Logarithmic-layer turbulence: a view from the wall
本文研究了槽道湍流中离壁流场的可观测性。重建是从无噪声，但有限的墙壁数据，使用线性随机估计，重点是重建的质量。所有的速度都很好地重建在缓冲层，但只有相对较大的“附壁”涡可观察到更远的墙壁。特别是，占总动能和切向雷诺应力的约40%的大结构被准确地捕获。有人认为，这应该允许使用壁传感器的主动控制的湍流层湍流。文中还提出了附壁涡的定量定义。
2019-10-08 physics.flu-dyn
The Instantaneous Wall Viscosity in Pipe Flow of Power Law Fluids: Case Study for a Theory of Turbulence in Time-Independent Non-Newtonian Fluids
本文提出了一种新的非定常非牛顿流体湍流理论。壁层是仿照非定常交换的粘性动量之间的墙壁和主流，以下的经典可视化的涌入-扫描-喷射/爆裂。壁层的厚度被发现是相同的牛顿和纯粘性的非牛顿流体，当正常化的瞬时壁参数在突发。结果表明，当湍流的结构相似关系是基于与二次流发展相关的锁相参数而不是基于时均壁面参数时，牛顿流体和非定常流体的湍流机制是一致的。该相似性分析将牛顿流体和非牛顿流体在破裂点处的局部临界瞬时摩擦系数数据折叠成单个曲线。该方法大大简化了非牛顿流体中湍流输运现象的分析。关键词：湍流，非定常非牛顿流体，幂律，管流，壁层
2009-12-29 physics.flu-dyn
Mathematical model for logarithmic scaling of velocity fluctuations in wall turbulence
对于壁湍流，已知速度脉动矩是离壁高度的对数函数。这种对数标度是由于特征速度的存在和标度范围内不存在任何特征高度。利用随机变量数学，得到了其充分必要条件。它们与附在壁上的涡的唯象模型的特性进行了比较，并且与平均速度的对数标度的特性进行了比较。
2015-11-11 physics.flu-dyn
Momentum flux fluctuations in wall turbulence: a formula beyond the law of the wall
在壁湍流内，存在一个子层，其中流向动量的平均壁法向通量是恒定的，并且与平均流向速度的对数壁法向剖面有关。这种关系，即，利用壁面法估算壁面平均应力。然而，动量通量表现出很大的时间波动。为了将它们理论上与壁面相同位置处的流向速度相关，我们考虑了流向和壁面法向速度平面上波动的正交分解。由于一个大的时间尺度预计将占主导地位的动量通量的组成部分，它是挑选出来的时间平滑。所得公式与风洞中边界层的时间序列数据一致。我们还将公式推广到热分层的情况。
2022-02-27 physics.flu-dyn
Logarithmic scaling for fluctuations of a scalar concentration in wall turbulence
在壁湍流中，存在一个子层，在该子层中，平均速度和速度波动的方差随离壁的高度而变化。这种对数标度对于被动标量的平均浓度也是已知的。通过在实验室湍流边界层实验中使用热作为标量，本文证明了标量浓度波动方差的对数标度的存在。它是由附着在墙上的含能涡流模型再现的。
2017-11-16 physics.flu-dyn
A turbulence model based on deep neural network considering the near-wall effect
雷诺平均Navier-Stokes（RANS）数值模拟的封闭性要求不断改进湍流模型。机器学习（ML）为在高保真仿真数据的基础上建立先进的经验雷诺应力闭合提供了有效的工具。本文提出了一种基于深度神经网络（DNN）的湍流模型，该模型考虑了雷诺应力各向异性张量与局部平均速度梯度之间的非线性关系以及近壁效应。详细介绍了DNN湍流模型的建立和调试。我们表明，DNN湍流模型训练的数据从直接数值模拟产生一个准确的预测平面通道流的雷诺应力。特别是，我们建议在模型输入中包括局部湍流雷诺数。
2021-03-31 physics.flu-dyn
Deconstructing wall turbulence -visualization of resolvent modes
这篇文章伴随着一个流体动力学视频进入画廊的流体运动的第66届年会的美国物理学会流体动力学分部。
2013-10-10 physics.flu-dyn
Logarithmic and nonlogarithmic scaling laws of two-point statistics in wall turbulence
壁湍流有一个子层，其中一点统计，例如，平均速度和某些速度波动的方差随离壁的距离而变化。这种对数标度是通过在风洞中进行的实验，对两点统计量或特别是对这些波动的两点累积量所发现的。对于相应的能量耗散率的统计量，发现其标度不是对数的。我们重现这些缩放定律与一些数学，也与一个模型的含能量的漩涡，附着在墙上。
2020-05-04 physics.flu-dyn
Coherent structures at the origin of time irreversibility in wall turbulence
