对气泡减阻的影响。我们在Twente湍流泰勒-库埃特设施的光滑内筒（IC）周围应用宽度为$s$的粗糙砂纸带（$48.4\,mm$和$148.5\,mm$之间）和粗糙度高度为$k = 695\,μm$。在砂纸带之间，IC在相似的宽度$s$上未被覆盖，导致粗糙和光滑带交替，在轴向方向上具有恒定的图案。我们测量的DR在水中，起源于引入气泡的流体（剪切）雷诺数$\textit{Re}_s$范围从$0.5 \times 10^6$到$1.8 \times 10^6$。将结果与具有完全光滑IC和完全覆盖有相同粗糙度$k$的砂纸的IC的气泡DR测量进行比较。外圆柱体保持光滑，适用于所有变化。结果还比较了气泡DR测量，其中光滑的外圆柱体以与光滑的IC相反的方向旋转。这种反向旋转诱导的二次流结构与IC由交替的粗糙和光滑带组成时观察到的结构非常相似。对于粗糙度的测量，发现气泡DR最初随着$\textit{Re}_s$而更强烈地增加，然后趋于平稳以达到不再取决于$\textit{Re}_s$的值。这归因于气泡的更均匀的轴向分布，这是由于与在相同$\textit{Re}_s$处的完全光滑壁上的流动相比，流动的湍流强度增加。可以看到气泡在流中的粗糙壁段处积聚。这里，局部地，阻力最大，因此气泡的减阻效果感觉最强。因此，一个更大的气泡DR的最大值被发现为交替粗糙和光滑的壁相比…
2020-08-03 physics.flu-dyn
Delay differential equation models for single and coupled bubble dynamics in a compressible liquid
基于延迟微分方程，考虑了可压缩液体中相互作用的球形气泡的各种模型。结果表明，大多数以前提出的模型相互作用的球形气泡在可压缩液体的基础上的Keller-Miksis和Gilmore-Akulichev模型是不稳定的紧密间隔的气泡。本文提出了一个新的可压缩液体中单个球形气泡的模型，并利用该模型导出了一个稳定的相互作用气泡模型。定性比较的直接数值积分的流体运动方程的结果表明，新的模型提供了更准确的结果比标准的Keller-Miksis或Gilmore-Akulichev模型的单气泡动力学。
2013-10-10 physics.flu-dyn
Viscous lubrication force between spherical bubbles with time-dependent radii
本文通过润滑理论研究了时变半径球形气泡间的粘性润滑力，揭示其弱对数奇异性，并结合Stokes流理论验证了结果的可靠性，为气浮过程中气泡排水时间和膨胀速率提供了理论依据。
2024-02-27 physics.flu-dyn
Peculiarities of localization of several sonoluminescent bubbles in spherical resonators
在玻璃壁声球谐振器中，利用外加超声源在水中产生1、2、4和6个声致发光气泡。理论研究表明，考虑到外部和内部谐振器表面上的接触介质的速度和压力相等，可以以良好的精度描述所观察到的激励频率。在描述多气泡局域化的特征时，指出了考虑角动量算符非零自值振荡的必要性。为了解释在两个气泡声致发光的情况下气泡之间的奇怪的小距离，已经提出了以下可能的解释：a）具有奇异角动量的模式的空间分裂的机制和b）当一个气泡被捕获到由高频振动产生的声陷阱中时的二次激发的机制，当另一个气泡声致发光发生时同时产生。
2004-01-14 physics.flu-dyn
Two-stage dispersion mechanism of clean spherical bubbles rising in a chain
Shizuoka University（静冈大学）
研究揭示清洁球形气泡链上升过程中，初始不稳定由涡流作用主导，随后通过气泡与液体的双向耦合产生大尺度横向分散，表明存在双阶段机制。
2026-07-10 physics.flu-dyn
Drag force on spherical particles trapped at a liquid interface
分离两种不混溶流体的界面上附着的颗粒的动力学在各种各样的应用中遇到。在这里，我们提出了一个相结合的渐近和数值研究的流体运动通过球形颗粒附着到一个可变形的界面经历均匀蠕动流的限制小毛细管数和小偏差的接触角从90度。在三相接触角不变的假设下，计算了孤立颗粒和颗粒对周围的界面变形。将Lorentz互等定理应用于球形颗粒在平界面处的零级近似，并对毛细数和修正接触角进行了一次修正，得到了流体阻力的零级近似和修正变形的解析表达式。阻力系数作为三相接触角、两种流体的粘度比、Bond数和颗粒之间的分离距离的函数来计算。此外，由于界面变形作用在颗粒上的毛细作用力进行了计算。
2022-07-07 physics.flu-dyn
