Data-Driven Transient Growth Analysis
University of Michigan(密歇根大学)
本文提出数据驱动方法研究暂态增长,通过直接从流体数据中计算最优初始条件和能量增长,简化了暂态增长分析的应用。
2025-07-03 physics.flu-dyn
Performance limitations of observer-based feedback for transient energy growth suppression
瞬态能量增长抑制是反馈流控制的常见控制目标,其目的在于延迟向湍流的转变。在这种情况下,一个流行的控制方法是基于反馈的,其中一个完整的状态反馈控制器应用于状态估计从一个观察员。本研究确定了一个基本的性能限制的基于扰动的闭环控制:每当不受控制的系统表现出瞬态能量增长响应于最佳扰动,控制基于扰动的反馈将必然导致瞬态能量增长响应于最佳扰动的闭环系统以及。事实上,这一结果确立了基于双稳态反馈的控制器合成的背景下,瞬态能量增长抑制和过渡延迟可以是一个穷人的候选人:瞬态能量增长抑制的性能目标,可以永远不会通过基于双稳态反馈实现。此外,一个说明性的例子是用来表明,替代形式的输出反馈不一定受到这些相同的性能限制,也应该考虑在瞬态能量增长抑制和过渡控制的背景下。
2018-04-17 physics.flu-dyn
Transient growth calculations obtained directly from the Orr-Sommerfeld matrices
我们介绍和验证的算法来计算并行两相流的Orr-Sommerfeld-Squire线性理论的瞬态放大因子。我们进一步介绍了直接数值模拟的线性理论与早期阶段的波浪增长的模拟比较的一种方式。模拟结果是从一个强超临界参数的情况下,其中的模态增长率是强大的。在这种情况下,模态生长主导瞬态生长
2017-10-18 physics.flu-dyn
Transient growth and instability in rotating boundary layers
通过计算经典简正模态和计算最佳扰动的瞬态增长,研究了旋转边界层流动的三维时间不稳定性。研究的流动是旋转Blasius(RB)和旋转渐近吸力层(RAS),旋转轴垂直于基本流动平面。与无粘准则一致,在反气旋旋转的两种流动情况下都发现了流向不稳定模态:在高雷诺数下,RB的Rossby数不稳定范围为0<1/Ro<0.57,RAS的Rossby数不稳定范围为0<1/Ro<1。临界雷诺数和Rossby数也确定在这两种情况下。此外,相对于波数,Rossby数和雷诺数的瞬态增长的依赖性,提出了气旋和反气旋的regimes。特别是,{ \it峰值}瞬态增长计算的参数值范围内的气旋制度,并显示旋转减少。相对于雷诺数的标度分析表明,标准的Re ^2标度仅在非常弱的旋转时恢复。最佳扰动类似于斜涡。在弱旋转时,尽管它们的结构与经典的非旋转情况不同,但它们几乎是流向涡。强旋转施加二维和最佳扰动变化弱展向方向和奥尔机制的增长。
2004-03-16 astro-ph 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
Experiments on transient growth of turbulent spots
本文详细地研究了平面Couette-Poietille流中由外力引起的湍流斑的瞬态增长,并在瞬态增长的线性理论框架下进行了研究。实验研究的补充与充分的理论分析。我们定量地比较了实验和理论结果,包括最大增益和它发生的时间。我们还提出了在高振幅扰动和雷诺数的线性理论的应用的有效性的限制,显示与自我维持状态的实验。
2017-10-02 physics.flu-dyn
Transient growth in Taylor-Couette flow
本文研究了反向旋转圆柱体的Taylor-Couette问题中由于非正态性引起的瞬态增长随展弦比η和雷诺数Re的变化。对于所有Re < 500的情况,瞬时增长被曲率增强,即,对于eta < 1比eta = 1,平面库埃特极限,瞬时增长更大。当Re < 130时,在Taylor-Couette线性稳定性边界(如果存在)和1之间的eta达到最大瞬态增长,而当Re > 130时,在线性稳定性边界上的eta达到最大瞬态增长。在Re = 310,eta = 0.986的线性稳定性边界附近的瞬态增长比Re = 310,eta = 1的瞬态增长高出约20%,接近在平面Couette流中观察到的过渡阈值。最优输入中的能量主要是方位角的;最优输出中的能量主要是方位角的。伪谱计算两个对比的情况下。对于大曲率,η = 0.5,伪谱比在窄间隙的情况下,η = 0.99更紧密地粘附到谱。
2002-10-02 physics.flu-dyn
Estimation of the linear transient growth of perturbations of cellular flames
在这项工作中,我们估计率的线性瞬态增长的细胞火焰的扰动由Sivashinsky方程。这种增长的可能性和意义在计算和分析研究中都得到了较早的证明。数值研究了Sivashinsky方程线性化后的线性算子的预解式的范数。结果以伪谱和可能的瞬态放大的下限的形式给出。这种放大足够强,使舍入误差在数值模拟中以小尖点的形式出现在火焰表面上随机出现。可用的数值方法的性能进行了比较,并检查结果与直接计算的规范的演化算子。