本研究提出欧拉多尺度分析方法研究壁面湍流时间不可逆性，发现其与相干结构强关联，近壁区关联内谱峰、远壁区关联外谱峰，为相关建模与控制奠定基础。
2023-05-05 physics.flu-dyn
Constructing wall turbulence using hierarchical hairpin vortices
State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems, School of Mechanics and Engineering Science, Peking University（北京大学力学与工程科学系湍流与复杂系统国家重点实验室）；Max Planck Institute for Solar System Research（马普太阳系研究所）；HEDPS-CAPT, Peking University（北京大学高能量密度物理教育部/科技部重点实验室）
本文提出一种基于分层螺旋涡的湍流建模方法，通过校准涡旋包络的几何与组织结构，复现了壁湍流的统计特征和结构，同时揭示了涡旋几何、包络组织与层级对附着/分离运动、蜿蜒 streaks 和倾斜角的影响。
2025-10-24 physics.flu-dyn
The streaks of wall-bounded turbulence need not be long
利用数值实验研究了壁面湍流中最长条纹的阻尼效应。据发现，长条纹不需要的自我维持的爆裂过程中，这是相对较小的影响，他们的缺席。特别是，存在湍流状态，其中流向速度的波动具有与爆发大致相同的长度，因此推测与爆发本身相关，而爆发结构基本上与存在较长速度波动的流动无法区分。这表明，在未经修改的流动中发现的长条纹可能是副产品，而不是能量产生循环的活性部分。
2022-07-01 physics.flu-dyn
Turbulence Intensity Scaling: A Fugue
我们研究流向湍流强度的定义使用光滑和粗糙壁管流测量在普林斯顿Superpipe。湍流强度与体积（和摩擦）雷诺数的比例为定义提供。湍流强度与光滑和粗糙壁管流的摩擦系数成比例。湍流强度定义提供最好的描述的测量被确定。概述了一种基于体雷诺数（和粗糙壁管流的砂粒粗糙度）计算湍流强度的方法。
2019-09-10 physics.flu-dyn
Data-Driven Turbulence Modeling Approach for Cold-Wall Hypersonic Boundary Layers
针对传统RANS模型无法准确模拟冷壁高超声速边界层近壁湍流行为的问题，提出基于迭代集合卡尔曼方法的数据驱动湍流建模方法，利用神经网络模型和稀疏观测数据训练，提升模型泛化能力。
2025-04-16 physics.flu-dyn
Alternative physics to understand wall turbulence: Navier-Stokes equations with modified linear dynamics
尽管壁湍流的非线性性质，有证据表明，能量-压射机构维持壁湍流可以归因于线性过程。不同的情况源于线性稳定性理论，包括平均流量拐点的指数不稳定性，非正常运营商的瞬态增长，以及时间平均流量变化的参数不稳定性等。这些机制，每一个潜在的能够导致观察到的湍流结构，植根于简化的理论和概念的争论。目前尚不清楚这种流动是否遵循其中任何一种或几种的组合。在本研究中，我们设计了一系列数值实验，其中纳维-斯托克斯方程被合理地修改，以量化不同的线性机制的作用。这是通过直接数值模拟的湍流槽道流与约束能量提取从流向平均的平均流量。我们表明，（i）瞬态增长本身是不足以维持壁湍流和（ii）的流动保持湍流时，指数不稳定性被抑制。另一方面，我们表明，（iii）瞬态增长与随时间变化的平均流的参数不稳定性相结合，是能够维持湍流。
2019-12-13 physics.flu-dyn
Conditional flow matching for generative modeling of near-wall turbulence with quantified uncertainty
针对近壁湍流重建的不适定问题，提出基于条件流匹配的生成模型，结合SWAG不确定性量化，实现零样本条件生成，优于LSE和CNN，适应稀疏测量并保持物理一致性。
2025-04-20 physics.flu-dyn
Sensitivity mapping of TBL wall-pressure spectra with CFD turbulence models for wind tunnel test result prediction
在目前的工作中，试图映射现有的零压力梯度（ZPG）湍流边界层（TBL）壁面压力谱模型的灵敏度与不同的TBL参数，并最终，与不同的雷诺平均Navier Stokes（RANS）湍流模型，模拟在OpenFOAM和ANSYS Fluent求解器。这项研究将有助于未来的研究人员选择一个特定的RANS湍流模型相对于一个特定的壁谱模型，以获得一个合理的准确的风洞结果预测能力。首先，通过与风洞试验数据的比较，选择最佳的预测压力谱模型。接下来，考虑实验TBL参数作为基准，在RANS产生的数据的误差估计。此外，壁面压力谱计算以下的半经验频谱模型使用TBL参数饲料从实验和计算流体动力学（CFD）模拟。最后，灵敏度映射之间的频谱模型和RANS模型，具有不同的归一化壁法线距离（y+）。
2022-09-24 physics.flu-dyn
