Turbulent pair separation due to multi scale stagnation point structure and its time asymmetry in two-dimensional turbulence
Goto和Vassilicos的对分离模型（S Goto和J C Vassilicos，2004，New J.Phys.，6，p.65）被重新访问，并放置在一个健全的数学基础。本文用一个具有逆能量级联和k^{-5/3}幂律的二维均匀各向同性湍流的直接数值模拟方法研究了二维湍流中电子对分离的性质。一个特别的焦点在于观察到的向前和向后分离之间的时间不对称性。本模型的应用，这一数据受到有限的惯性范围的影响，因此，有条件的平均尺度，而不是时间已被用来获得理查森常数和它们的比率的值。前向和后向情形的Richardson常数分别为（1.066 +/-0.020）和（0.999 +/-0.007）。因此，前后两种情况下的Richardson常数之比为g_b/g_f =（0.92 +/-0.03），因此表现出与三维湍流中的对分离不同的性质，其中g_b > g_f（J Berg et al.，2006，Phys.Rev.E，74（1），p.016304）。这表明，以前提出的解释这种时间不对称的应变张量特征值的基础上是不足以描述这种现象在二维湍流。我们提出了一个替代的定性解释的基础上的时间不对称性与反向与正向能量级联。在二维湍流中，这种不对称性表现在由于逆级联而产生的合并涡中，从而导致观察到的理查森常数比。
2009-01-08 physics.flu-dyn
Clustering in laboratory and numerical turbulent swirling flows
我们研究的三维集群的速度停滞点，零的涡量和拉格朗日加速度，和惯性粒子在湍流在固定的雷诺数，但在不同的大规模流动的几何形状。为此，我们结合直接数值模拟均匀和各向同性湍流和泰勒-格林流，粒子跟踪测速在冯卡门实验。虽然流动有不同的拓扑结构（因为零粒子的聚集方式不同），但粒子的行为在所有情况下都是相似的，这表明泰勒尺度的中性浮力粒子聚集为惯性粒子。
2022-08-16 physics.flu-dyn
Effect of gravitational settling on the collisions of small inertial particles with a sphere
小惯性颗粒与中等雷诺数球体碰撞的速率被发现受到强烈影响时，前者也在重力的作用下沉降。小粒子的沉降确实改变了临界斯托克斯数，超过这个数就会发生碰撞。这是解释的屏蔽效应的存在所造成的停滞鞍点的有效速度场的小颗粒感知的不稳定的流形。还发现存在一个次临界斯托克斯数，在此数以上不发生碰撞。这是由于大斯托克斯数粒子沉降得更快，使得较大的粒子更难赶上它们。尽管如此，在这种情况下，流动扰动在收集器的尾流中产生复杂的颗粒分布，有时允许从后面碰撞。这可以导致在弗劳德数的大值处高于1的碰撞效率。
2020-09-07 physics.flu-dyn
The secondary flow in a short aspect ratio circular lid driven cavity at small but finite Reynolds number
得到了圆形盖驱动空腔内Stokes流场、惯性对流场的一阶效应、一次压力场和二次压力场的正则摄动解。导致涡破裂的物理机制存在于小雷诺数下，它是由逆压梯度引起的二次流停滞。旋转盖与静止侧壁之间的不连续性对流场的影响可以忽略不计，只要二次流的惯性强迫不局限于边界不连续性附近，并且雷诺数较小。
2003-10-21 physics.flu-dyn
Premixed flames in a stagnation point flow under Darcy's law
University of Manchester（曼彻斯特大学）
研究达西定律下非绝热预混火焰的结构与熄灭特性，发现应变率跳跃由粘度而非密度引起，并识别出运动粘性阻力作为关键拉伸因子，揭示了摩擦主导环境中火焰稳定的新机制。
2026-09-14 physics.flu-dyn