2003-12-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.gen-ph
Transient growth in linearly stable Taylor-Couette flows
扰动的非正常瞬态增长被认为是剪切流中亚临界转变的必要先决条件,即尽管层流具有线性稳定性,但仍向湍流转变。在这项工作中,我们提出了数值和分析计算的线性瞬态增长覆盖所有线性稳定制度的泰勒-库埃特流。我们的数值实验揭示了可比的能量放大在不同的制度。对于高剪切雷诺数Re的最佳瞬态能量增长总是遵循2/3的比例与Re,这允许大的放大,即使在制度的湍流的存在仍然存在争议。在同向旋转瑞利稳定流中,随着最佳轴向波数趋于零,最佳扰动在其结构中变得越来越柱状。在这个限制的轴向不变的扰动,我们表明,线性稳定性和瞬态增长是独立的圆柱的旋转比,我们推导出一个通用的2/3标度的最佳能量增长与Re使用WKB理论。在此基础上,得到了一个适用于所有区域的线性瞬态增长估计的半经验公式。
2014-03-05 physics.flu-dyn
Algebraic disturbances and their consequences in rotating channel flow transition
本文研究旋转通道流中亚临界机制在转捩中的作用,发现不同旋转速率下呈现从瞬态增长、混沌到完全稳定等不同行为模式,并证明能量临界雷诺数对旋转速率不敏感。
2016-09-18 physics.flu-dyn
Data-driven transient growth analysis
本文提出一种数据驱动的瞬态增长分析方法,通过一次线性化方程积分收集多时间范围扰动快照,并结合POD模态合成最优模态,无需构造伴随方程即可提取最优初始扰动和能量增长,降低了瞬态动力学研究的门槛。
2025-09-23 physics.flu-dyn
Linear transient growth of particulate pipe flows
我们解决的问题,是否存在的颗粒在管流中可以影响线性瞬态增长的无穷小扰动,鉴于更好地了解颗粒管流的行为在过渡到湍流的制度。这个问题是解决数值通过一个简单的模型,其中颗粒被建模为第二流体,通过双向斯托克斯阻力与流体相的相互作用。瞬态增长被发现是增强的颗粒的存在下,特别是如果颗粒被定位在一个特定的径向位置的管道。同时,瞬态增长本身的机制仍然是那些非颗粒流。对于中等尺寸的颗粒(在非常轻的颗粒的弹道极限和它们太重而不受流动影响的点之间的某个地方),效果最大化。最值得注意的是,Segre-Silberberg半径(约为管道半径的2/3),其中颗粒自然聚集在层流中,结果接近于最佳位置以增强瞬态增长。
2019-03-25 physics.flu-dyn
Transient growth analysis of oblique shock wave/boundary-layer interactions at Mach 5.92
我们研究的物理机制,触发瞬态增长的高速空间发展层流边界层与斜激波相互作用。我们利用一种基于幂迭代的方法,通过整体的正向和伴随的线性化方程,来量化具有流动分离的可压缩边界层中的瞬态增长。对于马赫数为5.92的无斜激波边界层,我们证明了主要的瞬态响应由斜激波组成,斜激波是由无粘Orr机制、升力效应和第一模态不稳定性引起的。我们还表明,斜激波的存在显着增加瞬态增长在短时间间隔内通过一种机制,是不相关的缓慢增长的全球不稳定性。由此产生的响应采取的形式展向周期性流向细长条纹和我们的线性化无粘输运方程的分析表明,再附着位置附近的基流减速有助于其放大。流向条纹的大的瞬态增长表明了非模态效应在流动扰动放大中的重要性,并确定了在激波/边界层相互作用的过渡高超音速流中出现类似空间结构的途径。
2020-04-19 physics.flu-dyn
Transient growth of a wake vortex and its initiation via inertial particles
本研究数值证实了粘性临界层特征模对强旋转尾迹涡最优瞬态增长的关键贡献,并发现通过在涡核外围分布惯性粒子引发双向耦合,能在非线性系统中实现最优瞬态增长。
2025-02-24 physics.flu-dyn
Transient growth mechanisms of low Reynolds number flow over a low-pressure turbine blade
本文对T-106/300低压涡轮风扇叶片周期性排列的三维扰动流场进行了直接瞬态增长分析。该方法是基于一个奇异值分解的流量演化算子,线性化的稳定或周期性的基流。这种分析产生了最优的增长模式。以前的工作的全局模式的稳定性分析,这种流动的几何形状表明,流动是渐近稳定的,表明非模态的过渡解释可能是更合适的。目前的工作扩展了以前的调查到周围的稳定的基流的瞬态增长,更高的雷诺数和周期性的基流。据发现,显着的瞬态增长的最佳模式表明一个合理的路线过渡相比,这种配置的模式增长。的空间范围和本地化的最佳模式进行检查和可能的物理触发机制进行了讨论。据发现,对于较长的时间和较长的展向波长,在剪切层中的分离激发尾流模式。对于较短的时间和展向波长,较小的增长与近尾流的激发观察。
2013-02-12 physics.flu-dyn
Minimal seeds for shear flow turbulence: using nonlinear transient growth to touch the edge of chaos