Slow-growth approximation for near-wall patch representation of wall-bounded turbulence
针对强压力梯度下平均流沿流向变化导致壁面湍流表征复杂化的问题，对Navier-Stokes方程进行渐近分析，提出考虑平均流增长对近壁湍流影响的动态模型，成功解释了边界层增长对小尺度近壁湍流的作用。
2023-09-14 physics.flu-dyn
Scaling of Wall Turbulence at Finite Reynolds Number
将匹配渐近展开法应用于平均动量平衡，提出了粘性底层中平均速度和雷诺剪应力的新的标度关系。结果表明，除了摩擦速度之外，新参数$Λ_+$也与壁湍流相关。根据所提出的粘性子层的新标度，导出了重叠区平均速度的幂律。结果表明，参数$Λ_+$的完全相似性或不完全相似性是决定叠加层中平均速度服从幂律或对数律的关键因素。
2014-03-24 physics.flu-dyn
Wall-wake laws for the mean velocity and the turbulence
本文提出一种新的壁面尾流律，将流向湍流剖面的对数部分与外层线性部分配对，并发现其唯一自由参数与平均速度尾流因子成正比，揭示湍流与平均流动之间的新联系。
2024-02-03 physics.flu-dyn
Two-point correlation in wall turbulence according to the attached-eddy hypothesis
对于壁湍流的常应力层，本文采用附着涡假设，即，一个现象学模型的随机叠加的能量包含漩涡是附着在墙上。虽然以前的研究已经调用了额外的假设，我们专注于假设的最小假设，以获得其最一般形式的关联函数。它们将允许我们使用或评估该假设，而不受这些额外假设的任何影响。我们还研究了能谱和动量转移率和能量耗散率的两点关联。
2017-04-15 physics.flu-dyn
Mach number and wall thermal boundary condition effects on near-wall compressible turbulence
本文通过高分辨率直接数值模拟研究马赫数与壁面热边界条件对近壁可压缩湍流的影响，发现壁面膨胀量是控制雷诺应力和热通量幂律指数的关键标度参数，并给出普适函数规律。
2023-07-06 physics.flu-dyn
Scaling of wall pressure and the peak of streamwise turbulence intensity in compressible wall flows
本文通过马赫数幂级数展开并结合有效雷诺数与可压缩性修正系数，建立了适用于可压缩壁面流动的壁面压力r.m.s.及流向湍流强度峰值标度律。
2025-05-14 physics.flu-dyn
A framework for studying the effect of compliant surfaces on wall turbulence
本文扩展了McKeon & Sharma（2010）提出的预解式，使其考虑了壁面相互作用的相容性。在此公式下，湍流速度场被表示为传播模式的线性叠加，通过基于增益的纳维-斯托克斯方程分解来识别。顺应性表面，建模为一个复杂的壁导纳连接压力和速度，影响这些模式的增益和结构。用最少的计算，这个框架准确地预测了最近直接数值模拟中观察到的准二维传播波的出现。此外，分析还使合理设计的顺应性的表面，与性能优化，以抑制流动结构充满活力的壁湍流。结果表明，非物理负阻尼的墙壁需要与类似的充满活力的近壁周期，这可以解释为什么以前的研究遇到了有限的成功模式进行有利的相互作用。正阻尼壁对于类似于所谓的超大尺度运动（VLSM）的模式是有效的，这表明顺应性表面可能更适合于在较高雷诺数下的应用。不幸的是，在自然湍流中抑制结构能量的墙壁也被预测在光谱空间的其他地方产生不利影响。与以前的实验和模拟一致，缓慢移动的展向常数结构特别容易受到进一步放大。减轻这些不利影响将是开发对流动具有净积极影响的顺应性涂层的核心。
2015-02-05 physics.flu-dyn
Concave-wall turbulent boundary layers without and with free-stream turbulence
对凹壁上无自由流湍流和有自由流湍流的湍流边界层进行了直接数值模拟。曲率开始附近的逆压力梯度导致表面摩擦力的急剧减小和间歇性分离。自由流湍流的存在降低了回流的可能性，加速了下游零压力梯度区边界层的恢复，并导致表面摩擦力持续和明显的增加。强迫也促进了曲壁边界层对数层相干Görtler结构的放大。从统计学上看，展向和壁面法向雷诺应力随着Görtler结构的扩展而增强，并且它们的峰值之间的径向距离在下游增加。雷诺剪应力系数在对数层中也增加，而在平板边界层中则减小。此外，强迫流中更连贯和更有活力的滚动运动促进了自由流和边界层流体的混合，其中前者更经常出现在缓冲层的深处。
2021-01-08 physics.flu-dyn
The influence of near-wall density and viscosity gradients on turbulence in channel flows
