The Hama Problem revisited: essential mixing in a free shear flow
我们重新讨论了弗朗西斯·哈马在他1962年的流体物理学文章《扰动剪切流中的条纹线》中首次提出的一个问题。使用一台新的计算机，哈马计算了包含非放大、正弦、行波扰动的无粘剪切流的条纹线和轨迹线。他发现，这种简单的流场和扰动产生了直观的轨迹线，然而，由此产生的条纹线并不明显，而且比轨迹线复杂得多。他利用这项工作来强调理解流动可视化和测量技术之间的差异的重要性，不同的技术可能会揭示有关流动的真实特征或行为的不同信息。这项工作重温哈马问题，并提出了在流体动力学视频准备的2013年画廊的流体运动的原始发现。
2013-10-06 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
Assessing Effectiveness of Pulsed Input on Mixing Characteristics of Non-Newtonian fluids in T-shaped Channels
微流体中试剂的混合对于各种应用是必要的，然而，由于流动的层流性质，在小的长度和时间跨度内的有效混合变得困难。非牛顿流体的混合分析是至关重要的，因为它们在实际应用中经常遇到。为此，我们研究了一种有效的方法，用于混合非牛顿流体的脉动速度入口条件。在本研究中，非牛顿流体的模拟使用幂律模型与不同的流体流变学从剪切增稠剪切变稀。为了增强混合，采用了改变相位角和频率的脉冲速度入口条件，并与恒速入口条件进行了比较。我们证明了使用脉冲速度入口条件的增强混合，并且对于剪切稀化流体（n=0.6）的情况，使用相位差为180°的脉冲输入速度和考虑频率为5Hz实现了97.6%的最大混合。在相同条件下，牛顿流体和剪切增稠流体的混合指数分别为89.1%和85.2%（n=1.4）。本文的研究结果将有助于设计在较小的长度和时间跨度内有效混合非牛顿流体的微混合器。
2022-08-31 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
Sensitivity of vortex pairing and mixing to initial perturbations in stratified shear flows
采用直接数值模拟（DNS）方法，研究了不同初始扰动对Kelvin-Helmholtz不稳定性和涡对作用下剪切层流演化的影响。背景流的纯随机扰动的影响对扰动的次谐波分量的相位敏感，该扰动的波长是开尔文-亥姆霍兹不稳定性的波长的两倍。如果Kelvin-Helmholtz模和它的次谐波模之间的相位关系是最佳的，或者接近最佳，则发生涡旋配对。当存在相位差时，涡配对被延迟，并且该延迟随着相位差的增加而增加。在三维模拟中，如果相位差足够大，则涡旋配对被抑制，从而降低混合量和混合效率。对于一个足够接近最佳相位的给定相位差，流动对特征值扰动的响应与对随机扰动的响应非常相似。除了传统的诊断，我们定量地表明，在一个随机扰动的非模态傅立叶分量迅速演变为模态和描述的过程中使用拉格朗日轨迹的涡配对。
2018-11-27 physics.flu-dyn
Variable-density effects in incompressible non-buoyant shear-driven turbulent mixing layers
使用不可压缩（低速）的直接数值模拟时，混合层涉及两种不同密度的可混溶流体的不对称性进行了研究。模拟中进行的时间配置非常大的域的大小，使混合层达到完全湍流自相似增长的延长状态。施加平均密度变化打破了相对于经典的单流体时间混合层问题的平均对称性。与先前的变密度混合层模拟不同，其中流由具有不同热力学性质的相同流体组成，密度变化目前是由于流体流之间的组成差异，导致不同的混合动力学。变密度（非Boussinesq）效应在流量统计中引入了强烈的不对称性，这可以解释为随着自由流密度差的增加，最强的湍流越来越多地迁移到较轻的流体侧。界面厚度增长率也会降低，某些厚度定义对密度和流向速度剖面之间的对齐的相应变化特别敏感。在混合层内的一个给定位置的密度的统计分布的意义上的额外的不对称性揭示，湍流的细尺度优先维持在较轻的流体，这也是最快的混合发生。这些效应影响涉及密度波动的统计数据，这对混合和对混合动力学敏感的更复杂的现象（如燃烧）具有重要意义。
2020-06-24 physics.flu-dyn
Experimental properties of continuously-forced, shear-driven, stratified turbulence. Part 2. Energetics, anisotropy, parameterisation
在第二部分中，我们进一步研究了分层倾斜管道（SID）中的两层交换流的实验特性，这是湍流的，强分层的，剪切驱动的，和连续强迫的。我们使用与第1部分中相同的核心剪切层方法分析相同的最先进的数据集，但我们在这里关注湍流能量学和混合统计。动能和标量能量预算的详细分析揭示了SID湍流的特异性和缩放，而能量谱提供了我们的实验数据的电流强度和局限性的洞察。流动在不同尺度下的各向异性表征了湍流动能的产生和Holmboe波和湍流的耗散机制。然后，我们评估标准的混合parameterisations模型依赖于均匀的涡流扩散系数，混合长度，通量参数，浮力雷诺数或湍流弗劳德数，我们比较有代表性的值与分层混合文献。这些措施的可控流动参数的混合的依赖性也阐明，提供渐近估计，可以外推到更强烈的湍流，量化的产品的倾斜角的管道和雷诺数。这些见解可以作为未来一代的实验数据的基准，具有优越的时空分辨率，需要探测日益激烈的湍流。
2021-03-16 physics.flu-dyn
Mixing layer and turbulent jet flow in a Hele--Shaw cell