Forward and backward in time dispersion of fluid and inertial particles in isotropic turbulence
本文从理论和数值两方面研究了各向同性湍流中流体和惯性粒子对的时间向前（FIT）和时间向后（BIT）色散。已知流体粒子在三维湍流中比FIT更快地分离BIT，并且我们发现惯性粒子也是如此。然而，我们发现，在惯性粒子分散的不可逆性是在一般情况下比流体粒子强得多。例如，BIT与FIT均方间隔的比率对于惯性颗粒可以比对于流体颗粒大高达一个数量级。我们还发现，对于惯性粒子和流体粒子的不可逆性变得更强的规模，他们的分离减少。关于不可逆性的物理机制，我们认为，而流体粒子对分散的不可逆性可以理解的方向偏差所产生的能量转移过程中的湍流，惯性粒子的经验产生的不可逆性的额外来源的非本地贡献，其速度动力学，贡献消失在极限${St\to0}$，其中$St$是粒子斯托克斯数。对于每个给定的初始（最终，在时间向后的情况下）分离$\bm{r}^0$，存在分散不可逆性最强的最佳值$St$，因为这样的颗粒最佳地受到两种不可逆性源的影响。我们推导出分析表达式的位，均方分离的惯性粒子和比较的预测…
2015-07-22 physics.flu-dyn
Inertial particle acceleration in strained turbulence
本研究通过直接数值模拟轴对称膨胀均匀湍流应变流，探究应变对湍流中被动与惯性粒子加速度的影响，推导了相关近似与表达式，并结合可比流动背景讨论了结果的物理意义。
2015-04-09 physics.flu-dyn
Taylor dispersion and large-deviation structure in stagnation-point flows without homogenisation
Department of Mathematics & Statistics, University of Strathclyde（斯特拉斯克莱德大学数学与统计系）
本文分析细长管轴向应变流中的被动标量弥散，揭示长时间下由轴向拉伸主导、形成方差指数增长的 Ornstein–Uhlenbeck 高斯剖面，区别于经典 Taylor 弥散机制。
2026-10-14 physics.flu-dyn
Analysis of the forward and backward in time pair-separation PDFs for inertial particles in isotropic turbulence
本文利用理论和直接数值模拟（DNS）研究了各向同性湍流中惯性粒子对分离的时间向前（FIT）和时间向后（BIT）概率密度函数（PDF）。与我们早期的研究一致（Bragg等人，Phys. Fluids 28，013305（2016）），其中我们比较了FIT和BIT均方分离，我们发现惯性粒子分离BIT比FIT快得多，不可逆性的强度取决于粒子对的最终/初始分离及其斯托克斯数$St$。然而，我们也发现，不可逆性在完整PDF的行为中以微妙的方式出现，而在均方分离中则没有。在理论中，我们得到新的预测，包括预测的BIT/FIT PDF的${St\geq O(1)}$，并最终/初始分离的耗散制度。预测表明，在耗散范围内的粒子相对速度的焦散如何影响对分离PDF的缩放，导致PDF与代数衰减的尾巴。预测的PDF的功能行为是普遍的，因为它不依赖于底层湍流的不稳定性水平。我们还分析了流体粒子在短时间内的成对分离PDF，并使用多重分形形式主义来描述流体相对速度分布，构建理论预测。理论和数值结果都表明，小尺度下惯性粒子对色散的极端事件主要是由它们与湍流速度场的非局域相互作用所决定的，而不是由于湍流本身的强耗散范围不稳定性。
2017-08-14 physics.flu-dyn
Coarse-grained strain dynamics and backwards/forwards dispersion
在中等雷诺数的湍流中进行了粒子跟踪测速实验。我们目前实验获得的拉伸率的粒子对在惯性范围内。当补偿的特征时间尺度为粗粒度的应变，我们观察到不断的拉伸。这表明，在粘性子区中发生的材料线拉伸过程在惯性子区中具有对应的过程。我们调查向前和向后分散。我们发现了一个更快的向后拉伸，并将其与相对色散及其时间不对称性的问题。