采用低马赫数近似下的纳维-斯托克斯方程直接数值模拟（DNS）方法，研究了近壁密度梯度和粘性梯度对通道内近壁湍流的影响。不同的密度和粘度作为温度的函数的本构关系，以模仿广泛的流体行为，并开发一个通用的框架，研究湍流调制的可变属性流。而不是缩放的速度仅基于局部密度，如所做的van Driest变换，我们推导出的扩展的缩放是基于半局部雷诺数$Re_τ^*$的梯度。这种扩展的van Driest变换是能够崩溃的速度剖面与近壁的性能梯度的函数的半局部壁坐标的流动。然而，流动量，如混合长度，湍流各向异性和湍流涡度波动并没有显示出一个普遍的缩放非常接近的壁。湍流调制对湍流结构的演化和湍流能量的传递起着至关重要的作用。因此，我们调查的流向速度条纹和准流向涡的特性，并发现，类似于湍流统计，湍流结构也强烈受$Re_τ^*$配置文件，其依赖于个人的密度和粘度配置文件是次要的。$Re_τ^*$（$d {Re_τ^*}/dy \neq 0$）中具有近壁梯度的流动显示出准流向涡的倾角和倾斜角的显著变化。这些结构的变化是负责所观察到的调制的雷诺应力产生机制和组件间的能量传递流与强大的近壁$Re_τ^*$梯度。
2023-02-15 physics.flu-dyn
Leray-alpha model and transition to turbulence in rough-wall boundary layers
在本研究中，我们使用一个五阶常微分方程，一个概括的Blasius方程来自Leray-alpha模型，研究过渡到湍流粗糙壁边界层流动。这个方程，结合一个较弱的制定冯卡门对数法修改，包括表面粗糙度的影响，提供了一个家庭的湍流速度分布与两个自由参数：动量厚度为基础的雷诺数和粗糙度函数。结果得到了表面摩擦系数的关联式，并根据粗糙度函数预测了过渡雷诺数和最大表面摩擦系数。
2007-07-03 physics.flu-dyn
On skin friction in wall-bounded turbulence
本文从雷诺平均流向动量方程和总应力出发，导出了壁面湍流中表面摩擦系数的数学公式。特别地，利用总应力的理论或经验关系式，在任意壁面法向区域$[h_0, h_1]$内，表面摩擦系数可以用平均速度和雷诺剪应力表示。利用湍流槽道和边界层流动的直接数值模拟数据对公式进行了验证，结果表明，该公式能够非常准确地估算表面摩擦系数，误差小于$2\%$。我们相信，在近壁统计量很难精确测量的高雷诺数条件下，本积分公式可用于确定湍流槽道和边界层流动中的表面摩擦。
2020-07-29 physics.flu-dyn
Turbulence modulation in channel flow of finite-size spheroidal particles
我们研究了颗粒形状对悬浮液中体积分数为$ϕ= 10\%$的球形颗粒湍流的影响，并显示了近壁颗粒动力学如何随着颗粒纵横比的变化而变化，以及这如何影响全局悬浮行为。当雷诺切应力的显著减小大于固相引起的附加应力的补偿时，湍流随扁颗粒的纵横比减小，导致相对于具有纵横比$\mathcal{AR}\leq1/3$的颗粒的单相流的阻力减小。扁圆形颗粒被发现，以避免接近壁的区域，平行于它以小的角速度，同时优先采样的壁区域中的高速流体。扁长颗粒也倾向于平行于壁取向，并避免其附近。它们绕展向轴旋转的不稳定性降低了流动的壁面法向速度波动，因此降低了湍流雷诺应力，这与扁圆体相似;然而，它们在平行于壁面的平面内进行旋转，这增加了额外的固体应力，因为与扁圆体相比，它们具有相对较大的角速度。这些较大的附加应力补偿了湍流活动的减少，并导致类似于单相流的壁阻力。另一方面，与其他研究形状相比，球体在翼展方向上以大的角速度形成靠近壁的层，这除了在悬浮体上施加最大的固体应力之外还增加了湍流活动。因此，球形颗粒相对于单相流增加了壁阻力。
2018-09-05 physics.flu-dyn
Wall turbulence with constrained energy extraction from mean flow
我们研究了从平均流到脉动速度的能量注入机制，这是维持壁湍流所必需的。这一过程被认为是正确的表示由线性化的纳维-斯托克斯方程，和三个潜在的线性机制已被认为是，即，模态不稳定性的流向平均横流$U(y,z,t)$，非模态瞬态增长，和非模态瞬态增长支持的参数不稳定性。我们设计了三个数值实验的平面湍流槽道流动与额外的强迫条款，旨在抵消一个或多个线性机制的能量提取。从我们的初步实验，只有情况下，平均横流能够支持模态不稳定性被发现维持湍流。然而，这种新的湍流是否符合与实际（非强迫）湍流中发生的相同的物理机制的问题仍然没有答案。另一方面，完全由瞬时生长支持的情况下，直到层状化才衰减。
2019-02-13 physics.flu-dyn
A Method for Determination of the Reynolds Stress and Turbulence Structure in Wall-Bounded Flows
利用拉格朗日动量输运，雷诺应力可以用基本湍流参数表示。雷诺应力梯度表示流向动量的横向传输，由动量方程中的u2传输、压力和剪切力项平衡。直接数值模拟（DNS）的数据已被用来验证这种方法，具有良好的一致性和协议。雷诺应力梯度的表达式将输运方程添加到雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程中，因此，如果可以确定第三个未知变量u2，则可以确定湍流结构。在这里，我们考虑替代结构为基础的方法，用于重建的u2轮廓壁有界流。u2剖面的输入，结合两个传输方程（RANS和当前的雷诺应力方程），允许充分重建的湍流结构的壁有界流，与DNS数据的合理协议。