Evolution of spherical cavitation bubbles: parametric and closed-form solutions
本文分析了水中三维空泡的Rayleigh-Plesset方程。在最简单的情况下，当表面张力的影响被忽略，已知的参数解的半径和时间演化的气泡的超几何函数进行了简要回顾。通过引入表面张力，我们揭示了Rayleigh-Plesset方程与Abel方程之间的联系，得到了遵循Abel途径的参数有理Weierstrass周期解.在相同的阿贝尔方法中，我们还提供了一个讨论的不可积的情况下，非零粘度，我们进行了数值积分
2016-02-08 physics.flu-dyn
A Review of the Accuracy of Direct Numerical Simulation Tools for the Simulation of Non-Spherical Bubble Collapses
本文综述了非球形气泡坍缩直接数值模拟的精度问题，提出新理论分析推广峰值压力预测，并发现网格尺寸与最小半径之比可用于缩放不同初始条件下的数值误差。
2024-04-28 physics.flu-dyn
Viscous dynamics of drops and bubbles in Hele-Shaw cells: drainage, drag friction, coalescence, and bursting
在这篇综述文章中，我们讨论了最近的研究，在海勒-肖细胞的液滴和气泡，侧重于如何标度律表现出从三维对应的交叉，并专注于其中粘度起着重要作用的主题。随着分析理论和高速成像技术的发展，液滴和气泡的动力学已经在标度参数的帮助下得到了积极的研究。然而，与三维问题相比，Hele-Shaw胞腔中相应问题的研究还很有限。这篇评论表明，在Hele-Shaw细胞的禁闭效果引入了新的物理允许不同的缩放制度出现。为了这个目的，我们讨论了各种例子，是潜在的重要的工业应用程序处理液滴和气泡在有限的空间，实验和缩放理论之间的协议。因此，这篇评论提供了一个收集的问题，在流体力学，可能是解析解决或可能是值得研究的数值在不久的将来。
2017-07-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
On the drag of freely falling non-spherical particles
本文提出了一个新的通用模型，用于预测规则和不规则形状的非球形固体颗粒在亚临界颗粒雷诺数下在气体或液体中下落时的阻力系数（即$Re < 3 \times 10^5$）。结果是从300个规则和不规则的颗粒在空气中的实验测量和椭圆体的解析解。根据其尺寸，不规则颗粒可通过3D激光扫描仪或SEM micro-CT方法进行精确表征。实验在高度为0.45~3.60 m的沉降柱和4 m高的立式风洞中进行。此外，还考虑了$881$附加的实验数据点，这些数据点是从落在液体中的规则形状的颗粒的文献中汇编的。新的相关性是基于颗粒雷诺数和两个新的形状描述符定义为颗粒的平面度，伸长率和直径的函数。新的形状描述符易于测量，并且比球形度更容易表征。新的相关性具有$\sim 10\%$的平均误差，其显著低于与现有相关性相关联的误差。颗粒沉降的其他方面也进行了研究。首先，发现在稠密液体中，特别是在$Re>1000$中下落的颗粒倾向于以其最大投影面积垂直于其下落方向下落，而在气体中它们的取向是随机的。第二，小尺度表面泡状和粗糙度对非球形颗粒的阻力系数的影响被发现是$<10\%$。最后，颗粒取向对阻力系数的影响进行了讨论，并提出了额外的相关性来预测由于颗粒取向的变化而导致的阻力系数的端元。
2018-10-20 physics.flu-dyn
Bridging the local and the global: a physically constrained buoyancy--drag model for unified prediction of Rayleigh--Taylor and Richtmyer--Meshkov mixing widths across density ratios
College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology（北京化工大学机电工程学院）；Institute of Applied Physics and Computational Mathematics（应用物理与计算数学研究所）；National Key Laboratory of Computational Physics（计算物理学国家重点实验室）；Center for Applied Physics and Technology, HEDPS, College of Engineering, Peking University（北京大学工程与应用物理与技术中心）
