On identification of self-similar characteristics using the Tensor Train decomposition method with application to channel turbulence flow
研究了张量训练分解方法在槽道湍流三维直接数值模拟数据中的应用。该方法是有效的压缩率和存储要求。在模拟数据的测试中，发现网格对齐的自相似模式被很好地捕获，并且应用于非网格对齐的自相似模式也产生了令人满意的结果。据观察，输入张量的形状显着影响压缩率。应用于通道湍流的数据，张量训练格式允许令人惊讶的高压缩率，同时确保低相对误差。
2017-08-25 physics.flu-dyn
Data-driven decomposition of the streamwise turbulence kinetic energy in boundary layers. Part 2. Integrated energy and $A_1$
第一部分考虑了紊流边界层中流向速度能谱的定标。光谱分解分析提供了一种手段，分离出附加和非附加涡流的贡献，并被用来产生三个光谱子组件，其中之一是一个密切的代表性的自相似，附壁湍流引起的光谱签名。由于流向湍流强度$\overline{u^2}$的子分量来自于速度能谱的积分，因此我们在这里集中于前者的标度。壁正常的配置文件和雷诺数趋势的三个人，添加剂的流向湍流强度的子组件进行检查。与评估总流向湍流强度相比，这允许在更深处重新审视湍流强度的缩放。根据所有考虑的雷诺数的普遍趋势，给出了$A_1 = 0.98$的Townsend-Perry常数的一些证据，该常数将描述根据Townsend的附着涡假设的湍流强度的壁面法向对数衰减。它也证明了这个常数可以是一致的，在近壁区域的流向湍流强度的增加的雷诺数。
2019-12-03 physics.flu-dyn
Modal Force Partitioning -- A Method for Determining the Aerodynamic Loads for Decomposed Flow Modes with Application to Aeroacoustic Noise
提出一种模态力分解方法，结合力分解与模态分解技术，通过直接分解Q场识别主导气动载荷的流场结构，并揭示其与远场气动声学噪声的关联。
2025-03-04 physics.flu-dyn
Data-driven decomposition of the streamwise turbulence kinetic energy in boundary layers. Part 1. Energy spectra
在有壁湍流中，大量共存的湍流结构形成了从粘性到惯性占主导地位的尺度范围内的流向速度能谱。流向光谱的确定的标度趋势在经验上仍然难以捉摸，尽管一个著名的思想流派源于Perry和Abell的著作（J. Fluid Mech.，第79卷，1977年，第100页。785-799）和Perry等人（J. Fluid Mech.，第165卷，1986年，第165页。163-199），这些理论受到Townsend的附着涡假设（The Structure of Turbulent Shear Flow，Cambridge University Press，1976）的极大启发。在本文中，我们重新审查的湍流动能的流向速度分量的频谱分解的背景下，佩里和同事。两个通用的频谱滤波器通过频谱相干分析的两点速度信号，跨越雷诺数范围$Re_τ\sim \mathcal{O}(10^3)$到$\mathcal{O}(10^6)$，并形成我们的分解的基础上的湍流区域的随机壁分离和附壁部分的能量。后者由大于流向/壁面法线比$λ_x/z \approx 14$的尺度组成。如果分解被接受，则$k_x^{-1}$缩放区域只能在$z^+ = 100$的壁法线位置处出现$Re_τ\geq 80\,000$。在Perry和同事的研究之后，人们假设湍流结构而不是附着涡的光谱贡献掩盖了$k_x^{-1}$标度。当接受的想法，不同的光谱…
2019-12-03 physics.flu-dyn