我们提出了一个通用的策略,以确定最小的有限振幅扰动触发过渡到湍流剪切流。这涉及到构建一个变分问题,搜索所有的扰动固定的初始振幅,这方面的边界条件,不可压缩性和纳维-斯托克斯方程,最大限度地选择功能在一个渐进的长时间内。必须选择的功能,使其识别湍流速度场采取显着增强的值相比,层流场。我们说明了这种方法使用的比例的最终初始扰动动能(能量增长)作为功能和能量规范来测量振幅的背景下,管流。我们的结果表明,变分问题产生一个光滑收敛的解决方案,提供的振幅是低于阈值振幅的过渡。该最优解是经过充分研究的(线性)瞬时增长最优解的非线性模拟。在这个阈值及以上,优化搜索自然会在周期结束时找出触发湍流的扰动,然后收敛实际上是不可能的。第一个扰动发现触发湍流的幅度增加,确定了“最小种子”的给定的几何形状和强迫(雷诺数)。我们推测,它可能是可能的,以选择一个功能,使收敛的最佳低于阈值顺利收敛到最小种子在阈值。对于我们选择的能量增长泛函和这里选择的管流几何形状,这似乎至少近似正确。
2011-09-12 physics.flu-dyn
Upper bound of transient growth in accelerating and decelerating wall-driven flows using the Lyapunov method
University of Connecticut(康涅狄格大学);Binghamton University(宾汉姆顿大学)
本文通过Lyapunov方法量化瞬时能量增长上界,揭示减速基流比加速基流具有更大的瞬态增长。
2026-03-13 cs.SY eess.SY physics.flu-dyn
Reducing transient energy growth in a channel flow using static output feedback control
流动扰动的瞬时能量增长是层流到湍流转捩的重要机制,可以通过闭环控制来减轻。线性二次型最优控制策略在减少瞬时能量增长和抑制过渡方面已经显示出一些成功,但是使用基于传感器的输出闭环控制可能难以实现可接受的最坏情况性能。在这项研究中,我们研究静态输出反馈控制器,以减少在线性和非线性模拟的亚临界通道流的流动扰动的瞬态能量增长。设计了一个静态输出反馈线性二次型调节器SOF-LQR,以减小最坏情况下由于流动扰动引起的瞬态能量增长。控制器直接使用基于壁面的测量,通过上下通道壁面的垂直吹扫和抽吸来优化流量调节。最佳的静态输出反馈增益计算使用修改后的Anderson-Moore算法,加速迭代解的综合问题,利用Armijo型适应。我们表明,SOF-LQR控制器可以减少最坏情况下的瞬态能量增长,由于流量扰动。我们的研究结果还表明,SOF-LQR控制器表现出鲁棒性雷诺数的变化。直接数值模拟结果表明,所设计的SOF-LQR控制器在流向扰动下增加了层流到湍流的转捩阈值,在展向扰动下增加了转捩延迟。本研究的结果突出了SOF-LQR控制器的优点,并为未来实现改进的过渡控制策略创造了机会。
2020-12-24 physics.flu-dyn
Control-oriented model reduction for minimizing transient energy growth in shear flows
在许多剪切流中,扰动能量的瞬态放大的线性非模态机制已知会触发亚临界向湍流的转变。用于最小化该瞬态能量增长的闭环控制策略可以被公式化为基于线性矩阵不等式的凸优化问题。不幸的是,解决所需的线性矩阵不等式问题,可以在计算上禁止的情况下,高维流体流动。在这项工作中,我们研究了面向控制的降阶模型的效用,以方便设计的反馈流量控制策略,最大限度地减少瞬态能量的增长。输出投影到适当的正交分解模式被用来忠实地捕获系统的能量。随后,进行平衡截断以降低状态维数,同时保持系统的输入输出特性。模型的减少和控制方法进行了研究的背景下,线性化的通道流与吹吸驱动的墙壁。控制器合成的线性化通道流系统变得易于处理,通过使用所提出的面向控制的降阶模型。此外,所得到的控制器被发现,以减少最大的瞬态能量增长相比,更传统的线性二次最优控制策略。
2019-07-02 physics.flu-dyn
Linear feedback control of transient energy growth and control performance limitations in subcritical plane Poiseuille flow
研究了用闭环控制抑制亚临界平面Poillille流的瞬态能量增长。它是假设的任何速度分量的时间导数可以施加在墙壁作为控制输入,并提供完整的状态信息。我们表明,这是不可能的设计一个线性状态反馈控制器,导致一个闭环流量系统没有瞬态能量增长。在随后的步骤中,全状态反馈控制器-直接针对瞬态增长机制-设计,使用基于线性矩阵不等式方法的程序。这种控制器的性能首先在线性的情况下进行分析,其中比较先前提出的线性二次最优控制器;此外,过渡阈值进行评估,通过直接数值模拟的控制三维Poiffille流对不同的初始条件的物理利益,采用不同的速度分量作为壁驱动。本控制器是有效的,在闭环中的过渡阈值的增加,不同程度的性能取决于初始条件和所采用的致动组件。
2011-01-13 physics.flu-dyn
On Constructing the Minimal Seed of Turbulence: Nonlinear Transient Growth