2019-12-10 physics.flu-dyn
Predicting structural and statistical features of wall turbulence
大多数实际流动，特别是对运输、分配和气候具有重要意义的应用中的流动，是湍流，因此与较平滑的层流条件相比，会经历复杂的三维运动，阻力增加。在这项研究中，我们描述了一个简单的模型，预测壁湍流的重要结构和缩放功能的发展。我们表明，一个简单的线性叠加模式来自强迫响应分析的纳维-斯托克斯方程可以用来调和某些关键的统计和结构的壁湍流的描述。计算成本低的方法解释和预测的旋涡结构和速度统计的湍流，以前只在实验中或直接数值模拟。特别是，我们提出了一个经济的解释非常大规模的运动中观察到的湍流管流的蜿蜒外观，同样表明，发夹涡预测模型。这种新的能力有明确的影响建模，模拟和控制的一个无处不在的壁流类。
2010-12-02 physics.flu-dyn
Objective Momentum Barriers in Wall Turbulence
我们使用最近的框架无关理论的扩散动量输运，以确定在壁有界湍流的内部障碍。由速度场的拉普拉斯算子的不变流形形成的障碍物阻挡了流动中瞬时动量通量的粘性部分。我们采用水平集的单轨迹拉格朗日诊断工具，轨迹旋转平均和轨迹拉伸指数，近似涡和内壁平行的动量输运势垒（MTB）接口。这些接口提供帧无关替代经典的速度梯度为基础的涡流和高剪切边界之间的均匀动量区（UMZ）。事实上，我们发现这些椭圆流形近似和MTB在阻止扩散动量传输方面优于标准涡旋和UMZ接口，这表明我们的动量障碍是可能导致统计和非客观诊断中的相干签名的物理特征。我们还引入了归一化的轨迹度量，通过避免强烈的湍流偏差，提供了前所未有的客观相干结构的可视化。
2022-02-25 physics.flu-dyn
Scaling and interaction of self-similar modes in models of high-Reynolds number wall turbulence
以前的工作已经建立了有用的预解算子映射的非线性项的湍流波动波动本身。进一步的工作描述了自相似的预解式所产生的平均速度的轮廓。由预解式分析提供的正交模式描述了运动的壁法线相干性，并继承了自相似性。在这方面的贡献，我们提出了不同尺度和壁正常位置的模式之间的非线性相互作用的影响，这种相似性。通过考虑模式之间的非线性相互作用，它表明，在对数区域的湍流标度行为可以确定从一个单一的任意选择的参考平面。因此，模式的几何缩放是强加在模式之间的非线性相互作用。这些意见的自我维持机制的壁湍流，建模和模拟的影响进行了概述。
2016-09-22 physics.flu-dyn
Understanding the sub-critical transition to turbulence in wall flows
与自由剪切流的速度分布曲线的拐点级联湍流在一个相对温和的方式，壁有界流被剥夺了（惯性）不稳定模式在低雷诺数，并成为湍流在一个更狂野的方式，最常见的标志是在中间雷诺数的层流和湍流域的共存，远低于范围（粘性）不稳定性可以显示。甚至可以根本没有不稳定模式，如平面库埃特流（pCf）或Poiffille管流（Ppf），目前是深入研究的主题。虽然壁面流中向湍流转捩的机理现在已得到较好的理解，但转捩本身的统计特性还没有得到令人满意的评价。对情况进行了审查。提出了一种替代的时间理论的过渡到湍流的混沌瞬变在这样的全球亚临界流，这调用时空不稳定性和一阶（热力学）相变的理论。
2008-11-18 physics.flu-dyn
Turbulent channel flow of finite-size spherical particles with viscous hyper-elastic walls
我们研究单相和颗粒湍流槽道流，由两个不可压缩的超弹性壁。不同的壁弹性被认为有和没有10%的体积分数的有限尺寸的刚性球形颗粒，而弹性壁建模为新胡克材料。我们报告了一个显着的阻力增加和增强的湍流活动与增长的壁弹性单相和颗粒的情况下相比，在刚性壁的单相流。对于具有高弹性壁的颗粒情况，尽管相对于具有相同壁弹性的单相流，但获得了减阻和湍流衰减;然而，在弹性较小的壁的流动上观察到颗粒的相反效果。这是解释通过调查近壁湍流的高度弹性的墙壁，在壁法向速度波动的幅度（有利于积极的），强烈的不对称性，被发现推动颗粒向通道中心。靠近壁的颗粒层被示出通过增加壁法向速度波动来促进湍流的产生，而在没有该层的情况下，观察到较小的壁变形和湍流衰减。我们进一步解决的体积分数在一个温和的壁弹性的效果，通过增加颗粒的体积分数高达20%。从界面区域的颗粒的迁移被发现是一个进一步的湍流衰减的原因，在刚性壁的情况下，在相同的体积分数相比。然而，颗粒诱导的应力补偿了雷诺剪切应力的损失，因此，对于具有弹性壁的情况，导致更高的总阻力。壁面弹性对阻力的影响随颗粒体积分数的增加而显著减小。
2018-11-07 physics.flu-dyn
The smooth-wall-like behaviour of turbulence over drag-altering surfaces: a unifying virtual-origin framework