Revisiting turbulence small-scale behavior using velocity gradient triple decomposition
湍流小尺度行为的研究通常采用将速度梯度张量（$A_{ij}$）分解为对称应变率张量（$S_{ij}$）和反对称旋转率张量（$W_{ij}$）的方法。为了进一步深入了解，我们使用速度梯度张量的三重分解来重新审视一些关键研究。加性三重分解形式上分离了法向应变率（$N_{ij}$）、纯剪切（$H_{ij}$）和刚体转动率（$R_{ij}$）的贡献。分解不仅突出了剪切的关键作用，但它也提供了一个更准确的帐户的影响，法向应变和纯旋转的重要小尺度功能。首先用速度梯度不变量空间中的三个张量描述了局部流线拓扑和几何。利用DNS强迫各向同性湍流数据集，研究了不同雷诺数下的速度梯度和压力场脉动。在所有雷诺数下，剪切对速度梯度幅值（$A^2$）的贡献最大，刚体旋转的贡献最小。特别是，剪切贡献是占主导地位的区域的不透明度（高值的$A^2$）。本文还指出，文献中所报道的涡度拟能的高度变化是由于切变对涡度的贡献，而不是由于刚体转动的贡献。该研究还提供了一个解释的压力拉普拉斯的不稳定性，尽管涡度拟能和耗散场的强不稳定性。总的来说，它表明，三重分解提供了独特的和更深入的理解湍流中的速度梯度行为。
2019-12-24 physics.flu-dyn
Geometric decomposition of the conformation tensor in viscoelastic turbulence
这项工作介绍了一种数学方法来分析的聚合物动力学在湍流粘弹性流动，使用一个新的几何分解的构象张量，以及相关的标量测量的聚合物波动。该方法避免了传统的构象张量的雷诺分解的固有困难：波动张量场不是正定的，因此不保留张量的物理意义。构象张量的几何分解产生正定的平均和波动张量场。在本分解的波动张量有一个明确的物理解释为相对于平均配置的聚合物变形。这个波动的构象张量的标量措施开发的基础上的非欧几何的正定张量。减阻粘弹性湍流槽道流，然后使用一个例子的情况下研究。构象张量场，使用直接的数值模拟，分析使用所提出的框架。
2018-03-20 physics.flu-dyn
A stability condition for turbulence model: From EMMS model to EMMS-based turbulence model
湍流的封闭问题一直是湍流模拟中的一个具有挑战性的问题。在这项工作中，稳定性条件被用来关闭湍流。具体地说，我们把单相流看作湍流和非湍流流体的混合物，分离湍流的结构。然后，根据湍流叶栅的图像，将湍流中所含的能量分解为不同的部分，并进行了量化。与气固系统的能量最小化多尺度模型（EMMS）原理相似，本文提出了一个湍流稳定性条件，用以封闭湍流的动力学约束方程，从而优化湍流的非均匀结构参数。我们称之为“EMMS湍流模型”，并使用它来构建相应的湍流粘性系数。为了验证EMMS湍流模型的有效性，本文采用EMMS模型模拟了两个经典的基准问题：盖驱动空腔流动和空房间内的强制对流湍流。数值结果表明，基于EMMS的湍流模型考虑了粘性和惯性竞争的折衷原则，提高了湍流模拟的精度。
2013-11-06 physics.flu-dyn
Energy Flux Decomposition in Magnetohydrodynamic Turbulence
本文将HD湍流能量通量分解方法扩展至MHD湍流，发现MHD中涡旋拉伸显著耗尽，动能传递主要由洛伦兹力诱导的小尺度应变驱动，磁能传递主要通过电流片变薄实现。
2024-02-15 physics.flu-dyn
Scale decomposition in compressible turbulence
本文提出了一个基于粗粒化的严格框架来分析高度可压缩湍流。我们展示了粘性对大尺度动量和动能动力学的影响可以忽略不计的要求-一个无粘性的标准-自然地支持密度加权的速度场的粗粒化。这种粗粒化方法在文献中已经被称为Favre滤波;然而，其使用主要是由吸引人的建模特性而不是潜在的物理考虑所激发的。我们还证明，动能注入可以本地化到最大规模的适当搅拌，并认为搅拌与外部加速场，而不是体力将产生一个更长的惯性范围内的模拟。然后，我们讨论的特殊情况下，浮力驱动的流动受到空间均匀的引力场。我们的结论是，可以存在的尺度范围内的平均动能预算占主导地位的惯性过程，是免疫的贡献，由于分子粘度和外部搅拌。