本文研究了两个相对封闭的刚性壁面间理想均匀流体剪切流动中的平面湍流混合。流动的性质是由在Kelvin-Helmholtz不稳定性发展的非线性阶段产生的涡的相互作用和湍流摩擦决定的。在浅水理论和三层流动表示的框架内，提出了混合层的一维模型。所得到的方程允许一个来确定强烈的流体混合的区域的平均边界。稳态解的控制方程的构造和分析。利用由一维方程得到的平均流动特性，导出了确定混合层速度分布和雷诺剪应力的双曲线方程组。与实验结果的比较表明，在Hele-Shaw细胞的湍流射流的演变表明，所提出的模型提供了一个相当准确的描述的平均边界的区域的强烈混合，以及速度分布和雷诺剪应力的混合层。
2020-03-14 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
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
The interaction between shear and fingering (thermohaline) convection
指状对流是一种湍流混合过程，当平均分子量随半径增加时，可在恒星辐射区发生。在某些情况下，它可以对恒星的结构和演化产生重大的可观察影响。Brown等人（2013）已经研究了指进对流作为独立过程的混合效率，但其他过程（如旋转、磁场和剪切）也会影响混合效率。本文首次研究了剪切对指进（热盐）对流的影响。使用直接数值模拟，我们发现，适量的剪切（这是不是本质上剪切不稳定）总是降低指状对流的混合效率，由于它赋予的指状结构的倾斜。我们提出了一个简单的分析扩展的布朗等。（2013）模型在剪切的存在下，令人满意地解释了数值推导的湍流成分混合系数为中等剪切率，可以平凡地实现在恒星演化代码。我们还测量从数值模拟的湍流粘度，并发现后者是强烈的湍流成分混合系数。观测的影响和警告的模型进行了讨论。
2019-05-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Investigation of Mixing Characteristics in Strut Injectors using Modal Decomposition
数值研究了大尺度涡结构对剪切层混合和扩展的影响。本文研究了两种支板结构，即直支板和锥形支板，在两种对流马赫数（Mc = 1.4和0.37）和两种喷流高度（0.6和1 mm）下的流动特性。在马赫数为2的来流中，氢气射流通过二维狭缝喷入。模拟和实验数据之间的良好协议被见证，而瞬时数据揭示了各种大尺度结构的存在下，在流场。从瞬时场可以明显看出，两种几何形状具有不同的旋涡破裂位置。还注意到，涡破裂的早期开始表现为混合层厚度的增加，其效果反映在整体混合特性中。结果表明，剪切强度对近场混合起着重要的作用。较高的剪切强度促进了大涡的产生。分析表明，SS-0.6的情况下，提供了最高的混合效率由相对大尺度结构占主导地位。通过本征正交分解（POD）得到的本征模证实了主导结构的存在，并揭示了涡配对/合并和崩溃所涉及的一系列事件。动态模态分解（DMD）也加强了通过POD进行的观察。
2021-01-28 physics.flu-dyn
Enhanced reaction kinetics and reactive mixing scale dynamics in mixing fronts under shear flow for arbitrary Damköhler numbers
不同化学成分的流体相互混合的混合前沿通常受到速度梯度的影响，由于渗透率变化和流线几何形状，速度梯度的范围从孔隙尺度到集水尺度。这些过程的一个共同特征是混合界面因剪切而产生应变。根据代表特征扩散时间与特征平流时间之比的Péclet数$Pe$和代表特征扩散时间与特征反应时间之比的Damköhler数$Da$，局部反应速率可受到混合界面动力学的强烈影响。这种影响主要在动力学限制或混合限制条件下表征，即对于非常低或非常高的$Da$。在这里的耦合的剪切流和化学反应性的任意Damköhler数，为双分子反应和初始界面与分离的反应物进行了研究。近似的分析表达式的全球生产率和反应混合规模的基础上得到的反应层的方法，允许拉伸增强混合和化学反应之间的一般耦合。而对于$Pe<Da$，反应动力学和拉伸效应是解耦的，我们称之为“弱拉伸”的情况下，对于$Pe>Da$，我们发现了一个“强拉伸”的情况下，新的标度律出现从反应动力学，扩散和拉伸之间的相互作用。分析结果与数值模拟进行了验证。这些研究结果揭示了流动的非均匀性对增强化学反应的影响，以及从动力学限制到混合限制情况的广泛系统的反应性的空间局部热点的创建。
2016-04-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Sharp uniform-in-diffusivity mixing rates for passive scalars in parallel shear flows
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Imperial College London（帝国理工学院）
该研究通过解析算子和点估计方法，证明了平行剪切流中被动标量的最优均匀扩散率，并验证了形式渐进行描述。
2025-11-23 math.AP physics.flu-dyn
Compressibility effects on the scalar mixing in reacting homogeneous turbulence
通过直接数值模拟（DNS）产生的数据，研究了可压缩性和反应热对衰减各向同性湍流和均匀剪切流中标量混合的影响。该反应被建模为一步，放热，不可逆和Arrhenius型。对于剪切流模拟，标量耗散率以及机械耗散与标量耗散的时间尺度比受压缩性和反应的影响。考虑归一化混合分数梯度方差的输运方程和混合分数梯度与螺线管应变率张量的特征向量之间的相对取向来解释这种效应。