我们进行直接模拟的湍流通道施加不同的虚拟原点的所有三个速度使用罗宾，滑动样边界条件，以研究位移的影响，由不同的流动组件，常见的机制小纹理表面的起源。我们还探讨了这种影响使用反对党控制。对于肋，Luchini等人（1991）提出，它们的影响可以简化为流向和展向速度原点之间的偏移，后者是湍流感知的原点。后来的结果表明，超疏水表面的表观壁法向速度的起源也可能发挥作用。我们的研究结果支持，相关的参数是由平均流和湍流感知的起源之间的偏移。前者取决于流向滑移长度，而后者则取决于壁面法向滑移长度和展向滑移长度。流向速度波动上的滑移，反过来，至少在减阻状态下，对湍流的虚拟原点的影响可以忽略不计。这表明，由准流向涡感知的原点，在表面诱导横向速度，是确定湍流的虚拟原点的关键，而由近壁条纹感知的原点，与流向速度波动相关，起着次要的作用。在这个框架内，湍流量的变化，通常在流动控制文献中报道的是，只有一个结果的选择的起源和缺席时，参考的起源经历的湍流。除了这种转变的起源，我们表明，湍流仍然基本上是光滑的壁状，一个简单的表达式可以预测湍流的虚拟起源。通过将虚拟原点引入到光滑壁涡粘性框架中，可以先验地再现对阻力的影响。
2020-11-02 physics.flu-dyn
Attenuation mechanism of wall-bounded turbulence by heavy finite-size particles
本文通过直接数值模拟研究了重有限尺寸颗粒对壁湍流的衰减机制，发现颗粒诱导涡环产生额外能量耗散从而减少湍流能量产生，并提出一种基于颗粒特性预测湍流衰减程度的方法。
2025-06-02 physics.flu-dyn
Forced and natural dynamics of a clamped flexible fiber in wall turbulence
本研究通过直接数值模拟探究壁湍流中夹持柔性纤维的动力学特性，发现两种拍动状态，首次揭示湍流主导区纤维摆动频率与流动最大尺度的正比关系，以及夹持端对涡同步的阻碍作用。
2023-11-15 physics.flu-dyn
Synthetic turbulence generator for the wall-modeled LES lattice Boltzmann method
本文提出一种用于高摩擦雷诺数下多弛豫时间格子玻尔兹曼方法框架的合成湍流生成器，结合Reichardt壁面定律进行近壁面建模，其壁面模化大涡模拟结果与DNS吻合良好，适用于混合RANS/LES-LBM应用。
2023-04-09 physics.flu-dyn
Statistical behaviour of self-similar structures in canonical wall turbulence
Townsend的附着涡假设（AEH）提供了一个理论描述的湍流统计在对数区域的相干运动，是自相似的壁法向距离（y）。在这里，我们显示的自相似行为的湍流运动包含在附壁结构的流向速度波动使用直接数值模拟数据集的湍流边界层，通道，和管流（$Re_τ\approx 1000$）的物理尺寸的识别结构的几何自相似的高度方面，和相关的湍流强度如下的对数变化在所有三个流量。此外，相应的二维能谱在大尺度范围（$12y < λ_x <$ 3- 4 $δ$）内沿流向和展向波长（分别为$λ_x$和$λ_z$）之间的线性关系排列，这使人联想到自相似性.因此，通过在自相似范围内积分二维谱得到的一维谱显示了自相似标度$λ_x \sim λ_z$的一些证据，并且在类似的子范围内可能存在$k_x^{-1}$和$k_z^{-1}$标度区域。本文的结果表明，在低雷诺数流动中，可以通过识别正则壁湍流中的自相似相干结构来获得渐近行为。
2020-09-18 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
Modification of particle-laden near-wall turbulence: effect of Stokes number
湍流通道流充满颗粒的研究使用直接数值模拟与点力近似的小，重颗粒的直径小于流体的Kolmogorov长度尺度。在我们的研究中考虑的壁单位的斯托克斯数为$St^+=0.5, 5, 35$和125。本研究的主要目的是考察斯托克斯数对通道中湍流修正的影响。我们发现，颗粒与$St^+=0.5$增强湍流的发生准流向涡，而较大的斯托克斯数的颗粒衰减湍流。当$St^+=0.5$时，动能从颗粒转移到高速区域和低速条纹中的流向流体速度波动，这可能增加低速条纹的不稳定性，从而导致新的准流向涡的产生。另一方面，低速条纹中较大斯托克斯数颗粒的优先浓度是湍流衰减的原因，并且颗粒对流体的缓慢响应产生对与准流向涡相关的流体速度的反馈。
2014-09-04 physics.flu-dyn
Robust wall modes and their interplay with bulk turbulence in confined rotating Rayleigh-Bénard convection
本研究通过直接数值模拟证实受限旋转对流中湍流区鲁棒壁模态与起始临界壁模态的关联，发现体湍流对壁模态的阻碍作用及壁模态径向射流诱导的体区多极涡结构，明确了雷诺应力在侧壁纬向流生成中的作用。
2024-02-04 physics.flu-dyn
A Universal Fractional Model of Wall-Turbulence
