Efficient and Accurate Surrogate Modeling of Turbulent Flows via Space-Dependent Aggregation and Reduced Order Models
SISSA(的里雅斯特国际高等研究学院)
本文提出结合多种湍流模型、空间依赖聚合和非侵入式降阶模型的统一框架,通过神经网络学习聚合权重提升预测精度与效率,验证于周期性山丘和高度依赖突起流动基准测试。
2026-03-16 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
A low-dimensional model predicting geometry-dependent dynamics of large-scale coherent structures in turbulence
我们测试的能力,一般低维湍流模型预测几何相关的大规模相干结构,如对流卷的动力学。该模型由随机常微分方程组成,这些方程是根据纳维-斯托克斯方程推导出的边界几何函数(Brown和Ahlers,2008年)。我们使用立方体容器中的Rayleigh-Bénard对流实验来测试该模型。该模型预测了一种新的模式,在该模式中,对流辊的对齐在对角线之间切换。我们观察到这种模式的测量切换率在30%的预测。
2015-11-03 physics.flu-dyn
Drag Reduction in Homogeneous Turbulence by Scale-Dependent Effective Viscosity
在非牛顿流体力学模型的基础上,通过模拟研究了聚合物添加剂的减阻现象,该模型考虑了聚合物延伸场(构象张量)及其与速度场的相互作用。在均质和壁面有界湍流中都发现了阻力减小。在后一种情况下,它是最近示出的尺度相关的有效粘度的概念,允许定量预测的特性与实验密切对应的减阻。在本文中,我们表明,也阻力减少均匀湍流中的尺度依赖性粘度方面进行了有益的讨论。换句话说,所研究的现象的本质可以通过单独的速度场的“等效”运动方程来重新捕获,其中明智地选择了尺度相关的有效粘度,该粘度简洁地总结了聚合物构象张量场和速度场之间相互作用的重要方面。我们也将在这里阐明均匀流动和有壁流动中减阻的区别.
2004-02-19 physics.flu-dyn
Dynamic multiscaling in magnetohydrodynamic turbulence
本文首次研究了三维均匀各向同性磁流体(MHD)湍流中随时间变化的速度和磁场结构函数的多尺度性。我们推广的形式主义,已经开发了类似的研究中的流体湍流的时间相关的结构函数的MHD。通过在三维MHD湍流壳模型中对这种随时间变化的结构函数进行详细的数值研究,我们得到了等时标度指数和动态标度指数。
2016-11-05 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Size-dependent transient nature of localized turbulence in transitional channel flow
据报道,当雷诺数高于阈值时,槽道流中的完全局部化湍流带变得持续。在这里,我们表明,湍流带是一个短暂的性质,而不是证据。当带长被控制为固定时,湍流带的寿命似乎是随机的和指数分布的,这是无记忆瞬态性质的标志。除了随雷诺数增加外,平均寿命也随带长的增加而增加。考虑到在真实通道流中带长总是随时间变化,这种尺寸依赖性可能转化为时间依赖性,在澄清通道流转变与定向渗流普适类之间的关系时需要考虑到这一点。
2022-09-30 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
Scale-dependent statistics of inertial particle distribution in high Reynolds number turbulence