该研究提出一种物理约束浮力-阻力模型，结合局部界面动力学与全局质量守恒，可跨密度比统一预测RT和RM混合宽度，无需逐案调整即可准确描述不同混合场景的演化。
2026-09-03 physics.flu-dyn
Resonance behavior of a bubble near a spherical inclusion
Univ Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1（里昂大学，克洛德·贝尔纳里昂大学）；Univ Lyon, INSA Lyon, CNRS, Ecole Centrale de Lyon（里昂大学，里昂国立应用科学学院，法国国家科学研究中心，里昂中央理工学院）
本文建立了一个解析模型，研究在粘性可压缩流体中，气体微泡在任意大小和力学性质（刚性、流体或粘弹性）的球形夹杂物附近振荡的频率响应，并展示了通过扫描气泡频率响应反演粘弹性物体（如类红细胞颗粒）力学特性的方法。
2026-06-02 physics.flu-dyn
The effect of bubble induced turbulent structures on the mass transfer of non-spherical bubbles
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
采用前追踪方法和亚网格尺度模型模拟了Eötvös数为2、Morton数为10^-11的摇摆气泡的传质过程，发现气泡产生的涡旋结构受物性影响并改变传质，同时涡旋结构形成输运屏障阻碍尾流与液体主体的对流传质。
2026-08-24 physics.flu-dyn
Analytical Approximations for the Collapse of an Empty Spherical Bubble
具有初始条件R（0）=Rmax，R '（0）=0的瑞利方程3/2 R'+ RR”+p/rho=0模拟了半径为R（T）的空球形气泡在具有远场压力p和密度rho的理想无限液体中的破裂。作为时间t=T/Tcollapse的函数的r=R/Rmax的解，其中R（Tcollapse）=0，与Rmax、p和rho无关。虽然没有已知的r（t）的封闭形式表达式，但我们发现s（t）=（1-t^2）^（2/5）近似r（t），误差小于1%。以t^2为阶的系统展开进一步得到0.001%近似的r*（t）=s（t）[1-a Li（2.21，t^2）]，其中a=-0.01832099是常数，Li是多重对数。这些近似值的实用性证明了在微重力下获得的高精度空化数据的比较。
2012-06-01 physics.flu-dyn
Drag, lift, and torque correlations for axi-symmetric rod-like non-spherical particles in linear wall-bounded shear flow
本文提出预测壁面约束线性剪切流中轴对称棒状非球形颗粒阻力、升力和力矩系数的关联式，基于DNS数据拟合，中位误差低至2.89%-11.00%，可用于欧拉-拉格朗日或CFD/DEM大规模模拟。
2024-05-27 physics.flu-dyn
Turbulent pipe flow with spherical particles: drag as a function of particle size and volume fraction
针对含中性浮力球形颗粒的湍流管道流动，研究结合MRV和DNS技术探究了颗粒尺寸与流量对压力降、整体阻力及颗粒分布的影响，并构建了一条比传统修正粘度方法更准确的阻力变化主曲线。
2024-11-15 physics.flu-dyn
Drag, lift and torque correlations for axi-symmetric non-spherical particles in locally non-uniform flows
本研究推导了适用于局部均匀流与线性剪切流的轴对称棒状颗粒阻力、升力和扭矩新关联式，结合解析解与DNS确定高精度系数，可用于欧拉-拉格朗日框架下的大规模流动模拟。
2023-09-15 physics.flu-dyn
An assessment of multicomponent flow models and interface capturing schemes for spherical bubble dynamics