2006-10-19 physics.flu-dyn
Compressibility and variable inertia effects on heat transfer in turbulent impinging jets
本文说明了气流可压缩性对受限冲击射流中传热的重要性，以及它是如何由马赫数和壁面热流密度共同驱动的。因此，我们提出了一系列的情况下，在几个马赫数与不同的热流值施加在冲击壁。壁面温度与施加的热流呈线性关系，绝热壁面温度纯粹受流动压缩的影响。特别是对于高的热通量值，非恒定的壁温引起流体的热导率的相当大的差异。这种现象迄今尚未被讨论，它强烈调制努塞尔数。与此相反，传热系数是独立的变化的热性质的流体和壁的热通量。此外，我们引入了冲击效率，突出了壁面的温度受压缩性影响的区域。该参数表明，随着热通量的减小，流动压缩对提高壁面温度的贡献如何变得更占主导地位。因此，即使在低马赫数下，当使用低热通量值时，知道绝热壁温对于获得正确的传热系数是必不可少的。最后，对膨胀场的详细分析还表明，压缩性效应如何仅影响停滞点附近的传热。这些可压缩性效应在远离气流冲击处迅速衰减，而沿发展中的边界层的密度变化则是由可变惯性效应引起的。
2019-11-27 physics.flu-dyn
On the mechanism of elasto-inertial turbulence
弹性惯性湍流是在含有聚合物添加剂的流体中发现的一种新的湍流状态。从聚合物动力学和流动结构耦合的角度研究了由这些添加剂产生和控制的湍流动力学。直接数值模拟的通道流的雷诺数范围从1000到6000（基于体积和通道高度）被用来研究弹性不稳定性的形成和动力学及其对流动的影响。由此产生的聚合物动力学和流动之间的相互作用的机制有助于解决一个长期存在的争议，在聚合物减阻的理解，并解释了早期湍流的现象，或在较低的雷诺数比牛顿流，以前观察到的聚合物流的湍流发作。聚合物还指出了一个有趣的类比，即二维湍流中的前向和后向能量级联。
2013-01-17 physics.flu-dyn
Reynolds number limits for jet propulsion: A numerical study of simplified jellyfish
扇贝定理指出，往复运动的方法，如喷气推进或划桨，将不工作在斯托克斯流（雷诺数= 0）。在自然界中，喷气推进的有效极限仍然在惯性力显著的范围内。似乎几乎所有使用喷气推进的动物都在雷诺数（Re）约为5或更大的情况下游泳。幼年乌贼和章鱼从蛋中孵化出来时已经在这种惯性状态下游泳了。本文采用浸入边界法求解二维纳维-斯托克斯方程，并结合简化水母的运动，探讨了中等Re条件下喷气推进的局限性。收缩和膨胀运动学是规定的，但理想化的水母的向前和向后的游泳运动是由由此产生的流体动力学确定的涌现特性。模拟进行扁圆形钟形使用划桨模式的游泳和扁长形钟形使用喷气推进。计算雷诺数在1和320之间时的平均前进速度和输入系统的功。结果表明，当Re < 10时，钟形结构的前向速度随Re的减小而迅速衰减。类似地，对于Re < 10，产生脉冲运动所需的功显著增加。当与实际生物相比，游泳速度和旋涡分离模式的模型长同意观察到的线虫bachei。两个脉冲周期后的模型扁圆水母的向前游泳速度是可比的Aurelia aurita报道，但差异观察到的涡动力学之间的2D模型扁圆水母和生物体。
2010-10-16 physics.flu-dyn
Asymptotic analysis of chaotic particle sedimentation and trapping in the vicinity of a vertical upward streamline
本文用渐近方法研究了重Stokes粒子在平面层流和轴对称流中的沉降。我们专注于Stommel的保留区的发生，并在分裂他们的separatrices。本文的目的是分析在什么条件下这些保留区可以形成，以及在什么条件下，他们可以打破和诱导混沌颗粒沉降。颗粒在静止流体中的终极速度与流体的典型速度相当，颗粒的响应时间远小于典型的流动时间尺度。据观察，如果流是稳定的，并有一个向上的流线，其中的垂直速度有一个严格的局部最大值，然后惯性粒子轨迹可以采取局部的椭圆形Stommel细胞的形式，提供粒子的终极速度是足够接近当地的峰值流速。这些结构仅依赖于局部流动拓扑，并且不要求流动具有闭合流线或停滞点。如果，此外，流是提交给一个弱的时间周期性扰动，经典的扩展使一个写的粒子动力学作为一个自由度的哈密顿系统，加上扰动包含两个耗散项的粒子运动方程和流动的不稳定性。因此，Melnikov的方法提供了准确的标准来预测上述椭圆细胞的分界线的分裂，导致混沌粒子捕获和混沌沉降。本文讨论了粒子惯性和流动不稳定性对Melnikov函数简单零点出现的影响。然后研究了平面胞状流和垂直管道中的颗粒运动，以说明这些结果。