壁面约束湍流的建模仍然是经典物理学中的一个未解决的问题，在过去的几十年中，除了所谓的“对数定律”之外，只取得了有限的进展，“对数定律”只描述了壁面约束湍流的中间区域，即，半径为$R$的管道中的$30-50 y^+ \text{ to } 0.1-0.2 R^+$（以壁为单位）。在这里，我们提出了一个全新的方法，基于分数阶微积分模型的{ \em整个}平均速度剖面从壁的管道的中心线。具体来说，我们表示雷诺应力与{ \em可变阶数}的非局部分数阶导数，其随离壁的距离衰减。令人惊讶的是，我们发现这个可变分数阶对于所有雷诺数和三种不同的流动类型都具有通用形式，即，槽流、库埃特流和管流。我们首先使用现有的数据库从直接数值模拟（DNS）学习的可变分数阶函数，随后，我们测试它对其他DNS数据和实验测量，包括普林斯顿的超级管道实验。两者合计，我们的研究结果揭示了连续和衰减的变化率的湍流扩散的墙壁，以及强烈的非局部性的湍流相互作用，加强远离墙壁。
2018-08-26 physics.flu-dyn
A Lagrangian fluctuation-dissipation relation for scalar turbulence, II. Wall-bounded flows
在这里，我们推导出拉格朗日波动耗散关系的平流标量在壁有界流动。这些关系将被动或主动标量的耗散率等同于来自初始值、边界值和内部源的标量输入的方差，因为这些输入是通过随机拉格朗日轨迹在时间上向后采样的。需要新的概率概念来表示标量边界条件的墙壁上的点的边界局部时间密度的标量通量施加和边界的第一次命中时间的标量值施加的点。这些概念都说明了纯热传导问题的分析结果和数值结果从数据库的通道流湍流，这也表明了近壁湍流的标量混合特性。作为波动耗散关系的一个应用，我们研究了壁面有界流动的反常标量耗散与拉格朗日自发随机性之间的关系，即在粘性和扩散系数为零的极限下拉格朗日粒子轨迹的持续不确定性。在本系列的第一篇论文中，我们证明了自发随机性是被动或主动标量远离壁的唯一可能的反常耗散机制。在这里，它表明，这仍然是正确的，当没有标量通量通过墙壁。另一方面，简单的例子表明，非零标量耗散的一种独特机制可以是壁面附近的薄标量边界层。然而，我们证明了一般的壁有界流动的自发随机性是另一种可能的机制，异常标量耗散。
2017-07-13 physics.flu-dyn
New scenario of turbulence theory and wall-bounded turbulence: Theoretical significance
提出了湍流理论的一般方案，并将其应用于条纹壁边界湍流。该方案引入了新的横波场。该理论的意义在于与电流通量守恒定律相关的数学定理，以4d物理时空表示的形式表示，该理论预测麦克斯韦型方程组并支持以相速度c_t传播的横波。对于条纹壁流，既有激发横波的动力机制，也有流场与波场之间能量交换的能量通道。如果波长足够大，则能量从流场供应到波场。波伴随着一种新的能量耗散机制，一种类似于欧姆效应的内摩擦。一部分能量消散成热。因此，存在一种维持机制，这意味着壁面湍流的条纹结构是一种耗散结构。（1）存在行波：行波具有两个波长尺度和一个阻尼长度d。(ii)存在两个大尺度（LSM和VLSM）观察到的湍流剪切流：这些被解释的波放大的瞬态增长机制，并保持与新的横波场的相互作用。波浪是强大的，因为它们有自己的能量和动量。(iii)波浪湍流中增强的能量耗散。其整体能量耗散率的形式类似于涡粘模型，其系数ν D估计为ctd量级，远大于分子粘度。引入的新领域不会引起自相矛盾。
2017-06-12 physics.flu-dyn
Cause-and-effect of linear mechanisms sustaining wall turbulence
尽管湍流的非线性性质，有证据表明，部分能量传递机制维持壁湍流可以归因于线性过程。不同的情况源于线性稳定性理论，包括指数不稳定性，中性模式，非正常运营商的瞬态增长，以及时间平均流量变化的参数不稳定性，等等。这些机制，每一个潜在的能够导致观察到的湍流结构，植根于理论和概念的争论。流动是否遵循其中任何一个或组合仍然是难以捉摸的。在这里，我们评估的线性机制负责的能量传递从流向平均的平均流量（$\bf U$）的脉动速度（$\bf u'$）。我们使用基于干预措施的因果分析。这是通过在低雷诺数下直接数值模拟湍流槽道流来实现的，其中从$\bf U$到$\bf u'$的能量传递被约束以排除目标线性机制。我们表明，瞬态增长是足以维持现实的壁湍流。当平均流的指数不稳定性、中性模式和参数不稳定性被抑制时，自持湍流持续存在。我们进一步表明，瞬态增长的一个关键组成部分是奥尔/推过机制引起的展向变化的基流。最后，我们证明了各种冻结的时间$\bf U$安排，以便只有瞬态增长是活跃的模拟合奏，可以忠实地代表能量转移从$\bf U$到$\bf u'$在现实的湍流。我们的方法提供了直接的因果关系评估的线性能量压射机构，从$\bf U$到$\bf u'$在完全非线性系统和简化的概念模型的自持壁湍流。
2020-10-07 physics.flu-dyn
Near-wall turbulence modulation by small inertial particles