气泡动力学和空化的数值模拟是具有挑战性的，即使是一个看似简单的问题，一个崩溃的球形气泡是很难准确计算与一般的，三维的，可压缩的，多组分流动求解器。由于物理模型和数值方法的选择，其解决方案的困难。我们考虑Allaire等人的5方程模型。[1]，Kapila等人的5方程模型。[2]和Saurel等人的6方程模型。[3]作为球形气泡动力学的候选方法，并实现和比较了MUSCL和WENO界面捕获方法。我们证明了Allaire等人的传统5方程模型的不足。[1]对于球形气泡崩溃问题，并解释了Kapila等人的增强模型的相应优势。[2]对于表示这种现象。三维气泡溃灭问题的增广5方程和6方程模型之间的定量比较证明了压力不平衡模型的通用性。最后，压力不平衡模型的性能表示一个三维的球形气泡崩溃不同的气泡内/外压力比的不同数值方法进行了评估。与每个因素及其起源相关的病理被确定和讨论。
2019-03-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Formation of external particle jets on a spherical particle bed subjected to strong explosive loading
State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems, School of Mechanics and Engineering Science, Peking University（北京大学力学与工程科学学院湍流与复杂系统国家重点实验室）；HEDPS-CAPT, Peking University（北京大学高能量密度物理首都理论物理中心）；School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University（北京航空航天大学航空科学与工程学院）；Shanghai Zhangjiang Institute of Mathematics（上海张江数学研究院）
研究强爆炸加载下球形颗粒床外侧粒子喷流的形成机制，揭示颗粒尺寸对喷流形成的关键影响。
2025-12-22 physics.flu-dyn
The Quest for the Most Spherical Bubble
我们描述了一个最近实现的实验产生最球形空化气泡今天。这些气泡是由纳秒激光脉冲产生的点等离子体在液体中生长而成的。与以前的研究不同，激光由一个抛物柱面镜聚焦，产生了前所未有的对称性等离子体。随后的气泡是足够球形的，由重力引起的静水压力梯度成为空化气泡的塌陷和反弹中的不对称性的主要来源。为了避免这种不对称的自然来源，整个实验因此在微重力条件下进行（欧空局，第53次和第56次抛物线飞行活动）。在微重力（~ 0 g）下观察到空泡，空泡的塌陷和反弹保持球形，在正常重力（1 g）至超重力（1.8 g）下观察到空泡，出现重力驱动的射流。在这里，我们描述了实验装置和技术结果，并概述了科学数据。在线发布了一系列高质量的阴影电影和时间分辨压力数据。
2013-03-26 physics.flu-dyn physics.space-ph
Turbulence modulation by finite-size spherical particles in Newtonian and viscoelastic fluids
实验研究了在不同颗粒体积分数和固定雷诺数条件下，有限尺寸球形颗粒对牛顿流体和减阻粘弹性流体湍流的影响。实验是在方管中进行的，雷诺数$Re_{2H}$接近$1.1\times10^4$，Weissenberg数$Wi$为1-2之间的单相流，并在43%的阻力减少相比，牛顿流（在相同的$Re_{2H}$）。颗粒几乎是中性浮力的水凝胶球，其密度比为1.0035 $\pm$ 0.0003，导管高度${2H}$与颗粒直径$d_p$的比率约为10。我们测量四个不同的体积分数$ϕ$，即5，10，15和20%，通过使用折射率匹配的粒子图像测速（PIV）的流量统计。对于牛顿流体（NF）和粘弹性流体（VEF），阻力随着$ϕ$单调增加。对于NF，由于颗粒添加而导致的阻力增加的幅度可以使用体积分数低于10%的浓度依赖性有效粘度来合理地估计。然而，在较高的$ϕ$下，阻力增加被低估。对于VEF，阻力的绝对值低于NF，但其增加率与$ϕ$较高。与NF中的颗粒类似，VEF中的颗粒倾向于向管道中心迁移，并在壁处形成高浓度层。有趣的是，对于VEF，观察到相对较高的朝向中心的迁移和较低的朝向壁的迁移。对于两种流体，在整个管道高度上，主雷诺剪应力随着$ϕ$的增加而减小。
2018-11-28 physics.flu-dyn
Nonlinear asymptotic bubble growth in single-mode spherical Rayleigh-Taylor instability
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）
针对球形几何中单模态瑞利-泰勒不稳定性气泡的非线性增长，构建了适用于任意阿特伍德数及会聚、发散重力构型的解析模型，揭示了球形几何对气泡增长的不同影响，其预测与数值模拟吻合良好。