2002-09-13 physics.flu-dyn
Information-optimal mixing at low Reynolds number
该研究以互信息作为低雷诺数混合效率的无假设度量，推导了平面剪切流中互信息的表达式，求解了不同约束下的最优剪切控制，发现最优协议具有通用性和时间反演对称性，确立了非平衡漂移-扩散系统的信息擦除最低能耗。
2025-06-18 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Reacting and Non-reacting, Three-dimensional Shear Layers with Spanwise Stretching
本文分析了在边界层近似下，在混合、化学反应和外加法向应变作用下，三维定常层流剪切层流在空间上的发展。所施加的应变产生了一个逆流，使涡量沿展向伸展。方程简化为三个速度分量的二维形式。考虑Damköhler数、Prandtl数、化学成分和自由流速度比等参数输入，数值求解了二维形式的控制方程的非反应和反应情况。非反应性情况的分析集中在较热的气态氧和较冷的气态丙烷之间的混合。自由流应变率κ由常微分方程根据施加的展向压力变化预测。一步化学动力学被用来描述扩散火焰和多火焰结构。施加的法向应变率对下游混合层的宽度以及燃烧速率有显著的影响。在下游方向上，如果施加的法向应变率是常数，则剪切层的宽度渐近地为常数。当外加应变率随下游距离的倒数减小时，得到了层宽随下游距离的平方根增大的类似解。
2022-09-12 physics.flu-dyn
Two pathways to diapycnal mixing in strongly stratified flows with no initial vertical shear
Department of Applied Mathematics, Baskin School of Engineering, University of California Santa Cruz（加州大学圣克鲁兹分校巴斯金工程学院应用数学系）
研究无初始垂直剪切的强分层流中湍流的两条路径：一条通过水平剪切不稳定的垂直调制模态产生垂直剪切，进而触发开尔文-亥姆霍兹不稳定性；另一条通过垂直不变模态演化出二维涡旋，再经三维双曲不稳定性产生垂直剪切，最终导致小尺度混合。
2026-06-12 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Energy transfer, Intermittency and Mixing in Shear-Driven Stratified Turbulence
Indian Institute of Technology Kharagpur（印度理工学院卡拉格普尔分校）
通过直接数值模拟研究不同弗劳德数下分层剪切湍流的能量传递、间歇性和混合，发现中间分层区间出现垂直剪切水平流并增强混合，能谱正向传递为主，强分层增强间歇性，混合系数约为0.1。
2026-07-03 nlin.CD physics.flu-dyn
Absolute/convective secondary instabilities and the role of confinement in free shear layers
混合层可以在时间或空间上通过以几乎自相似的方式彼此相继的涡旋配对来增长。我们使用一个点涡模型来研究如何限制最终限制这个增长过程中，导致我们提出了一个波长选择机制的自由剪切层逆流。
2018-05-07 physics.flu-dyn
Modal analysis of oblique shock-induced flow dynamics in a supersonic reacting shear layer
该研究利用DNS和sDMD对比有无斜激波撞击的惰性与氢-空气反应剪切层，揭示激波与热释放对不稳定性、模态能量及混合增强的耦合作用。
2025-05-12 physics.flu-dyn
Mixing in stratified gravity currents: Prandtl mixing length
分层流中剪切引起的垂直混合是温盐环流的一个重要组成部分。我们实验确定的垂直通量的动量和密度的强制重力流使用高分辨率的速度和密度测量。一个恒定的涡流粘度模型提供了一个穷人的物理混合的描述，但普朗特混合长度模型的动量和密度通量的平均速度和密度梯度的作品。对于$<Ri_g > \approx 0.08$和$Re_λ\approx 100$，混合长度是相当恒定的，大约相同的大小，与湍流剪切长度相当。
2009-03-06 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Recovery of the wall-shear stress to equilibrium flow conditions after a rough-to-smooth step-change in turbulent boundary layers
本文研究了湍流边界层粗糙到光滑突变后壁面切应力的恢复，发现粘性区域立即恢复平衡，缓冲区及更远区域需数个边界层厚度，且速度剖面估计会低估切应力，导致文献恢复长度存在分歧。
2023-08-03 physics.flu-dyn
Turbulent transport by diffusive stratified shear flows: from local to global models. Part II: Limitations of local models