本文提出了惯性颗粒分布的多尺度统计分析方法,以研究不可压各向同性湍流中颗粒聚集和空穴区的统计特征。本文对高雷诺数下均匀各向同性湍流($Re_λ\gtrsim 200$)进行了三维直接数值模拟,其中包含多达$10^9$的惯性粒子,Stokes数范围从$0.05$到$5.0$。正交小波分析,然后施加到计算的粒子数密度场。计算了颗粒数密度分布的尺度相关的偏斜度和平坦度值,并评估了雷诺数$Re_λ$和斯托克斯数$St$的影响。对于$St \sim 1.0$,随着尺度的减小,尺度依赖的偏度和平坦度值都变大,这表明在小尺度下的间歇性聚类。对于$St \le 0.2$,在中间尺度的平坦度,即对于大于Kolmogorov尺度和小于流动的积分尺度的尺度,随着$St$的增加而增加,并且偏斜度在中间尺度呈现负值。偏度的负值归因于空隙区域。这些结果表明,在中间销售的空隙区域是明显的,间歇性分布的小斯托克斯数。随着$Re_λ$的增加,平坦度略有增加。对于$Re_λ\ge 328$,偏度在大尺度下显示负值,表明空隙区域在大尺度下明显,而簇在小尺度下明显。
2020-07-18 physics.flu-dyn
Parity-Dependent Scaling of Velocity-Gradient Correlations in Turbulence
International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research(国际理论科学中心,塔塔基础研究所);Department of Physics, University of Oxford(牛津大学物理系)
研究通过精确关系和直接数值模拟探讨了湍流中两点速度梯度相关函数,发现二阶梯度相关函数与速度相关函数的拉普拉斯变换有关,表明惯性范围标度为C_2^{1,1}(r)~r^{-4/3}。在更高阶次中,揭示了梯度相关函数的奇偶依赖组织:奇奇相关函数表现出接近r^{-4/3}的标度,依赖性弱;偶偶相关函数则有系统不同的指数。研究显示,这种区别源于梯度场的符号结构:符号去相关抑制了奇奇部分的间歇性贡献,而偶偶相关函数保留这些贡献并敏感于高强度结构的空间组织。测量的偶偶指数在两个雷诺数下与独立测量的间歇性梯度结构的盒计数维数一致。这些结果将奇偶性在符号反转下的识别作为更高阶湍流相关函数的基本组织原则,并建立了稀疏间歇性几何与湍流标度指数之间的直接联系。
2026-05-19 physics.flu-dyn
An extension of the momentum transfer model to time-dependent pipe turbulence
我们分析了一个可能的扩展Gioia和Chakraborty的动量传递模型的摩擦稳定湍流管流(物理评论快报。96,044502(2006))到时间和/或空间相关的湍流的情况。最终结果是壁处的应力的表达式为稳态分量和动态分量之和。定常部分是利用定常流壁面应力表达式中的瞬时速度得到的。非定常部分是在流动加速的历史上的加权平均值,具有与Vardy和Brown(Journal of Sound and Vibration 259,1011(2003);同上,270,233(2004))提出的加权函数类似的加权函数,但是自然地包括平均流的空间导数的影响,如在Brunone模型(B. Brunone等人,水资源规划和管理236(2000))。
2012-01-10 physics.flu-dyn
Slope Dependent Turbulence over Two-dimensional Wavy Surfaces
非平坦表面上的湍流的知识在不同的应用中具有重要的实际意义。在高雷诺数的粗糙度制度,在那里的平均和综合湍流量的表面起伏的累积效应是有据可查的显着的工作继续报道。即使在这种情况下,表面拓扑结构的过渡粗糙度雷诺数是很难表征的起着重要的作用。在这项工作中,我们试图开发一个自下而上的理解的机制,湍流的产生和运输,特别是在该地区的湍流边界层(TBL)的表面的影响。我们与表面特性与湍流产生机制,雷诺应力运输和由此产生的阻力增加。为此,我们进行了一套直接数值模拟的充分发展的湍流之间的两个无限宽,二维正弦波形表面的摩擦雷诺数,$Re_τ=180$,不同的平均表面斜率,$ζ$(和固定的内部缩放波动高度,$a^+=13$)对应的“波纹”制度。波斜率的增加增强了近表面湍流混合,导致总阻力增加,形状阻力的更高分数,更快地接近各向同性,从而调制缓冲层。主要的近地表流向和垂直湍流发生在波的背风侧和迎风侧。相反,展向变化是通过压力-应变率机制产生的,主要是沿着波的迎风侧,流动分离非常小。我们还观察到显着的分散效果的生产结构。