2012-12-22 physics.flu-dyn
Convergence study of multi-field singular value decomposition for turbulence fields
本研究针对湍流场提出多场奇异值分解（MFSVD）的收敛性分析，证明其在多尺度人工矩阵中再现幂律谱，并应用于实际湍流数据，发现其二次非线性量再现的收敛速度远快于单场SVD，显著降低所需模态数。
2024-11-07 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Application of Helmholtz-Hodge decomposition and conditioned structure functions to exploring influence of premixed combustion on turbulence upstream of the flame
为了探索燃烧诱导热膨胀对湍流的影响，引入了一种新的研究方法。该方法包括联合应用亥姆霍兹-霍奇分解和条件结构函数来分析湍流速度场。该方法所提供的机会，证明了使用它来处理直接数值模拟数据获得较早的两个统计一维，平面，充分发展，弱湍流，单步化学，预混火焰，其特征在于两个显着不同的（7.52和2.50）密度比，与所有其他的东西是近似相等的。为了强调燃烧引起的热膨胀对预混火焰上游未燃混合物的湍流的影响，分析的重点放在两点处的未燃混合物的结构函数上。两种分解技术，即（i）一个广泛使用的正交亥姆霍兹-霍奇分解和（ii）最近推出的自然亥姆霍兹-霍奇分解，进行了探讨，使用它们得到的结果是相似的，在最大的部分计算域的入口和出口边界附近的狭窄区域除外。计算结果表明，燃烧引起的热膨胀可以显著改变预混火焰上游未燃混合物的湍流，其方式是产生各向异性的位流速度脉动，其空间结构与来流湍流的空间结构有很大不同。这种潜在的速度波动的幅度是大于螺线管的速度波动的幅度在最大的部分的平均火焰刷的情况下的高密度比。在低密度比的情况下，后者的幅度是更大的无处不在，但这两个幅度是可比的，在中间的平均火焰刷。
2020-07-16 physics.flu-dyn
Modulation of near-wall turbulence in the transitionally rough regime
在过渡粗糙区对粗糙壁湍流通道进行了直接数值模拟。粗糙度上覆湍流产生的效果进行了研究，使用修改后的三重分解的流量。这种分解将粗糙度引起的贡献与背景湍流分离，后者基本上没有任何纹理足迹。对于小的粗糙度，背景湍流没有显著改变，而只是位移更接近粗糙度峰，阻力的变化与此位移成正比。随着粗糙度尺寸的增加，背景湍流开始被修改，特别是通过增加短，宽波长的能量，这是一致的外观的剪切流不稳定的平均流。提出了一个层流模型来估计粗糙相干的贡献，以及在粗糙峰的位移高度和速度。基于在背景湍流中观察到的影响，粗糙度函数被分解成不同的项，以分析对阻力变化的不同贡献，为预测模型奠定基础。
2018-08-31 physics.flu-dyn
Reduced Order Modeling of Turbulence-Chemistry Interactions using Dynamically Bi-Orthonormal Decomposition
动态双正交（DBO）分解的性能进行了评估的毒性化学相互作用的降阶建模。DBO是一种动态的低秩近似技术，其中反应流场的瞬时组成矩阵被分解成一组正交空间模式，一组正交向量在组成空间中，和低秩相关矩阵的因式分解。区分DBO和基于主成分分析（PCA）的降阶模型（ROM）的两个因素是：（i）DBO不需要任何离线数据生成;以及（ii）与PCA中的静态子空间相比，DBO中的低秩组成子空间是时间相关的。由于这些功能，DBO可以适应在飞行中的内部和外部激发的瞬态变化的状态的运输变量。为了演示，模拟进行的非预混CO/H2火焰在时间上不断演变的射流。使用具有53种物质的GRI-Mech 3.0模型进行化学动力学建模。通过对同一火焰的满秩直接数值模拟（DNS）生成的数据进行后验比较，并对DNS数据进行PCA还原，对结果进行评估。DBO也产生了很好的预测的各种统计的热化学变量。