本文继续本系列第一部分开始的扩散剪切不稳定性的系统研究。在这项工作中，我们主要集中在量化的影响，非本地混合，这是不考虑在Zahn的混合模型\citep{Zahn92}。我们提出了一个新的模型设置，旨在包含共存的层流和湍流剪切层的直接数值模拟的结果。与第一部分一样，我们使用\citet{Lign1999}的低Péclet数近似来模拟扰动的演化。我们的主要发现有两个方面。首先，湍流不一定是在满足Zahn的非线性准则\citep{Zahn1974} $J{\rm Pr} < (J{\rm Pr})_c$时产生的，其中$J=N^2/S^2$是局部梯度Richardson数，${\rm Pr} = ν/ κ_T$是普朗特数，而$(J{\rm Pr})_c \simeq 0.007$。我们已经证明，在这个极限中，湍流混合的存在或不存在滞后地取决于剪切层的历史。第二，Zahn的非线性不稳定性准则仅大致定位于湍流层的边缘，并且混合超出$J{\rm Pr} < (J{\rm Pr})_c$也可以以类似于对流过冲的方式发生的区域。我们发现，湍流动能在剪切不稳定区的边缘外大致呈指数衰减，其长度尺度$δ$与湍流涡旋的尺度成正比，而湍流涡旋的尺度本身是赞恩尺度的量级（见第一部分）。我们的研究结果表明，混合扩散剪切不稳定性应建模更小心比目前标准的恒星演化代码。
2018-06-07 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Effects of mean flow skew on turbulent shear layers. Part II. Experimental investigation
Cornell University（康奈尔大学）；University of Maryland（马里兰大学）
通过实验方法生成并表征偏斜湍流混合层，发现平均流偏斜使平均和湍流量系统性降低约40%，但基本动力学特性不变，结构参数保持恒定。
2026-06-12 physics.flu-dyn physics.soc-ph
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
Buoyant turbulent mixing in shear layers
不稳定分层混合层中的浮力效应通过重流体的重力流来表达，该重力流在周围较轻的流体中传播。在许多地球物理流动、工业安全和环境保护问题中都会遇到这些电流。在过渡到湍流的过程中，含有“重”或“轻”流体的区域之间的分离界面出现强烈的扭曲。该接口的复杂性将用于监控混合的进度。我们专注于增强的表面积和“表面的分离界面”作为重力效应的结果。我们还表明，这个过程可以相当准确地模拟使用动态亚网格建模的大涡模拟。然而，定义为滤波器宽度Delta和网格间距h之间的比率的亚网格分辨率应当足够高以避免由于空间离散化误差效应而导致的污染。
2002-02-28 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
The viscous Holmboe instability for smooth shear and density profiles
Holmboe波不稳定性是分层剪切不稳定性的经典例子之一，通常被解释为重力波和涡度波之间的共振的结果。历史上，通过无限雷诺数下的线性稳定性分析（$Re$）和在已知无粘线性稳定性结果不稳定的区域中相对较低的$Re$下的直接数值模拟对其进行了研究。在本文中，我们进行线性稳定性分析的经典的“黑兹尔模型”的分层剪切层（其中的背景速度和密度分布被假定为具有不同的特征垂直尺度的双曲正切函数形式）在一系列不同的参数在有限的$Re$，发现新的不稳定区域的参数空间。特别是，我们发现不稳定时，理查森数是处处大于$1/4$，在那里的流量将是稳定的无限$Re$的迈尔斯-霍华德定理。我们发现不稳定的模式，没有临界层，并表明，尽管新的不稳定的粘度的必要性，相对于扩散的背景配置文件的增长率最大化在大$Re$。我们用这些结果来阐明分层剪切不稳定的波共振和过度反射的解释。我们认为Holmboe不稳定的定义，其特征在于通过传播的涡流以上或以下的剪切层，而不是任何参考尖锐的密度接口。
2019-11-22 physics.flu-dyn
Dynamics of a droplet in shear flow by smoothed particle hydrodynamics
本文利用多相SPH方法系统研究剪切流中液滴的变形与破碎，通过生成五维相图确定临界毛细数，并预测了空气中水滴破碎的临界条件。
2023-07-06 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
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
Flows and mixing in channels with misaligned superhydrophobic walls
具有相同纹理取向的对齐的超疏水表面减少通道中的阻力，并产生横向于所施加的压力梯度方向的二次流。在这里，我们表明，横向剪切可以很容易地产生通过使用超疏水通道与错位纹理表面。我们提出了一个通用的理论方法来量化这种横向流动引入一个有效的剪切张量的概念。为了说明它的使用，我们提出了近似的理论解和耗散粒子动力学模拟条纹超疏水通道。我们的研究结果表明，横向剪切导致复杂的流动模式，这提供了一个新的机制的被动垂直混合在一个纹理周期的尺度。根据雷诺数的值，会出现两种不同的情况。在相对较低的雷诺数下，流动表现为叠加有两个同向旋转涡的横向剪切。对于较大的雷诺数，这些涡成为孤立的，通过抑制横向方向上的流体输送。
2015-03-14 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.flu-dyn
Modeling coexisting GSF and shear instabilities in rotating stars