线性瞬态增长分析通常用于提出扰动的结构,这些扰动在剪切流中触发向湍流的转变方面特别有效。我们证明,除了非线性的分析,可以大大改变预测在管流从简单的2维流向辊展向和横向流局部的3维状态。这种新的非线性最优是证明更有效地触发湍流比线性最优,表明有更好的方法来设计扰动,以实现过渡。
2010-09-03 physics.flu-dyn
Transient growth in a flat plate boundary layer under a stream with uniform shear
本研究针对均匀剪切来流下半无限平板边界层的瞬态增长展开,发现初始最优扰动为流向涡,相比Blasius边界层能量更高、展向波长更大,且最大最优放大倍数随自由流剪切梯度指数增长。
2021-07-19 physics.flu-dyn
Stable stratification enhances transient growth in streaky shear flows
本文研究稳定分层对条纹剪切流瞬态增长的影响,发现垂直剪切情形下分层可释放巨大线性能量增长,并给出完全抑制优选增长机制的临界分层强度公式。
2025-10-15 physics.flu-dyn
Splitting of localized disturbances in viscoelastic channel flow
我们研究了无惯性粘弹性通道流对局部扰动的响应。一个简化的模型表明,速度场和弹性应力场之间的非线性相互作用可以分裂成两个单独的脉冲初始扰动,如果初始扰动和基础弹性应力足够高。根据,我们证明了一个过渡到脉冲分裂制度可以实现实验。这些结果表明,一个可能的新方向研究的弹性不稳定性的粘弹性槽道流动在高弹性通过增长的本地化扰动。
2022-01-06 physics.flu-dyn
Transient energy growth in the ageostrophic Eady model
本文重新讨论了热成风切变中的最佳初始扰动问题,并将其扩展到包括非静力效应。这项系统的研究比较了瞬态和模态增长率的次中尺度不稳定性在很大范围内的纬向和纬向波数,长宽比,和不同的理查森数制度。导出了选择准则以去除由本征值问题引起的虚假和未解决的不稳定模式,并且我们将Heifetz和Farrell(2003,2007,2008)对流体静力Eady问题的研究推广到以大展弦比为特征的薄锋。这种锋面通常出现在锋生的早期阶段,例如,在海洋中尺度涡旋和飓风眼壁附近。特别是,我们表明,瞬态能量的增长率是两个数量级以上的模态对应的Richardson数的范围很广,瞬态能量增益的影响变得更大时,非流体静力学效应变得重要和/或大Richardson数。本研究还比较了在短期和长期的能量增长的主要能源途径。对于对称模式,我们恢复了徐等人(2007)中描述的惯性-重力不稳定性。与增长最快的斜压和对称模式相比,这些机制被证明是最强大的介质的垂直输送。这些结果突出了海洋和大气中瞬变过程的重要性。
2020-04-15 physics.flu-dyn
Pattern preservation during the decay and growth of localized wave packet in two-dimensional channel flow
本文从理论和数值两方面研究了二维平面Poillille流中局域波包(LWP)的衰减和增长。当雷诺数($Re$)小于某一临界值$Re_c$时,LWP扰动动能$E_k$随时间单调减小,并经历了初始陡降期、最终陡降期和中间平台期3个衰减阶段。衰减LWP的较高初始$E_k$对应于较长寿命。根据模拟,寿命按$(Re_c-Re)^{-1/2}$缩放,指示当$Re$接近$Re_c$时寿命的发散,这是被称为“临界减速”的现象。通过提出模式保持近似,即演化LWP的积分运动学性质(如扰动拟能)与$Re$和$E_k$的单值函数无关,扰动动能方程可以转化为经典的鞍结分岔微分方程,由此可以导出衰变LWP的寿命,支持$-1/2$标度律.此外,通过应用模式保持近似和积分运动学性质获得的$Re<Re_c$,雷诺数和相应的$E_k$的整个下支,转折点,并与$E_k<0.15$的上支LWP成功地预测与扰动动能方程,表明模式保持是这种局部过渡结构的内在特征。
2022-04-05 physics.flu-dyn
Linear stability analysis of ice growth under supercooled water film driven by a laminar airflow
我们提出了一个理论模型下的风驱动过冷水膜冰的增长。通过改变气流速度,可以改变水层的厚度和表面速度。对于给定的供水率,进行线性稳定性分析,研究冰-水界面的形态不稳定性。在该模型中,由于冰形的变化,水和空气边界层同时受到扰动,并考虑了空气和水流的相互作用对冰水界面扰动增长条件的影响。结果表明,随着风速的增加,扰动的放大率显着影响的可变应力施加在水-气界面上的空气流以及回复力,由于重力和表面张力。我们预测,一个厘米级的波长的冰图案出现和波长减小风速的增加,冰图案的方向相反的水流。空气应力扰动对水-空气界面处的传热系数的影响也被研究为各种风速。
2011-04-28 physics.flu-dyn
Transient growth in Rayleigh-Bénard-Poiseuille/Couette convection