2022-01-06 physics.flu-dyn
Energy Cascade and Intermittency in Helically Decomposed Navier-Stokes Equations
本文从三维纳维-斯托克斯方程的螺旋度出发，研究了Fourier空间中三元相互作用的性质。利用螺旋傅立叶分解的工具，我们能够访问的一组三元组的能量级联过程和小尺度的不相干性的影响。我们表明，虽然三元相互作用涉及的模式，只有一个符号的螺旋度的结果，以逆级联的能量和一个完整的耗尽的不稳定性，没有这样的三元相互作用的能量级联和惯性范围的三维纳维-斯托克斯方程不稳定性没有明显的影响。
2018-03-26 physics.flu-dyn
Correlation and decomposition framework for identifying and disentangling flow structures: canonical examples and application to isotropic turbulence
本文提出结合相关度量与 Helmholtz 分解的流动结构识别解耦框架，并用于各向同性湍流，发现高动能射流主要由中间强度涡量非局域诱导。
2020-11-15 physics.flu-dyn
The velocity gradient tensor for homogeneous, isotropic turbulence (HIT), with explicit consideration of local and non-local effects using a Schur decomposition
对均匀各向同性湍流（HIT）的速度梯度张量（VGT）进行了舒尔分解，并对其物理后果进行了研究。这种分解允许张量的正常部分（由特征值表示）从非正常效应中明确分离出来。考虑到VGT动力学的受限{E}\endash近似是根据压力Hessian的各向同性部分和VGT的特征方程的不变量（进而根据本征值表示）来写的，非正规项与动力学的非局部方面和压力Hessian的各向异性部分有关。使用HIT的直接数值模拟，我们表明，张量的非正常部分的范数是一个类似的顺序正常的部分，突出了非局部效应的重要性。事实上，在Q-R图的判别函数下，所有的涡度拟能都来自于非正态项，这意味着该区域的涡度和中间应变本征向量对齐是非正态的直接后果。在涡度拟能和总应变的表达式中都出现了非正态项，在计算VGT第二不变量时取消了该项;而在应变产生和涡度拟能产生方程中出现了非正态的自放大和非正态的正态应变，在计算第三不变量时取消了该项。然而，这些条款是重要的理解完整的VGT动力学，解释如何流结构演变成盘状状态，尽管应变特征值有时表明相反（棒状）的行为，以及解释涡度和应变对齐HIT。
2017-10-08 physics.flu-dyn
Single-wavenumber Representation of Nonlinear Energy Spectrum in Elastic-Wave Turbulence of {F}öppl-von {K}ármán Equation: Energy Decomposition Analysis and Energy Budget
非线性能谱的单波数表示，即，在Föppl-vonKármán（FvK）方程控制的弹性波湍流中发现了拉伸能谱。该表示使能量分解分析在波数空间，并在非线性相互作用的详细能量收支的解析表达式首次获得在波动湍流系统。我们数值求解了FvK方程，并观察到以下事实。动能和弯曲能在大的波数下是可以相互比较的，正如弱湍流理论所表明的那样。另一方面，在小波数下，拉伸能大于弯曲能，即，非线性相对较强。在小波数时，观测到模式$a_{\bm{k}}$和它的伴随模式$a_{-\bm{k}}$之间的强相关。能量传递表明，在小波数时，能量通过拉伸能量传递输入波场，在大波数时，能量通过动能传递的四次部分耗散。利用总能量转移的解析表达式，直接计算出了符合能量守恒的总能量通量，并清晰地观察到了前向能量级联。
2014-12-09 nlin.CD physics.flu-dyn
Symmetry-reduced Dynamic Mode Decomposition of Near-wall Turbulence