2019-11-25 physics.flu-dyn
Local relaxation and scale-dependent alignment in compressible, magnetized turbulence
Princeton University(普林斯顿大学);University of Toronto(多伦多大学);Institute for Advanced Study(高等研究院)
通过高达10,368^3分辨率的驱动净通量和无净通量MHD湍流模拟,发现能量均分尺度以下存在符号混合的速度-磁场、速度-涡度和磁-电流对齐斑块,并建立了预测标度指数的恒定通量输运模型。
2026-09-15 astro-ph.GA nlin.CD physics.flu-dyn
Scale-dependent cyclone-anticyclone asymmetry in a forced rotating turbulence experiment
我们在一个定常强迫旋转湍流实验中描述了气旋-反气旋非对称性的统计和几何特性。湍流是由一组垂直襟翼产生的,这些襟翼向安装在旋转平台上的罐的中心连续注入速度波动。我们首先从传统的单点涡度统计特征的气旋反气旋不对称。我们提出了一个唯象模型来解释实验中出现的不对称性,从中我们预测的标度律的均方根速度与实验数据吻合良好。我们进一步量化的气旋反气旋不对称使用一组三阶两点速度相关。我们专注于非零的相关性,只有当气旋-反气旋对称性被打破。与单点涡度统计相比,它们有两个优点:第一,它们仅由速度测量定义,因此不需要精确的柯尔莫哥洛夫尺度;第二,它们提供了气旋-反气旋不对称性的尺度依赖性信息。我们计算这些关联函数分析的随机分布的独立相同的旋涡。这些模式关联式较好地描述了实验关联式,表明气旋-反气旋不对称性是由大尺度长寿命气旋主导的。
2014-03-10 physics.flu-dyn
An efficient cellular flow model for cohesive particle flocculation in turbulence
我们提出了一个单向耦合模型,跟踪单个初级粒子在一个概念上简单的细胞流设置来预测絮凝湍流。这种计算效率高的模型占斯托克斯阻力,润滑,凝聚力和直接接触力的主要球形颗粒,并允许一个系统的模拟活动,产生的瞬态平均絮凝物的大小作为一个功能的管理无量纲参数。模拟再现增长的粘性絮体随着时间的推移,和出现的对数正态平衡分布所管辖的聚集和破碎的平衡。当初级粒子的斯托克斯数为\textit{O}(1)时,絮凝进行得最快。从这个简单的计算模型的结果与实验观察是一致的,从而使我们能够提出一个新的分析絮凝模型,产生改进的协议与实验数据,特别是在瞬态阶段。
2020-01-19 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Large-Eddy Simulation of Stably Stratified Atmospheric Boundary Layer Turbulence: A Scale-Dependent Dynamic Modeling Approach
发展了一种新的无调谐亚网格模型--局部平均尺度相关动力学(LASDD)模型,并将其应用于稳定边界层的大涡模拟(LES)。新模型动态计算Smagorinsky系数和亚网格尺度普朗特数的基础上解决的速度和温度场的局部动力学。总的来说,LES产生的湍流的统计数据与一些成熟的经验公式和理论预测(例如,Nieuwstadt的局部标度假说)是显著的。结果表明,在表层的大多数传统的亚网格尺度模式的明显改善。此外,与以前的稳定边界层的大涡模拟,有很强的依赖于网格分辨率相比,模拟统计数据与LASDD模型显示相对较小的分辨率依赖于这里考虑的网格尺寸的范围。从本质上讲,我们表明,新的LASDD模型是一个强大的亚网格尺度参数化的可靠,无调谐模拟稳定的边界层,即使相对粗糙的分辨率。
2005-02-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn
As a matter of dynamical range -- scale dependent energy dynamics in MHD turbulence