2026-08-03 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
When bubbles are not spherical: artificial intelligence analysis of ultrasonic cavitation bubbles in solutions of varying concentrations
液体的超声波照射，如水-酒精溶液，导致空化或形成小气泡。在不使用光学陷阱的情况下，在真实的溶液中产生空化气泡，使我们的系统尽可能接近真实的条件。在超声波的作用下，气泡可以生长，振荡，最终崩溃或分解。我们应用运动分离的数学方法来解释声对气泡的影响。虽然在大多数情况下，气泡的球形形状在能量上是最有利的，因为它使表面能最小化，但是当声频与气泡的固有频率共振时，出现具有二面角对称性的形状。其中一些共振形状变得不稳定，因此气泡分解。结果表明，气泡在不同浓度（具有不同的表面能和密度）的溶液中具有不同的演化路径。虽然很难获得溶液浓度如何影响气泡动力学的确定性描述，但可以通过应用人工神经网络（ANN）算法来分离具有不同浓度的图像。训练人工神经网络，根据气泡图像检测水溶液中的酒精浓度。这表明，人工智能（AI）方法可以在非平衡、接近不稳定的情况下补充确定性分析。
2022-01-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamic forces on assemblies of non-spherical particles: orientation and voidage effects
这项工作提供了一个配方，为轴对称，非球形粒子的静态组件创建阻力，升力和扭矩封闭。除了雷诺数$Re$和固体体积分数$ε_s$，我们提出了四个额外的参数来表征通过非球形颗粒组件的流动。两个参数考虑颗粒的相互取向（取向张量特征值$S_1$和$S_2$），两个角度表示流动方向（极角和方位角$α$和$β$）。有趣的是，我们观察到，粒子上的流体动力是独立的相互粒子的取向。相反，代表颗粒构型本身的最重要参数是单个颗粒相对于进入流的入射角$ϕ$。此外，我们观察到，我们早期发现的孤立粒子阻力的正弦平方标度（Sanjeevi & Padding 2017）平均而言，即使对于粘性和惯性状态下的多粒子系统也是如此。类似地，我们观察到，多粒子系统的平均升力遵循正弦-余弦标度，就像孤立粒子一样。这样的发现是非常有用的，因为对于给定的$Re$和$ε_s$，填充床或多孔介质的压降可以仅用颗粒的取向分布和它们在$ϕ=0^\circ$和$ϕ=90^\circ$处的阻力的知识来计算。与所确定的相关参数，我们提出了阻力，升力和扭矩关闭多粒子系统。
2019-03-19 physics.flu-dyn
Energy partition at the collapse of spherical cavitation bubbles
球形空泡破裂产生冲击波，随后产生反弹气泡。在这里，我们提出了一个系统的调查之间的反弹和冲击的能量分配。在微重力下产生高度球形的空化气泡，这抑制了浮力压力梯度，否则浮力压力梯度会使气泡的球形度变差。我们测量了反弹气泡的半径，并估计了作为初始气泡半径（2-5.6 mm）和液体压力（10-80 kPa）的函数的冲击能量。这些测量揭示了回弹和冲击之间能量分配的系统压力依赖性。我们表明，这些观察结果同意依赖于一阶近似的液体压缩性和绝热处理的气泡内的不凝气体的物理模型。利用该模型，我们发现回弹和激波之间的能量分配由一个无量纲参数$ξ= Δpγ^6/[{p_{g0}}^{1/γ} (ρc^2)^{1-1/γ}]$决定，其中$Δp=p_\infty-p_v$是驱动压力，$p_{\infty}$是液体中的静压，$p_v$是蒸汽压，$p_{g0}$是最大气泡半径处的不凝气体压力，$γ$是不凝气体的绝热指数，$ρ$是液体密度，而$c$是液体中的声速。
2012-10-17 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetohydrodynamic drag on an oscillating sphere in a rotating spherical cavity
Univ. Grenoble Alpes, Univ. Savoie Mont Blanc, CNRS, IRD, Univ. Gustave Eiffel, ISTerre（格勒诺布尔阿尔卑斯大学, 萨瓦蒙布朗大学, 法国国家科学研究中心, 法国地球与环境研究研究所, 居斯塔夫·埃菲尔大学, 地球与环境研究实验室）；CNES - Centre National d’Etudes Spatiales（法国国家空间研究中心）
研究旋转腔中振荡球体的磁流体动力学阻力，分析磁场、旋转与粘性耦合对流体动力学的影响，提出统一的边界层框架并验证理论。