Zahn的旋转剪切诱导的湍流混合的广泛使用的模型最近在非旋转剪切流中得到了验证（有一些警告）。然而，目前尚不清楚他的模型在旋转存在的情况下是否仍然有效，即使这是其最初的目的。此外，在旋转流体中会出现新的不稳定性，例如Goldreich-Schubert-Schuberke（GSF）不稳定性。当一个以上的不稳定性可以被激发时，哪种不稳定性占主导地位，以及它们如何相互影响，是本文回答的开放性问题。要做到这一点，我们使用直接数值模拟的扩散分层剪切流在旋转的三分之一周期笛卡尔域位于赤道的一颗星。我们发现，GSF不稳定性或剪切不稳定性往往接管另一个在控制系统，这表明恒星演化模型只需要有一个混合处方为每个单独的不稳定性，连同一个标准，以确定哪一个占主导地位。然而，我们也发现，它并不总是容易预测的不稳定性“赢”给定的输入参数，因为扩散剪切不稳定性是亚临界的，只有发生，如果有一个有限振幅的湍流“引物”种子it. Interesting，我们发现，GSF不稳定性可以在某些情况下发挥这个引物的作用，从而提供了一条途径，激发亚临界剪切不稳定性。这也可以驱动可以观察到的弛豫振荡。最后，我们提出了一个新的模型混合在赤道地区的恒星辐射区由于差分旋转。
2021-07-08 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Early onset of secondary shear instability in Kelvin-Helmholtz braids at high Reynolds number
研究高雷诺数下凯尔文-赫姆霍兹辫状结构中二次剪切不稳定性早期出现的机制，通过改进经典分析并引入新的稳定性判据，揭示了不稳定性早期发展的原因及粘性对混合过程的影响。
2026-04-17 physics.flu-dyn
Prandtl's extended mixing length model applied to the two-dimensional turbulent classical far wake
尽管Prandtl的混合长度模型有其局限性，但它被广泛应用于湍流自由剪切流动的模拟。普朗特的扩展模型解决了原始模型的许多不足，但并没有得到广泛的应用，部分原因是在其推导和实现过程中出现了额外的数学复杂性。此外，在这两种模型中，普朗特忽略了运动粘度，因为它的大小比湍流粘度小得多。最近的工作表明，在原始模型中包括运动粘度具有数学和物理优势。在目前的工作中，提供了一种新的推导的扩展模型，它表明，类似的优点再次获得时，包括运动粘度。此外，通过使用缩放技术，相似的平均速度配置文件的扩展模型的推导，导致在一个单一的非线性常微分方程，数值求解与Hermite谱方法。归一化相似平均速度和剪切应力的计算配置文件进行比较，实验观察，并显示出良好的协议。
2021-01-21 physics.flu-dyn
Irreversible mixing by unstable periodic orbits in buoyancy dominated stratified turbulence
我们认为湍流驱动的大规模水平剪切Kolmogorov流（即正弦体强迫）和背景线性稳定分层与浮力频率$N_B^2$施加在第三，垂直方向的流体中的运动粘度$ν$。这种流动是已知的组织成层的非线性不稳定的稳定状态，倾斜的垂直背景剪切，可以证明是有限振幅饱和的一系列不稳定性，最初从层流状态。在这里，我们调查的下一个顺序的运动在这个系统中，即依赖于时间的机制，密度场是不可逆的混合。这项调查是使用“循环流分析”。我们确定（不稳定）的周期性轨道，这是嵌入在湍流吸引子，并使用这些轨道作为代理的混沌流。我们发现，适当测量流动“混合效率”的时间平均值$\mathscr{E}= χ/(χ+\mathcal{D})$（$\mathcal{D}$是体积平均动能耗散率，$χ$是体积平均密度方差耗散率）随时间平均浮力雷诺数$\overline{Re}_B= \overline{\mathcal{D}}/(νN_B^2)$非单调变化，并以$1/6$为界，与Osborn（1980）的经典模型一致。在低$\overline{Re}_B \sim O(1)$下具有较低不可逆混合效率的不稳定轨道和在中等$\overline{Re}_B \sim 10$下具有接近最佳$\mathscr{E} \lesssim 1/6$的不稳定轨道之间存在质的不同的物理性质。较弱的轨道，不可避免地嵌入在更强的分层流，其特征在于应变或“冲刷”…
2017-09-11 physics.flu-dyn
Mixing Fronts in Smooth Chaotic Flows
Univ Rennes, CNRS, Geosciences Rennes（雷恩大学，法国国家科学研究中心，雷恩地球科学）；School of Chemical and Environmental Engineering, RMIT University（皇家墨尔本理工大学化学与环境工程学院）
研究光滑混沌流中混合前沿的标量波动，提出理论框架描述其演化，推导出浓度方差的闭合表达式，适用于不同皮克数范围的模拟结果。
2026-05-15 physics.flu-dyn
Coriolis force-based instability of a shear-thinning microchannel flow
基于科里奥利力的不稳定性机制，在处理剪切稀化流体如血液的快速旋转便携式装置上，对于通过与合适的试剂混合最终检测疾病是至关重要的。基于这一命题，本研究采用Carreau流变定律对旋转微通道中剪切稀化流体进行了模态稳定性分析。当微通道被刻在基于旋转光盘（CD）的装置上时，离心力充当驱动流动的驱动力，并且科里奥利力通过使流动不稳定而在显著短的跨度内增强混合过程。一个OrrSommerstan-Squire分析进行探讨的作用，这些力量的线性稳定性的旋转剪切变稀流。有流向扰动的剪切稀化流动的研究结果表明，粘性扰动下流动转变的临界雷诺数约为无粘性扰动时临界雷诺数的一半。与此形成鲜明对比的是，考虑展向扰动的本分析表明，在旋转效应下，有粘性扰动和无粘性扰动的临界雷诺数几乎保持不变。然而，粘度变化对基于科里奥利力的不稳定性没有显著影响。数值结果表明，在科里奥利力的作用下，通道内产生二次流，从而使通道发生严重的失稳。有趣的是，在较低的时间常数的不稳定性所对应的滚动细胞表现出两个不同的涡的存在，和较强的一个中心基本上是朝着不稳定的分层区域解决。此外，对于较高的时间常数值，只有一个涡流占据整个通道。