磁化湍流普遍存在于许多天体物理和地球等离子体中,但没有普遍的理论存在。即使是详细的磁流体动力学(MHD)湍流的能量动力学仍然没有得到很好的理解。我们提出了一套亚音速,超Alfvénic,高等离子体β MHD湍流模拟,只在其动力学范围内变化,即,大尺度强迫和耗散尺度的分离及其耗散机制(隐式大涡模拟,ILES,与直接数值模拟,DNS)。使用能量传递分析框架,我们计算的有效,数值粘度和粘性,并证明,所有的ILES计算的MHD湍流解决,并对应于一个等效的粘阻MHD湍流计算。增加ILES中使用的网格点的数量对应于降低耗散系数,即,更大的(动力学和磁)雷诺数恒定强迫规模。独立地,我们使用这个相同的框架来证明-相反的流体动力学湍流-跨尺度的能量通量是不恒定的MHD湍流。这既适用于给定动力学范围的不同介质(如级联过程或磁张力),也适用于对动力学范围本身的依赖性,这决定了流动的物理性质。即使在$2{,}048^3$单元的最高分辨率(最大雷诺数)模拟下,我们也没有观察到任何收敛迹象,这就对MHD湍流中是否存在渐近状态提出了疑问,如果存在,它看起来像什么。
2022-11-17 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Forcing-dependent dynamics and emergence of helicity in rotating turbulence
通过数值模拟研究了大尺度机械力对旋转湍流动力学的影响,系统地改变了机械力的性质。我们表明,这些流量的统计稳定的解决方案取决于强制机制的性质。足够快的旋转流,其具有相对于旋转轴具有持续方向的力,从非螺旋状态分叉到螺旋状态,尽管力是非螺旋的。我们发现,在时间和螺旋度的出现的机械力的性质有直接的影响,这些流量的级联动力学,确定在流中的各向异性,在大尺度上的能量凝聚和幂律能谱是一致的,与以前的研究结果和现象下强,弱波湍流条件。
2016-01-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Dynamic Multiscaling in Two-dimensional Fluid Turbulence
我们得到,通过广泛的直接数值模拟,时间依赖性和等时结构函数的涡量,在两个准拉格朗日和欧拉框架,直接级联制度的二维流体湍流与空气阻力引起的摩擦。我们表明,不同的方法提取时间尺度从这些时间依赖的结构函数导致不同的动态多尺度指数,这是相关的等时间多尺度指数的不同类别的桥梁关系;对于一个代表性的摩擦值,我们验证,给定我们的误差棒,这些桥梁关系。
2012-11-23 nlin.CD physics.flu-dyn
Intermittency enhancement in quantum turbulence
间歇性是湍流的一个重要特征,它不仅存在于经典粘性流体的湍流流动中,而且也存在于诸如超流$^4$ He等量子流体的流动中。尽管经典流体中的湍流与超流$^4$ He中的准经典湍流之间存在相似性,但人们已经预测,超流$^4$ He中的不稳定性与温度有关,并且在一定温度下会增强,这与经典湍流中几乎与流动无关的不稳定性形成鲜明对比。该理论预测的实验验证具有挑战性,因为它需要在$^4$ He中良好控制量子湍流的产生以及具有高空间和时间分辨率的流量测量工具。在这里,我们报告了一个实验研究的量子湍流所产生的拖曳网格通过一个静态样品的超流体$^4$他。将新近发展起来的He $^*_2$分子示踪线标记测速技术与传统的二次声衰减方法相结合,对衰减湍流量子流进行了研究。我们观察到准经典衰减的湍流动能在正常的流体和涡线密度的超流组件。对于衰变过程中的几个时刻,我们计算了横向速度结构函数。使用扩展的自相似性假设推导出的标度指数显示出非单调的温度依赖性非线性增强,与Biferale等人最近的理论/数值研究非常一致[Phys. Rev. Fluids 3,024605(2018)]。
2018-06-29 physics.flu-dyn
Investigating nonlinearity in wall turbulence: regenerative versus parametric mechanisms