2026-09-01 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Drag and diffusion coefficients of a spherical particle attached to a fluid interface
对于流体相之间的小粘度比的情况，构造了附着在两种不混溶流体之间的界面上的球形颗粒的阻力和扩散系数的显式解析表达式。该模型的目的是明确考虑两种流体和固体表面之间的接触角的依赖性。洛伦兹倒易定理应用于几何扰动方法的上下文中，该方法基于接触角与90°值的偏差。通过对文献中的实验数据和数值数据测试该模型，在低于90°的整个接触角范围内发现了良好的一致性。作为一个优点的方法报告，阻力和扩散系数可以计算到二阶的扰动参数，而它是足够的，知道的速度和压力场只有到一阶。扩展到其他已知速度和压力场的粒子形状是很简单的。
2015-02-19 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Comprehensive analysis of spherical bubble oscillations and shock wave emission in laser-induced cavitation
球形激光诱导空化气泡在水中的动力学研究等离子体摄影，时间分辨阴影，和单发探针光束散射，使描绘从初始的非线性到后期的线性振荡的过渡。后期振荡的频率产生气泡的气体含量。模拟与吉尔摩模型使用等离子体的大小作为输入和振荡时间作为拟合参数提供的见解实验上无法访问的气泡参数和冲击波发射。该模型是由一个长期覆盖的初始冲击驱动的气泡壁的加速，一个自动化的方法确定冲击波前的位置和压力衰减，和吸收的激光能量的汽化，气泡和冲击波能量的分区的能量平衡，并通过粘度和冷凝耗散。这些工具用于分析覆盖102个振荡周期的散射信号。气泡由平均温度为1550 K的等离子体产生，最大半径为36 $μ$ m。膨胀过程中气泡壁面速度的预测值与实验值吻合较好。在第一次崩溃时，大部分能量储存在气泡周围的压缩液体中，然后通过声学辐射出去。坍塌的气泡含有更多的蒸汽而不是气体，其压力为13.5 GPa。反弹冲击波的压力最初衰减$\propto r^{-1.8}$，和能量耗散在冲击波阵面加热气泡壁附近的液体以上的极限。冲击引起的温度升高降低了后期气泡振荡期间的阻尼。对于半径小于10 $μ$ m的小气泡，气泡动力学变化显著。
2021-09-09 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Comment on: "Analytical approximations for the collapse of an empty spherical bubble"
我们分析了瑞利方程的空气泡的崩溃，并提供了一个解释最近的一些分析近似模型。我们导出了第二边界点处的奇异性形式，并讨论了逼近式的收敛性。我们还给出了一个严格的证明的渐近行为的幂级数的系数的近似表达式的基础。
2012-08-29 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Bubble Dynamics in a Two-Phase Medium
自Gilmore的早期工作以来，可压缩液体中气泡的球形动力学已经被广泛研究。数值代码研究的行为，包括当涉及大的非球形变形，已经开发出来，并已被证明是准确的。然而，当气泡周围的介质的可压缩性主要由气泡混合物的存在提供时，情况是不同的，并且常识不太先进。在DYNAFLOW公司目前正在进行的一项工作中，在包括非常细的气泡的水混合物中的初级相对大的气泡的动力学正在被实验研究，并且结果被提供给几个并行的正在进行的分析和数值方法。主/初级气泡是由放置在气泡介质中的两个同心电极的水下火花放电产生的，所述气泡介质是使用电解产生的。细垂直线的网格用于产生不同强度的气泡分布。主气泡的尺寸由放电电压、电容器尺寸和施加在容器中的压力控制。细气泡的尺寸和浓度可以通过电解电压、线的长度、直径和类型以及施加在容器中的压力来控制。这使得参数研究的因素控制的动力学的主要气泡和气泡的特征量之间的关系，如最大气泡半径和气泡周期和周围的两相介质的特性：微气泡的尺寸和空隙率的发展。
2010-10-26 physics.flu-dyn
Spatial and temporal scales of force and torque acting on wall-mounted spherical particles in open channel flow