本文研究了不稳定的横流温度梯度对平面Poietille流和平面Couette流的瞬态增长现象的影响。只有流向均匀扰动和近流向均匀扰动受Rayleigh数Ra和Prandtl数Pr的影响较大,流向均匀扰动的最大最优瞬态增长Gmax随Ra的增大和Pr的减小而缓慢增大,对于所有Ra和Pr,在中等大的Re下,流向均匀扰动总是能达到Gmax的上确界(或在平面库埃特流的情况下,几乎是流向均匀扰动),产生大的流向条纹和瑞利-贝纳德对流卷(RB)。最佳增长曲线保持相同的大雷诺数标度在纯剪切流。三维矢量模型的控制方程表明,短时间的行为是由经典的提升机制,Ra对这个机制的影响是次要的,可以忽略不计。最大长时间响应的最佳输入由主本征模相对于能量标量积的伴随给出:没有流向速度分量的RBeigen模。这些短期和长期响应描述了最优瞬时增长G(t)。在中等大的Ra(或小Pr在一个固定的Ra),主导伴随模式是一个很好的近似的最佳初始条件的所有时间。在一般的一类范数,可以被认为是增长函数,结果保持定性相似,例如,主导伴随本征模仍然接近最大的最优响应。
2016-01-28 physics.flu-dyn
From three-dimensional to quasi-two-dimensional: Transient growth in magnetohydrodynamic duct flows
本研究旨在阐明线性瞬态增长机制,在一个均匀的管道与方形截面适用于流动的导电流体的外部磁场的影响下。一个特别的重点是在高磁场是否存在纯粹的二维机制的问题,以及这些是否可以描述一个计算成本低廉的准二维模型。研究了$5000$和$15\,000$两种雷诺数以及广泛的哈特曼数范围$0 \leq Ha \leq 800$。三个广泛的制度,其中最佳模式的拓扑结构和非模态增长机制是不同的。这些制度对应于低,中,高磁场强度被认为是由独立的参数,哈特曼数,雷诺数的基础上的哈特曼层厚度$R_H$,和雷诺数建立在Shercliff层厚度$R_S$,分别。在$Ha \approx 2$和不低于$R_H \approx 33.\dot{3}$的条件下分别发生状态之间的转换。值得注意的是,对于高哈特曼数制度,准二维磁流体动力学模型被证明是一个很好的预测,不仅是瞬态增长幅度,但也是基本的增长机制的线性扰动。这为在比目前可实现的高得多的哈特曼数下精确分析准二维湍流过渡铺平了道路。
2018-11-10 physics.flu-dyn
Optimal transient growth and transition to turbulence in the MHD pipe flow subject to a transverse magnetic field
本文研究横向磁场对液态金属管道流动最优瞬态增长的影响,发现不同磁场强度下扰动拓扑与增长机制各异,并通过三维非线性模拟揭示其转捩路径。
2024-05-22 physics.flu-dyn
Transient Growth in Streaky Unbounded Shear Flow: A symbiosis of Orr and Push-over mechanisms
本研究通过Kelvin模型证明,在条纹状剪切流中,推倒机制与基于条纹的Orr机制协同作用可增强瞬态增长,并揭示二者共同驱动近壁湍流中条纹到滚转的再生循环。
2025-08-07 physics.flu-dyn
The stability of a rising droplet: an inertialess nonmodal growth mechanism
先验模态稳定性分析(Kojima等人,Phys. Fluids,第27卷,1984年)预测,在存在表面张力的情况下,无论表面张力有多小,粘性流体中上升或沉降的液滴都是稳定的,这与实验和数值结果相反。通过进行非模态稳定性分析,我们证明了潜在的瞬态增长的界面能的上升液滴在无惯性斯托克斯方程的限制。预测的临界毛细管数的瞬态增长同意与那些不稳定的形状演变的液滴中发现的直接数值模拟的Koh和Leal(物理流体,第1卷,1989年)。边界积分模拟用于描绘最不稳定扰动的临界振幅。临界振幅与线性最优能量增长呈负相关,这意味着瞬态增长是负责减少必要的扰动振幅所需的逃离吸引力的球形解决方案的盆。
2015-11-30 physics.chem-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Threshold transient growth as a criterion for turbulent mean profiles
本研究将湍流条纹瞬态增长建模为两阶段线性过程,发现维持湍流的阈值瞬态增长随雷诺数增加而减小,并据此修正了Malkus关于湍流平均剖面可实现性的经典假设。
2024-07-08 physics.flu-dyn
Optimising energy growth as a tool for finding exact coherent structures
我们讨论了如何寻找有限振幅扰动的一个给定的能量,最大限度地提高其随后的能量增长后,一定的稍后时间$T$可以用来探测相空间周围的参考状态,并最终找到其他附近的解决方案。该过程依赖于这样一个事实,即所有的初始扰动的恒定能量超球,优化过程将自然地选择一个位于最接近的稳定流形附近的解决方案在相空间中,如果$T$是足够大的。然后,当在其随后的演化中,最优扰动瞬时地接近新的解时,在该点处的流状态可以用作初始猜测以使解收敛到机器精度。我们通过以下方式在平面Couette流中说明了这种方法:a)重新发现Schneider等人(2010 b)的展向局部化“蛇”解; b)在非常低的雷诺数下探测相空间($< 127.7$)其中恒定线性剪切解被认为是全局吸引子;以及最后c)检查当稳定分层杀死湍流吸引子时层流和湍流之间的边缘如何演变。我们还表明,稳定的蛇解决方案顺利离域不稳定分层逐渐打开,直到它连接(通过一个中间的全球3D解决方案)的2D瑞利-贝纳德滚解决方案。