2020-02-18 physics.flu-dyn
Understanding hydrodynamical wave-driven shear mixing in stellar radiation zones. Looking in the mirror of the dyapicnal oceanic mixing
Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；Université Paris Cité（巴黎西岱大学）；CEA（法国原子能和替代能源委员会）；CNRS（法国国家科学研究中心）
通过类比海洋中的Osborn & Cox能量平衡，证明了恒星辐射区中由低频内重力波垂直剪切不稳定性引起的有效扩散率与波能耗散和浮力通量相关。
2026-05-25 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Horizontal shear instabilities at low Prandtl number
在大多数恒星演化模型中，恒星辐射区的湍流混合通常要么被忽略，要么被粗略地解释。然而，越来越多的理论和观测证据表明，这种混合是存在的，并且可以影响恒星生命的各个方面。在这项工作中，我们提出了第一次尝试量化混合水平剪切不稳定性的恒星使用直接数值模拟。剪切力由体积力驱动，并迅速变得不稳定。在饱和时，我们发现存在几种不同的动力学机制，这取决于分层和热扩散的相对重要性（原则上粘度也很重要，但在大多数恒星应用中通常可以忽略不计）。在每个确定的制度，我们提出了一定数量的理论激励的标度律的湍流垂直涡尺度，典型的湍流扩散系数，和典型的温度波动幅度（等量）。根据我们的研究结果，我们预测大多数恒星应该属于两类之一：高Péclet数分层湍流和低Péclet数分层湍流。后者在Cope et al.（2020）的相关论文中详细介绍，而前者在这里讨论。将我们的结果应用于最著名的恒星剪切层，即太阳速度跃层，我们发现它应该处于高佩克莱数分层湍流状态，并预测温度、动量和成分的大量垂直混合。照这样看来，新的湍流模型预测与Spiegel & Zahn（1992）的太阳速跃层模型是不相容的。然而，我们也表明，旋转和磁场可能会影响湍流，需要考虑在未来的研究。
2020-06-12 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Shear-induced breaking of internal gravity waves
本研究通过直接数值模拟揭示正弦剪切流与大振幅内重力波相互作用导致波破碎的机制，发现线性射线理论可定性预测早期演化，且剪切驱动的卷曲结构主导混合，混合效率与开尔文-亥姆霍兹不稳定性相当。
2021-06-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Mixing layer instability and vorticity amplification in a creeping viscoelastic flow
我们报告的定量证据混合层的弹性不稳定性的粘弹性流体流动之间的两个相距甚远的障碍物阻碍了通道流在$Re\ll1$和$Wi\gg1$。在障碍物之间的区域形成了两个剪切速度分布不均匀的混合层。混合层的不稳定性出现在附近的拐点上的剪切速度剖面上的弹性应力的急剧变化。不稳定性的结果在混合层中的小涡的间歇性外观和放大的时空平均涡的弹性湍流制度。后者的特征在于通过与$Wi$的摩擦因子的标度，以及压力和速度谱。此外，报告的观察提供了改进的理解的粘弹性流体中的混合层的稳定性在大的弹性，即$Wi\gg1$和$Re\ll1$，并反对目前的观点，抑制涡度仅由聚合物添加剂。
2018-09-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Mixing and enhanced dissipation in a time-translating shear flow
School of Mathematics and Physics, University of Surrey（萨里大学数学与物理学院）；Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management, Politecnico di Bari（巴里理工大学机械、数学与管理系）
研究时间平移剪切流中混合与增强耗散的机制，通过分析无粘运输问题和改进的耗散理论，揭示扩散率与平移速度的关系，以及临界点对耗散的影响。
2026-03-15 math-ph math.AP math.MP
On Holmboe's instability for smooth shear and density profiles
本文研究了光滑密度剖面下剪切分层流的线性稳定性。这项工作的重点是流动的Kelvin-Helmholtz和Holmboe不稳定性的稳定边界的性质。对于一个固定的Richardson数的不稳定模式被限制在有限的频带之间的最小和最大的边缘不稳定波数。本文的结果表明，小波数的稳定性边界是由中性模式的相速度等于最大/最小风速，而其他的稳定性边界，大波数，是由奇异的中性模式的相速度的速度剪切的范围内。我们展示了如何在不像以前那样求解整个参数空间的增长率的情况下评估这些稳定边界。结果进一步表明，有一个新的不稳定域，以前没有注意到在文献中。不稳定模式，在这个新的不稳定域中，出现较大的理查森数的值，并与内部重力波频谱的高次谐波。