我们使用界面分辨模拟研究近壁湍流调制的小惯性粒子，密度比流体，在稀/半稀条件下。我们考虑了三种散装固体质量分数，$Ψ=0.34\%$，$3.37\%$和$33.7\%$，只有后两个显示湍流调制。在$Ψ=3.37\%$处阻力增加很大，但在脱附情况下阻力增加很小。实际上，出现了两种不同的湍流调制机制：对于较小的质量分数，湍流统计的影响很弱，近壁颗粒的积累增加了阻力，因此在略高的雷诺数下，流动表现为单相流动。相反，在较高的质量分数，颗粒调制整个流的湍流动力学，和相间耦合变得更加复杂。在这种情况下，流体雷诺应力衰减，但惯性粒子动力学通过相关的速度波动增加阻力，导致整体阻力增加。因此，我们的结论是，虽然在高质量分数的颗粒减少流体湍流阻力，固相惯性动力学可能仍然会增加总阻力。然而，在体积分数为零但质量分数为有限的双向耦合极限中对流向动量预算的检查表明，在更高的颗粒负荷下，这种趋势可能会逆转。
2021-07-16 physics.flu-dyn
Linear control of coherent structures in wall-bounded turbulence at Re$_τ= 2000$
我们考虑在不可压缩湍流槽道流的最大尺度的线性反馈流动控制的摩擦雷诺数Re $_τ$ = 2000。通过将关于湍流平均值的纳维-斯托克斯方程线性化并用涡动粘性对其进行扩充，形成线性模型。速度扰动，然后产生随机迫使线性算子。其目的是减少这些速度扰动的动能在最大尺度上使用体力。它示出了一个控制设置与放置良好的传感器和致动器的阵列进行重复测量的流量无处不在（而限制致动器到一个单一的壁高）或致动的流量无处不在（而限制传感器到一个单一的壁高）。通过这种方式，我们获得洞察力（在低计算成本）如何最有效地估计和控制非常大规模的湍流。
2020-10-19 physics.flu-dyn
Intrinsic compressibility effects in near-wall turbulence
本文通过平均物性近乎均匀的可压缩槽道流直接数值模拟，揭示内在可压缩性通过近壁膨胀压缩对消下扫与上抛、削弱准流向涡，从而降低湍流剪切应力并改变速度剖面和流向湍流强度。
2024-06-11 physics.flu-dyn
Quasi-steady description of modulation effects in wall turbulence
研究了大尺度结构对近壁湍流调制现象的理论描述。所给出的描述是简单的，因为大尺度结构的影响仅限于近壁湍流对缓慢的大尺度表面摩擦波动的准定常响应。表达这种机制的最自然和紧凑的形式是由通常的总表面摩擦力和速度的与雷诺数无关的表示给出的，以壁变量为尺度，其中平均量被大尺度低通滤波波动分量所取代。该理论被重写的factuations通过一个通用的平均速度和随机均方波动的小尺度的速度配置文件，然后线性化，假设大规模的波动是小的平均组件相比。这使我们能够表达的叠加和调制系数的经验预测模型的表面摩擦和流向脉动速度分别由Marusic等人。涡轮确认，2011）和Mathis等人（J. Fluid Mech.2011，第681卷，第121页）。537-566）。它被发现，理论量与实验确定的系数吻合得很好。
2012-03-16 physics.flu-dyn
Statistics of velocity gradients in wall-bounded shear flow turbulence
在三维直接数值模拟的基础上，讨论了有壁湍流槽道流动中速度梯度的统计特性。我们的分析集中在局部涡度拟能${\bm ω}^2({\bm x},t)$和能量耗散率$ε({\bm x},t)$的统计特性随离壁距离的增加的趋势上。我们检测到一个敏感的依赖的最大振幅的两个字段（对应于尾部的分布）的光谱分辨率。每个单场的概率密度函数以及它们的联合分布随着离壁的距离的增加而显著变化。最大的波动的速度梯度被发现在对数层。这是在最近的实验中观察到的发夹涡包爆裂到对数区域的协议。
2009-10-06 physics.flu-dyn
Generalized Scaling of the Turbulence Structure in Wall-Bounded Flows
该研究揭示了壁面约束流动中雷诺应力梯度空间的普适标度，并扩展至可压缩流动，同时发现了平均速度剖面的积分标度。
2024-07-17 physics.flu-dyn
A statistical state dynamics approach to wall-turbulence
本文回顾了使用统计状态动力学（SSD）研究壁面约束湍流的结果，这些结果表明，采用这种观点来理解壁面约束剪切流中的湍流是有益的。在这项工作中使用的SSD方法采用了二阶封闭隔离的流向平均值和扰动协方差的等效之间的相互作用。这种封闭性限制了SSD中的非线性，使其明确保留在流向常数平均值中，以及平均值与扰动协方差之间的非线性相互作用。这种动力学限制，其中明确的扰动扰动非线性被删除的扰动方程，结果在一个简化的动力学被称为限制非线性（RNL）动力学。RNL系统中的一个有限数量的实现的扰动方程的合奏共享相同的平均流量提供了易于处理的近似的等效无限合奏RNL系统。无限系综系统，简称为S3 T，介绍了新的分析工具，研究湍流。具有单个系综成员的RNL也可以被看作是RNL动力学的一种实现。RNL系统提供了计算效率高的方法来近似SSD，产生自维持湍流，其表现出与直接数值模拟（DNS）中观察到的定性特征相似，尽管其大大简化了动力学。最后，我们表明，RNL湍流可以支持少到一个单一的流向变化的组件与流向恒定的平均流相互作用，明智地选择这个截断的支持，或“频带限制”，可以用来提高定量精度的RNL湍流。结果表明，SSD方法提供了新的分析和计算工具，允许新的见解壁湍流。
2016-12-09 physics.flu-dyn