来自在2900的整体雷诺数下几何粗糙壁上的明渠流的直接数值模拟的数据，由Chan-Braun等人[“Force and torque acting on particles in a transitionally rough open-channel flow”，J. Fluid Mech.684，441- 474（2011），10.1017/jfm.2011.311]中所述的方法，进一步分析了作用在壁装球体上的力和扭矩的时间和长度尺度。对于正方形布置的两种尺寸的球体（直径为11和49个壁单元，分别产生水力平滑和过渡粗糙流），研究了阻力、升力和展向扭矩的空间结构。给出了时间上的自相关和谱，以及时空相关和对流速度，并进行了讨论。发现展向质点扭矩的统计特性与光滑壁面处剪应力的统计特性相似。粒子阻力和升力被证明不同于展向粒子扭矩，表现出相当小的时间和长度尺度;阻力和升力的对流速度略大于展向扭矩。此外，流场和颗粒相关的量之间的相关性。流向速度和阻力/展向扭矩之间的相关性的空间结构的特征细长的形状，让人想起缓冲层条纹。压力场和颗粒阻力之间的相关性表现出两个相反的符号凸起的上游和下游侧的颗粒。
2013-06-04 physics.flu-dyn
Mathematical modelling for acoustic microstreaming produced by a gas bubble undergoing asymmetric oscillations
本文通过将一阶、二阶涡量场分解为极向与环向分量，并利用球谐函数描述界面非球形畸变，建立了非对称振荡气泡诱导声微流的精确理论解。
2025-03-13 physics.flu-dyn
A stochastic force model for a finite-size spherical particle in turbulence
本研究通过粒子解析直接数值模拟（PRDNS），针对湍流中有限尺寸球形粒子开发了一种包含平均阻力经验关联式与基于Langevin方程的随机脉动力模型，该模型仅需平均流速、湍流动能和耗散率作为输入，易于与RANS方法结合。
2025-05-28 physics.flu-dyn
Predicting Complex Non-spherical Instability Shapes of Inertial Cavitation Bubbles in Viscoelastic Soft Matter
软物质中的惯性空化是生物和工程过程中的一种重要现象。实验，理论和数值技术的最新进展提供了进入一个充满非线性物理学的世界，但迄今为止，我们大多数的定量理解一直集中在一个球对称描述的空化过程。然而，空化气泡的生长和破裂很少以完全对称的方式发生，特别是在软材料中。预测动态产生的非球形不稳定性的发生仍然是一个重大的，未解决的挑战，部分原因是由于周围的非线性粘弹性固体引入的额外的本构复杂性。在这里，我们提供了一个新的理论模型，能够准确地预测发病的非球形不稳定形状的气泡在软材料中明确占所有相关的非线性相互作用之间的流体状空化气泡和固体状的环境。与高分辨率的实验图像在聚丙烯酰胺（PA）水凝胶激光诱导空化事件的比较显示出良好的一致性。有趣的是，并与实验结果一致，我们的模型预测出现各种动态不稳定形状的环向拉伸比大于一个相反，最准静态的调查。我们的新理论框架不仅提供了前所未有的洞察力在软固体中的空化动力学，但它也提供了一个定量的手段来解释气泡动力学相关的广泛的工程和医学应用以及自然现象。
2021-04-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Asymmetric deformations of a perturbed spherical bubble in an incompressible fluid
本文研究不可压缩流体中受非对称小扰动的球形气泡演化，证明平衡气泡必为球形，并分析等压近似下线性化初值问题，揭示热阻尼下模型全局适定但非径向分量无阻尼振荡，而黏性耗散导致不适定，指出需引入涡量或气体压力非均匀性才能准确描述一般变形。
2024-08-07 math-ph math.AP math.MP
When sound slows down bubbles
我们提出的实验证据表明，气泡在流体中移动，其中一个精心挑选的声学噪声叠加可以显着减慢中等声压。通过平均速度的测量，我们表明，这种效果发生的条件是声学噪声频谱匹配或重叠的气泡的基本共振模式。通过使用高速视频渲染气泡的振荡和平移运动，我们证明径向振荡对平均速度没有影响，而在临界声压阈值以上，法拉第波被触发，并负责气泡的阻力增加。
2010-04-06 nlin.CD nlin.PS physics.flu-dyn
The drag of a filament moving in a supported spherical bilayer
本研究使用细长体理论计算了支撑型双层膜中丝状蛋白的平移与旋转阻力，发现阻力随长度呈线性或二次增长，并在统一框架下阐明了膜性质及内外流体对蛋白阻力的影响。
2023-09-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