2005-06-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Shear flow of dense granular materials near smooth walls. I. Shear localization and constitutive laws in boundary region
我们报告一个简单的二维模型的颗粒材料的剪切流的数值研究控制的正应力之间的两个平行的光滑，摩擦壁，以相反的速度$\pm$ V移动。离散模拟，这是在密集的磁盘组件的接触动力学方法进行的，揭示了，不像粗糙的壁由颗粒的股，光滑的可以导致剪切应变局部化的边界层。具体地说，我们观察到，当V减小时，首先是类流体状态（A），其中整个颗粒层被剪切，除壁附近外具有均匀的应变率;然后是（B）对称的速度分布，中间有一个固体块，应变集中在壁附近，最后是（C）对称性破缺的状态，其中剪切速率被限制在一个边界层，而大部分材料与相对的壁一起移动。这两种转变都与系统大小无关，并且发生在特定的V值下。瞬态时间进行了讨论。我们发现，第一个过渡，制度A和B之间，可以推导出本构关系确定的散装材料和边界层，而第二个可能与不稳定的行为的边界层。边界区本构关系，但是，观察到取决于附近的散装材料的状态。
2012-10-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.class-ph
Turbulent transport by diffusive stratified shear flows: from local to global models. III. A closure model
能够解释恒星辐射带中缺失的混合是更好地理解恒星演化的关键一步。Zahn（1974）认为，热扩散剪切诱导湍流可能是造成这种混合的原因。在本系列论文的第一部分和第二部分中，我们证明了当湍流的性质是局部的时，Zahn（1974，1992）的混合模型是适用的。但是，我们也发现了局限性的模型时，这种局部性条件失败，特别是附近的湍流区域的边缘。在本文中，我们提出了一个二阶闭合模型的动量和化学物质的传输剪切诱导湍流在强分层，热扩散环境（所谓的低Péclet数限制），这是建立在Garaud \& Ogilvie（2005）的工作。直接数值模拟（DNSs）的比较表明，该模型是能够预测的平均流量和应力张量（包括动量输运）在扩散剪切流的垂直剖面，往往具有相当好的精度，至少在一个因素的顺序统一在最坏的情况下。该模型非常简单，可以在恒星演化程序中实现，并且所有的模型常数都已针对DNSs进行了校准。虽然它的使用仍然存在重大的限制（例如，它只能用于低佩克莱数，缓慢旋转的限制），我们认为，它是更可靠的比大多数天体物理学的处方，用于恒星演化模型今天。
2018-03-30 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Turbulent mixing driven by mean-flow shear and internal gravity waves in oceans and atmospheres
本研究从Baumert和Peters（2004，2005）根据Itsweire（1984）和Rohr和Van Atta（1987）在通道和风洞中进行的分层剪切实验结果以及Dickey和Mellor（1980）在静止分层容器中进行的自由衰变实验结果推导出的平衡开始。通过修改Canuto（2002）关于湍流和波浪的观点，这些平衡与Gregg（1989）提出的无平均流切变的公海（内部）重力波能量平衡相结合。后者增加了线性（粘性）摩擦项。格雷格的波能源解释其长波频谱端的内部潮汐，地形，大尺度风，和大气低压的行动。此外，内部本征波，产生的平均流剪切，和老化的波场从一个virginal（线性）到饱和状态被考虑在内。波包和湍流被视为粒子（涡，包）的系综动力学，使损失项在所有三个平衡有二次型。根据Peters（2008）的提议，纯波浪产生的湍流的混合效率被视为普适常数，中性条件下的湍流普朗特数也是如此。结果表明：（i）在风洞中，本征波被关闭;（ii）由于远距离产生的长波或其它非局部能量源，湍流和波的共存平衡即使在高达$10^3$的Richardson数下也是稳定的;（iii）三方程系统与屏蔽设置（如某些分层实验室流）兼容。与大量观察结果的一致性令人惊讶。Gregg（1989）的波动模型分量和a.m.普适常数分开，方程只包含一个额外的无量纲参数，估计为$Y\approx 1.35.$
2012-07-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Turbulent transport by diffusive stratified shear flows: from local to global models. Part I: Numerical simulations of a stratified plane Couette flow
正如Zahn（1974）所讨论的那样，剪切诱导的湍流在恒星辐射区的动量和化学物质的混合中起着重要的作用。在本文中，我们分析的分层平面Couette流的直接数值模拟的结果，在快速的热扩散的限制，测量的湍流扩散率和湍流粘度的函数的局部剪切和局部分层。我们发现，Zahn（1974）提出的稳定性判据，即梯度Richardson数和Prandtl数的乘积必须小于不稳定性的临界值$(J\Pr)_c$，充分地解释了流动中向湍流的转变，其中有$(J\Pr)_c \simeq 0.007$。该结果恢复并证实了Prat et al.（2016）的先前发现。湍流扩散率和粘性的Zahn模型（Zahn 1992），即混合系数应与热扩散率与梯度Richardson数之比成比例，当按原样应用时，不能令人满意地匹配我们的数值数据。它失败（如预期）在大分层的限制，其中理查森数超过上述阈值的不稳定性，但它也失败的限制，低分层的湍流涡尺度成为有限的计算域的大小。我们提出了一个修正的扩散分层剪切不稳定性的湍流混合模型，现在正确地解释了这两个限制，符合我们的数据令人满意，并恢复Zahn的1992年模型在大雷诺数的限制。