2017-01-31 physics.flu-dyn
Non-modal stability analysis of stratified two-phase channel flows
研究了两种不互溶流体在水平和倾斜槽道流动中扰动的非模态瞬态增长。三维扰动检查,以找到最佳的扰动,在相对较短的时间内达到最大的扰动能量放大。扩展了能量规范的定义,以考虑重力势能以及动能和界面毛细能。与最快的指数增长相反,最大的非模态能量增长主要是通过三维展向扰动实现的,而最快的指数增长基本上是通过二维扰动实现的。显着的瞬态能量增长被发现发生在线性稳定的流配置,这类似于单相剪切流,可能会触发非线性不稳定机制内的一个阶段。结果表明,在线性稳定的情况下,瞬态能量的增长可以伴随着显着的界面变形。因此,不能排除由于非模态瞬态增长和分层平滑流保持稳定的运行条件范围减小而导致的流型转变。
2018-10-29 physics.flu-dyn
Transient growth of wavelet-based resolvent modes in the buffer layer of wall-bounded turbulence
本研究通过小波基响应分析,发现壁湍流缓冲层中主响应模式的瞬态增长,其能量放大随注入强度平方增长,非线性项抑制增长,且主强迫模式最有效地放大条带能量。
2023-12-24 physics.flu-dyn
Optimal transient growth in an incompressible flow past a backward-slanted step
为了在寻求减少汽车尾部的气动阻力方面迈出第一步,我们研究了不可压缩流的分离和再附着现象,重点是特定的气动几何形状,即25度倾斜的向后倾斜的台阶。随后的再循环气泡提供的基础上的分析和数值研究的流向条纹的产生,提升效果,并遵循唤醒和开尔文-亥姆霍兹不稳定性。本文首先进行了线性稳定性分析,然后利用变分法、伴随法、惩罚格式和正交化算法,解决了具有定常体积强迫的最优控制问题。处理展向周期性扰动的瞬态增长和物理可实现的扰动的需要的启发,我们最后提供了一个程序,实现了动能最大增益的顺序为100万相对于由外部强迫引入的功率。
2019-02-27 nlin.CD physics.flu-dyn
Optimal Energy Growth in Current Sheets
本文研究了电流片线性微扰中瞬态增长的可能性。由电流片组成的背景场的电阻磁流体动力学(MHD)算子是非正常的,这意味着相关的本征值和本征模可以是非常敏感的扰动。在撕裂电流片的线性稳定性分析中,我们表明,模式阻尼为$t\rightarrow\infty$可以产生瞬态能量增长,贡献更快的增长率和更高的能量实现(在一个固定的有限时间内)比不稳定的撕裂模式从正常模式分析。我们确定的瞬态增长撕裂稳定和撕裂不稳定的制度,并讨论我们的结果在太阳大气中的过程,如耀斑和日冕加热的后果。我们的研究结果有显着的潜在影响,如何快速电流片可以被打乱。特别是,由于(渐近)阻尼模式的瞬态能量增长可能会导致加速电流片变薄,因此,更快的等离子体团不稳定性的发病率相比,由撕裂模式单独确定。
2017-09-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Global stability of fluid flows despite transient growth of energy
层流的非线性稳定性是流体动力学的核心问题。过去的结果依赖于扰动能量或类似的二次广义能量的单调减少。没有一个显示出稳定的许多流动,似乎是稳定的,尽管这些能量增长短暂。这里提出了一种广泛适用的方法来验证这种流动的全局稳定性。它使用多项式优化计算来构造单调递减的非二次李雅普诺夫函数。该方法被用来验证全局稳定性的二维平面Couette流在雷诺数以上的能量稳定性阈值奥尔在1907年发现。这是第一个全局稳定性的结果,任何流,超过了能量方法。
2022-03-03 math.DS math.OC physics.flu-dyn
Bypass to Turbulence in Hydrodynamic Accretion: Lagrangian Analysis of Energy Growth
尽管有观测证据表明存在冷中性天体物理学吸积盘,但在这种系统中可能驱动吸积的粘性过程还不清楚。虽然分子粘度太小,无法解释所观察到的吸积效率超过十个数量级,但开普勒吸积流中没有任何线性不稳定性通常被用来排除湍流粘度的可能性。最近,任何无粘剪切流的一些微调扰动可以达到任意大的瞬态增长的事实已被提出作为这些系统中的湍流的替代途径。我们提出了一个分析研究这个过程的三维平面波扰动的一般旋转剪切流在拉格朗日坐标,并证明了大的瞬态增长是非轴对称扰动的一般特征与近径向领先的波矢量。最大能量增长比二次增长慢,但比线性增长快。最快的增长发生在二维扰动,并且仅受粘性的限制,并最终受盘的垂直厚度的限制。在考虑了粘性和垂直结构之后,我们发现,作为雷诺数R的函数,最大能量增长约为0.4(R/log R)^{2/3},并提出了一个启发性的论点,说明为什么在开普勒盘中需要R > 10^4才能维持湍流。因此,假设存在一个非线性的反馈过程来补充瞬态增长的种子,天体物理学的吸积盘必须在湍流范围内。然而,需要运行许多轨道时间和/或微调初始条件的大型3D数值模拟,以在计算机上确认开普勒流体动力学湍流。