2010-03-22 physics.flu-dyn
In search of random uncorrelated particle motion (RUM) in a simple random flow field
对各向同性均匀湍流中分散颗粒运动的DNS研究[1]揭示了存在依赖于颗粒惯性τp（归一化颗粒响应时间或Stoke数）的随机不相关运动（RUM）分量。本文报道了在一个简单的线性随机平稳变化的流场的反向旋转涡的两个粒子的速度相关性作为一个功能的空间分离测量RUM的存在。用Stokes数表示，粒子在一个方向上的运动对应于重阻尼（τp < 0.25）或轻阻尼（τp > 0.25）谐振子。在轻微阻尼的情况下，粒子越过流动的滞流线，从一个涡投射到另一个涡（所谓的弹弓效应）。结果表明，RUM仅在τp > 0.25时出现，并随Stokes数的增加而单调增加.粒子对分离分布函数的计算表明，粒子浓度场从未达到平衡，零分离浓度随时间单调增加。这与粒子速度场的平均Liapounov指数（有限可压缩性）的计算负值是一致的。
2012-06-04 physics.flu-dyn
Transition from geostrophic flows to inertia-gravity waves in the spectrum of a differentially heated rotating annulus experiment
惯性重力波在地球大气动力学中起着重要的作用，它向上传播时会产生能量和动量通量。一个悬而未决的问题是在多大程度上IGWs有助于总能量和平坦化的能量谱观察到的中尺度。在这项工作中，我们提出了一个实验研究的能量分配之间的大尺度平衡流和小尺度不平衡流。在差热旋转环实验中，观测到斜压喷流发射的弱非线性IGW。与大气谱相似，实验动能谱揭示了典型的分为两个不同的制度与斜率$k^{-3}$为大尺度和$k^{-5/3}$为小尺度的细分。通过将光谱分离为涡旋和波分量，可以看出，在中尺度的大尺度端，实验中观察到的重力波导致光谱变平，并提供了大部分能量。在较小的尺度上，我们的数据分析表明，一个过渡到湍流制度的前向能量级联的扩散过程中发生的耗散。
2020-04-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Relative Velocity of Inertial Particles in Turbulent Flows
本文提出了一个计算湍流中惯性颗粒相对速度的模型。我们的一般公式表明，相对速度的贡献，从两个方面，称为广义加速度和广义剪切条款，因为他们减少到众所周知的加速度和剪切Saffman-Turner极限。广义剪切项表示颗粒沿其轨迹的流速差的记忆，并且依赖于惯性颗粒对在时间上向后的分散。这种向后的分散在确定粒子的相对速度的重要性被强调。我们发现，我们的模型与两相分离行为，早期弹道阶段和后来的示踪剂样阶段，发现最近的模拟惯性粒子对的前向（在时间上）分散，给出了很好的拟合，从模拟在低雷诺数下测得的相对速度。在单分散的情况下，与相同的颗粒，广义加速度项消失，相对速度是由广义剪切项。在大雷诺数下，我们的模型给出了弹道行为和Richardson分离定律在惯性范围内相对速度对Stokes数$St$的$St^{1/2}$依赖性。这导致相同的惯性范围缩放的两相分离，很好地拟合模拟结果。我们的计算表明，双分散的情况下，与固定的摩擦时间尺度的一个粒子，相对速度作为另一个粒子的摩擦时间的函数有一个下降时，两个时间尺度是相似的。我们发现，在倾角的主要贡献是从广义剪切项，而广义加速度项是占主导地位的非常不同大小的颗粒。
2010-05-13 astro-ph.EP physics.flu-dyn