2016-10-14 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Mixing of discontinuously deforming media
材料的混合是许多自然现象和工程应用的基础。不连续变形的存在-如剪切带或壁面滑移-创造了新的混合和传输机制，超出了经典动力系统理论的预测。在这里，我们展示了如何一种新的混合机制结合拉伸切割和洗牌产生指数混合率，量化的积极李雅普诺夫指数，一个不可能的系统与切割和洗牌单独或有界系统与拉伸单独，并证明它在流体流动。虽然动力系统理论提供了一个框架，了解混合在光滑变形介质，不连续混合的理论尚未得到充分发展。需要新的方法来系统化、解释和外推具有不连续变形的系统的测量结果。在这里，我们调查'网络'的拉格朗日不连续性，并表明它们提供了一个模板的整体运输动力学。考虑滑移变形的渐近极限越来越本地化的光滑剪切，我们也证明了一些新的结构引入的不连续变形是类似的结构，在光滑变形系统。
2016-02-16 nlin.CD physics.flu-dyn
Turbulence energetics in stably stratified geophysical flows: strong and weak mixing regimes
传统上，湍流能量学的特征在于湍流动能（TKE），并单独使用TKE预算方程建模。在稳定分层中，TKE由速度剪切产生，并通过粘性耗散和抵抗浮力而扩展。分层效应的特征在于浮力梯度与剪切力平方之比，称为理查森数，Ri。人们普遍认为，在Ri超过临界值Ric时，局部剪切不能维持湍流，并且流动变成层流。我们通过将能量分析扩展到湍流位能和总能量（TPE和TTE = TKE + TPE）来修正这一概念，考虑它们的预算方程，并得出结论，TTE是由剪切在任何分层中维持的保守参数。因此，不存在“能量Ric”，这与流体动力学不稳定性阈值Ric不稳定性相反，其典型值在0.25到1之间变化。我们证明，这个区间，0.25<Ri<1，分离两个不同的湍流制度：强混合和弱混合，而不是湍流和层流制度，作为经典的概念状态。这解释了Ri>>1时自由大气和深海湍流的持续发生，阐明了湍流边界层与自由流动的主要区别，为改进湍流闭合模式提供了依据。
2008-07-11 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Tidally dominated flows past a three-dimensional topography: Wake vortices, turbulence, and mixing
本文利用LES研究越过理想化陡峭海山的潮汐主导流动，揭示尾流涡旋、剪切层和回流区导致的强耗散与混合，并量化其相对内波通量及混合效率。
2025-08-29 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Evolution and characteristics of forced shear flows in polytropic atmospheres: Large and small Péclet number regimes
复杂的混合和磁场产生发生在恒星内部，特别是在有强烈剪切流的地方。为了全面了解这些过程，有必要研究剪切区的复杂动力学。由于目前观测的局限性，有必要通过数值计算来研究不可避免的小尺度动力学。在这里，我们研究直接数值计算的局部模型的不稳定剪切流在一个可压缩的多变流体主要是在一个二维域，在那里我们专注于确定关键参数如何影响的全局属性和特性的饱和湍流相。我们考虑了改变粘度和热扩散率对非线性演化的影响。此外，我们的主要重点是了解饱和相的全局特性，特别是第一次估计剪切区域的扩展，从最初的双曲正切速度分布。我们发现，在饱和制度的混合区的垂直范围通常是由系统的初始理查森数。此外，湍流的特征量，即典型的长度尺度和均方根速度被发现依赖于理查森数，和热扩散率。最后，我们提出了我们的调查结果的饱和流动的“长期”剪切不稳定性在低Péclet数制度与大理查森数。
2018-10-03 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Turbulent Flame Speed Can Increase under Curvature Smoothing
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；University of California at Irvine（加州大学尔湾分校）
研究曲率效应下湍流火焰速度变化，通过构建三维周期性剪切流并引入马克斯坦曲率扩散率，发现能增加有效火焰速度，给出曲率平滑下单调减速反例，揭示局部曲率平滑增强大规模前沿传播的多维机制。
2026-07-29 math.AP physics.flu-dyn
Instability driven by settling and evaporation in a shear flow: a model for asperitas clouds
通过二维和三维的直接数值模拟，我们研究了在[1]所示的乳房云形成的条件下，但增加了背景切变的情况下，水滴从饱和蒸汽的云层中沉降和蒸发到干燥的子云环境中所引起的不稳定性。我们表明，剪切改变云的形成类型的定性，从乳房状到一个新确定的云类型称为asperitas。中间水平的剪切被证明是必要的。切变抑制了小尺度扰动的增长，产生了平滑、持久的结构和较小的混合速率。三维显示，使一个质的差异，不像在乳房云。我们还表明，在非云状的条件下，不稳定性可以是非常不同的。
2021-11-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