与平均流的非正态性相关的线性增长过程和在波动之间传递能量的非线性相互作用都有助于维持湍流。然而,缺乏对它们在维持动荡状态方面进行合作的机制的详细了解。在这份报告中,我们研究波动波动非线性的作用,通过改变相关的长期在库埃特流湍流的动力学的大小,以确定这种非线性组件如何帮助维持和确定的结构的湍流状态,特别是这种机制是参数或再生。在确定了支持Navier-Stokes湍流中的波动场的机制是参数化的之后,我们研究了湍流的波动分量在依赖于时间的平均流中由参数增长维持的机制,通过使用依赖于时间的预解式的分析来检查频域中的参数增长机制。
2022-11-26 nlin.CD physics.flu-dyn
Analysis of scale-dependent kinetic and potential energy in sheared, stably stratified turbulence
采用滤波方法分析了剪切稳定分层湍流中不同尺度$\ell$下的湍流动能和湍流位能收支。在流动中的竞争效应被认为是,随着尺度之间的能量通量的物理机制,和预算被用来分析数据从直接数值模拟(DNS)在浮力雷诺数$Re_b=O(100)$。在大尺度下,平均TKE超过TPE一个数量级,差异随着$\ell$的减小而减小。在更大的尺度上,从未观察到浮力是正的,浮力总是将TKE转换为TPE。随着$\ell$的减小,局部对流区域的概率增加,尽管在低至Ozmidov尺度的尺度下它仍然很小。尺度之间的TKE和TPE通量都是尺度下的平均值和它们的瞬时值是正相关的,但不是强烈的,这是由于不同的物理机制,这些通量。此外,这些通量所产生的子网格领域的贡献被证明是显着的,除了过滤规模的贡献与应变自放大,涡拉伸,和密度梯度放大的过程。概率密度函数(PDF)的$Q,R$不变的过滤速度梯度被认为是。与各向同性湍流不同,随着$\ell$的增加,PDF的剪滴形状消失,PDF变得关于$R=0$对称,这意味着涡旋拉伸和压缩区域以及应变放大或抑制区域变得等概率。
2021-10-19 physics.flu-dyn
Measuring Scale-dependent Shape Anisotropy by Coarse-Graining: Application to Inhomogeneous Rayleigh-Taylor Turbulence
本文推广多维滤波谱以量化非均匀流体的尺度依赖形状各向异性,发现3D RT湍流大尺度各向异性而小尺度趋于各向同性,2D则呈现相反规律。
2023-10-19 physics.flu-dyn
Time-dependent Turbulence in Stars
壳体氧燃烧的三维(3D)流体动力学模拟(Meakin和Arnett 2007)显示出湍流动能的突发性、周期性波动。这些被证明是由于在对流区的全球不稳定性,这已被抑制在计算恒星演化使用混合长度理论(MLT)。Lorenz(1963)的对流卷(细胞)模型中也出现了类似的量子行为,该模型具有奇异吸引子,会引起时间上的随机波动。Lorenz模型的扩展,包括Kolmogorov阻尼和核燃烧,显示出与3D模拟中看到的一样的突发性周期性波动。一个简单的对流层模型(由多个洛伦兹胞组成)给出了亮度波动,这暗示着不规则变量(红巨星和超巨星,Schwarzschild 1975)。Arnett、Meakin和Young(2009)与Nordlund、Stein和Asplund(2009)关于对流驱动性质的明显不一致已经得到解决,并进行了讨论。
2010-10-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Statistics of mixing in three-dimensional Rayleigh--Taylor turbulence at low Atwood number and Prandtl number one
采用高分辨率Boussinesq方程直接数值模拟方法,研究了小Atwood数和Prandtl数为1的三维混溶Rayleigh-Taylor(RT)湍流。RT湍流是一种典型的时间依赖性湍流系统,其中积分尺度随混合区的演化而随时间增长。为了全面表征流量的统计特性,对相关统计指标的时间和空间行为进行了分析。两个全局量的缩放({ \it例如},Rayleigh,Nusselt和Reynolds数)和尺度相关的观测量建立在速度和温度波动。我们扩展的平均场分析速度和温度的波动,考虑到不稳定性,在时间和空间域。我们表明,由此产生的标度指数是兼容的经典Navier-Stokes湍流平流被动标量在可比雷诺数。我们的研究结果支持的情况下,普遍性的湍流的喷射机制和流动的几何形状。