2005-04-28 astro-ph physics.flu-dyn
Pulsatility delays the transition to sustained turbulence in quasi-two-dimensional shear flows
本研究发现,在准二维剪切流中,引入振荡基流分量虽能增大二维初始扰动的瞬态增长,但主要由模态周期内增长构成,反而会延迟向持续湍流的转变,非振荡驱动力才是最有效策略。
2025-02-01 physics.flu-dyn
Linear stability, transient energy growth and the role of viscosity stratification in compressible plane Couette flow
本文研究了两种可压缩平面Couette流的线性稳定性和非模态瞬态能量增长:(a)常粘性的{ \it均匀剪切}流和(b)具有{ \it分层}粘性的{\it非均匀剪切}流。在一定的超音速马赫数($M$)范围内,这两种平均流都是线性不稳定的。对于给定的$M$,均匀剪切流的临界雷诺数($Re$)明显小于非均匀剪切流。扰动能量的分析表明,不稳定性主要是由能量从平均流到扰动的过度转移引起的。结果表明,从平均流的能量转移发生在靠近移动顶壁的“模式I”的不稳定性,而它发生在大部分的流动域的“模式II”。对于非模态分析,它表明,最大放大的扰动能量,$G_{\max}$,是显着更大的均匀剪切的情况下相比,其非均匀对应。对于$α=0$,线性稳定性算子可以划分为${\cal L}\sim \bar{\cal L} + Re^2{\cal L}_p$,和$Re$相关的算子${\cal L}_p$被证明有一个可忽略的小扰动能量的贡献,这是著名的二次标度律的有效性在均匀剪切流:$G(t/{\it Re}) \sim {\it Re}^2$。一个简化的无粘模型已被证明可以捕捉到全粘性问题的瞬态能量增长的所有显著特征。对于模态和非模态不稳定性,它表明,{ \it粘度分层}的基本平均流将导致延迟的可压缩Couette流的转变。
2008-04-01 physics.flu-dyn
Global modal/non-modal analysis of high-enthalpy Martian entry vehicles
Graduate Aerospace Laboratories, California Institute of Technology(加州理工学院高等航空实验室);Department of Aeronautics and Astronautics, Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院航空航天系)
该研究通过全局模态和瞬态增长分析,发现高焓火星进入飞行器在层流-湍流转捩中,剪切-熵层的瞬态增长是关键的线性路径,且最优增益随雷诺数线性变化。
2026-09-25 physics.flu-dyn
Extended Squire's transformation and its consequences for transient growth in a confined shear flow
将经典的Squire变换推广到Orr-Sommerfeld模和Squire模的整个本征函数结构。对于任意雷诺数Re,该变换允许通过较小雷诺数Re 2D下的二维(2D)初值问题来解决任意三维(3D)扰动的初值问题。其影响的瞬态增长的任意三维扰动进行了研究。使用平方变换,一般的解决方案的初始值问题,预测大雷诺数缩放的最佳增益在所有的优化时间t与t/Re有限或大。该结果是由Gustavsson(J. Fluid Mech.,第224卷,1991年,第224页。241-260)和Reddy & Henningson(J. Fluid Mech.,第252卷,1993年,第252页。209-238),其中α是流向波数。的乡绅变换也扩展到伴随问题,因此,伴随Orr-Sommerfeld和乡绅模式。因此,证明了由指数增长给出的三维扰动的长时间最优增长可以将前导本征模的增益(或衰减)乘以表示其感受性的额外增益分解为由纯2D机制产生的增益与表示3D生长机制的分析贡献的乘积,该分析贡献等于1+(βRe/Re 2D)2G,其中β是展向波数,G是已知的表达式。例如,当主导本征模是Orr-Sommerfeld模时,其由来自2D Orr机制的相应增益和表示3D提升机制的解析表达式的乘积给出。然而,如果领先的本征模是一个乡绅模式,额外的增益被证明是完全由于三维提升机制。
2016-01-27 physics.flu-dyn
Analysis of transient growth using an orthogonal decomposition of the velocity field in the Orr-Sommerfeld Squire equations