数据驱动的降维方法，如适当的正交分解（POD）和动态模式分解（DMD）已被证明是有用的探索复杂的现象在流体动力学和超越。这些技术的一个众所周知的挑战是由连续的对称性，例如平移和旋转，所考虑的系统中的漂移的数据占主导地位的模态扩展，而不提供洞察的动态问题。在本研究中，我们解决了这个问题，在矩形通道中的流体流动，制定了一个连续的对称性减少的方法，同时消除了在流向和展向方向的平移。我们证明了我们的方法，通过计算从过渡平面Couette和湍流平面Poiffille流模拟获得的数据的滑动窗口的简化动态模式分解（SRDMD）。在前一种情况下，SRDMD捕获附近的平移对称性，即行波和相对周期轨道的不变解的动态，而在后者中，我们的计算揭示了湍流时间演化的情节，可以近似为一个低维线性膨胀。
2022-11-28 nlin.CD physics.flu-dyn
Lagrangian acceleration in fully developed turbulence and its Eulerian decompositions
我们研究了各种欧拉贡献的流体粒子加速的性能，通过使用良好的解决各向同性湍流的直接数值模拟，网格分辨率高达$12288^3$和泰勒尺度雷诺数$R_λ$在140和1300之间的范围内。对流加速度的方差，当归一化的Kolmogorov尺度，线性增加与$R_λ$，简单的理论参数一致，但非常强烈的不同现象学预测的Kolmogorov的假设，以及欧拉多重分形模型。局部加速度的缩放也是线性的$R_λ$到首阶，但在细节上更复杂。局部加速度和对流加速度之间的强抵消--忠实于随机扫描假设--导致拉格朗日加速度的方差仅以$R_λ^{0.25}$的形式增加，如Buaria \& Sreenivasan [Phys. Rev. Lett. 128，234502（2022）]。加速度方差主要由无旋压力梯度贡献，其方差也遵循$R_λ^{0.25}$标度;螺线管粘性贡献相对较小，遵循$R_λ^{0.13}$，与欧拉多重分形预测一致。
2022-10-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Vorticity and helicity decompositions and dynamics with real Schur form of the velocity gradient
利用一般速度梯度场$\nabla \mathbf{u}$的实Schur形式（RSF）来揭示流的结构，特别是我们的场分解导致两个涡度，它们只有相互联系作为全局螺旋度的拓扑内容（相应地分解成两个相等的部分）。到RSF的局部变换可以指示用于指定本构方程的客观参数的替代（共）旋转坐标系。当$\nabla \mathbf{u}$在固定的笛卡尔坐标系中一致地具有RSF时，即，$u_x = u_x(x,y)$和$u_y = u_y(x,y)$之间，而$u_z = u_z(x,y,z)$是一种介于二维三分量（2D3C）和三维三分量（3D3C）之间的模型，其分解涡量都冻结在$\mathbf{u}$中，有助于治疗螺旋2D3C绝对平衡中的病理，使后者在更现实的情况下有效地工作。
2018-03-25 nlin.CD physics.flu-dyn physics.geo-ph
Error estimates for the Smagorinsky turbulence model: enhanced stability through scale separation and numerical stabilization
在目前的工作中，我们展示了一些结果的影响Smagorinsky模型上的相关扰动方程的稳定性。我们表明，在存在一个谱间隙，使流可以分解在一个大规模的中等梯度和一个小振幅的精细尺度与任意梯度，Smagorinsky模型承认稳定性估计扰动，指数增长性只取决于大尺度梯度。然后，我们表明，在稳定的有限元法的背景下，相同的结果结转的近似，并在这种情况下，适当选择的有限元空间的Smagorinsky模型作为一个稳定器产生接近最佳的误差估计的$L^2$ -规范在前渐近高雷诺数制度的光滑流动。
2021-01-29 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