2010-06-22 nlin.CD physics.flu-dyn
Mach-number-dependent dissipative anomaly in isothermal compressible turbulence
Australian National University(澳大利亚国立大学)
该研究通过高分辨率直接数值模拟,发现等温可压缩湍流的耗散异常呈依赖马赫数的双分支特性,虽为耗散异常提供证据,但未明确其强弱属性。
2026-09-04 physics.flu-dyn
Heavy Particle Clustering in Inertial Subrange of High--Reynolds Number Turbulence
本研究通过直接数值模拟发现高雷诺数均匀各向同性湍流中惯性粒子在惯性子区显著聚集,该聚集由优先浓度调制引起并表现为粒子数密度谱凸起,可用尺度相关斯托克斯数的有理函数建模。
2024-06-05 physics.flu-dyn
Particle-laden two-dimensional elastic turbulence
通过大量的二维数值模拟,研究了具有周期性Kolmogorov平均流的Oldrophil-B流体弹性湍流区中重惯性粒子的聚集特性。所产生的不均匀的颗粒分布的小规模和大规模的功能进行检查,专注于它们的平流粘弹性流的属性的连接。我们发现,颗粒优先积累薄的高弹性传播波,这种效果是最大的中间值的颗粒惯性。我们提供了一个定量表征这种现象,使其与颗粒的积累在附加的高度应变的流动区域产生的相关维数接近1的集群。在更大的尺度上,发现颗粒发生类似湍流的分离。事实上,我们的研究结果表明,颗粒密度和流体速度波动的配置文件之间的密切关系。大规模的颗粒分布的不均匀性解释的框架内的模型推导出的限制小,但有限的,颗粒的惯性。不同观测量的定性特征在很大程度上与流量弹性无关。当增加时,后者被发现,但是,稍微减少全球平均程度的turbophoretic未混合。
2018-04-04 nlin.CD physics.flu-dyn
Impact of alignments between fluctuating and mean density gradients on the scale-dependent energetics of stably stratified turbulence
Duke University(杜克大学);University of Massachusetts Amherst(马萨诸塞大学阿默斯特分校)
通过直接数值模拟,研究了稳定分层湍流中波动与平均密度梯度对准对湍动能和可用势能跨尺度输运的影响,发现对准与浮力通量反转及能量通量减弱相关,且强对准区域多出现在稳定区。
2026-06-15 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Capturing Velocity Gradients and Particle Rotation Rates in Turbulence
湍流流体流动表现出复杂的小尺度结构,经常出现极端的速度梯度。粒子探测这种漩涡和应变区域的响应与一个复杂的形状依赖的取向动力学,这敏感地依赖于粒子的历史。在这里,我们系统地开发了一个降阶模型的小尺度动力学的湍流,它捕获沿粒子路径的速度梯度统计。由此产生的随机动力系统的分析,可以精确定位的出现非高斯统计和非平凡的时间相关性的涡度和应变,如先前报道的实验和模拟。基于这些见解,我们使用我们的模型来预测湍流中各向异性颗粒的取向统计,从而实现复杂颗粒流的大量建模应用。
2020-11-27 physics.flu-dyn
Dynamic Scaling in Rotating Turbulence: A Shell Model Study
本文研究了旋转湍流中从随时间变化的关联函数中提取的适当时间尺度的标度形式。特别是,我们得到精确的估计的动态指数$z_p$,与时间尺度,和它们的关系,更常见的测量等时间指数$ζ_p$。这些理论预测,通过使用多重分形形式主义,得到验证,通过广泛的数值模拟的壳模型,这样的旋转流。
2022-06-11 nlin.CD physics.flu-dyn