经典流体动力学稳定性理论尽管取得了显著的成就,但未能预测壁面剪切流的转捩。这种模式的方法的缺点是发现20年前,是与非正交的本征模式的线性化问题,德指出的奥尔索末菲和乡绅方程。这个线性化问题的相关本征模是法向速度和法向涡度本征模,它们不是维数均匀的量。因此,这两族本征模之间的非正交性条件尚未得到明确的证明。利用螺线管速度场的正交分解,速度扰动被表示为OrrSommerfeld速度场(扰动法向速度的函数)和Squirevelocity场(扰动法向涡量的函数)的L2正交和。使用这种分解,变分制剂的线性化问题的书面,这是相当于奥尔索末菲和乡绅方程,但其本征模式由两个家庭的速度本征模式(因此尺寸均匀)。我们证明了这两个集合是非正交的,它们之间的线性组合可以产生大的瞬态增长。利用这个新的公式,最佳模式和连续模式转换之间的联系也将被澄清,作为直接谐振的作用。数值解的情况下,薄边界层发展的两个平行的壁在大雷诺数的分析。在这种情况下,将给出失稳扰动的特征。
2013-05-21 physics.flu-dyn
Feedback control for transition suppression in direct numerical simulations of channel flow
对于亚临界雷诺数($Re<5772$)的槽道流,由于小扰动的动能的大的瞬态放大,可能出现层流到湍流的转变,从而导致壁面阻力的增加。本研究的目标有三个方面:(1)研究瞬态能量增长的非线性效应,(2)设计一个闭环控制策略,以防止这种亚临界转变,和(3)检查控制机制,使过渡抑制。采用线性分析和非线性模拟方法研究了亚临界雷诺数$Re=3000$时平面Poiffille流中线性最优扰动的瞬态能量增长。我们发现,放大给定的初始扰动时,非线性效应是实质性的,与较大的扰动被放大一般较少。此外,我们设计了线性二次型最优控制器,通过在通道壁的正常吹和吸驱动延迟过渡。我们证明,这些反馈控制器能够减少瞬态能量增长的线性设置。同样的控制器的性能进行评估的非线性流层流到湍流过渡出现没有控制。非线性仿真结果表明,该控制器可以减少暂态能量增长和抑制过渡。此外,我们确定和表征的基本物理机制,使闭环控制抑制和延迟层流到湍流过渡。
2019-09-12 physics.flu-dyn
Transient Growth in Stochastic Burgers Flows
本研究考虑随机强迫下Burgers方程解的极端行为问题。更具体地说,我们感兴趣的是“拟能”(解决方案的Sobolev $H^1$拟能)作为初始拟能$\mathcal{E}_0$的函数所实现的最大增长,特别是,在随机设置中,这种增长是否不同于Ayala \& Protas(2011)所考虑的确定性情况。这个问题的动机是关于噪声对流体动力学模型中可能的奇异性形成的影响的问题。在随机问题中感兴趣的主要量是拟能的期望值和解的期望值的拟能。随机Burgers方程的数值求解与Monte Carlo抽样方法。通过研究一系列的最佳初始数据和不同的噪声幅度获得的解决方案,我们揭示了不同的解决方案的行为,它表明,这两个数量总是括号拟能的确定性解决方案。关键的发现是,拟能的预期值表现出相同的幂律依赖于初始拟能$\mathcal{E}_0$的确定性的情况下报告。这表明,随机激励并没有增加极端拟能增长超过已经观察到的确定性的情况下。
2018-01-15 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Contact Line Instability and Pattern Selection in Thermally Driven Liquid Films
已知在各种力的作用下在固体基底上扩散的液体表现出长波长接触线不稳定性。我们使用一个热驱动的水平表面上的传播的例子来研究如何使用反馈控制来改变流的稳定性,或选择模式。我们表明,热扰动的接触线后面的一定的空间结构,并与接触线从其平均位置的偏差成比例,可以完全抑制不稳定性。由于平均流的存在和空间不均匀的性质的扩散液膜的动态扰动是由一个非正常的演化算子,开辟了一个可能性的瞬态放大和非线性不稳定性。我们表明,在热驱动的情况下,非正常性可以是显着的,特别是对于小波数扰动,并跟踪的起源瞬态放大到一个大组的演化算子的本征函数的紧密对齐。然而,对于实验中可能出现的噪声值,我们发现瞬态放大不足以改变线性稳定性分析的预测或使所提出的控制方法无效。
2002-11-11 math-ph math.MP math.OC
Transient growth of perturbations on scales beyond the accretion disc thickness
谱稳定剪切流的湍流状态可以根据转捩的旁路方案来发展和维持。如果它工作在非磁化的无限和均匀的准开普勒流,瞬时增长的剪切涡应提供能量的湍流。采用大剪切盒近似,以及一组全球盘模型,我们研究了在这样的流中的剪切涡的最佳增长在整个范围内的方位角的长度尺度,$λ_y$,相比的流量尺度高度,$H$。结果表明,与帐户的粘度的剪切涡,$G_{max}$的最高可能的放大,达到最大值在$λ_y\lesssim H$和下降对大尺度$λ_y\gg H$和小尺度$λ_y\ll H$在一个很好的协议与分析估计的基础上平衡的解决方案。我们主要关注大尺度涡旋$λ_y\gg H$,它产生$G_{max}\propto (Ω/κ)^4$,其中$Ω$和$κ$分别表示本地旋转和周转频率。结果表明,大尺度涡在接近摆动的瞬间获得高密度扰动。同时,它们的生长不受体积粘度的影响。我们检查,全球获得的$G_{max}$是可比的本地对应和形状和本地化的全球最佳涡可以解释的本地方法。所得到的结果使我们能够建议,在准开普勒流的亚临界过渡到湍流的临界雷诺数,以及相应的湍流的有效方位应力应基本上取决于剪切速率。
2017-01-10 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR