Derivation of a multilayer approach to model suspended sediment transport: application to hyperpycnal and hypopycnal plumes
本文提出了一种多层方法来模拟有自由表面流动中的高密度和低密度羽流。该模型允许计算流体流动速度的水平和垂直分量的垂直分布。该模型还可以描述形成浊流的每种泥沙的浓度和流速分量的垂向分布。为此，它考虑了颗粒的沉降速度及其与流体的相互作用。这允许比单层方法更好地描述现象。它是在更好的协议与物理问题，并给出了有希望的结果。数值模拟是通过将多层方法重写为紧凑形式（对应于具有非保守产物的系统）并使用路径保守数值格式来进行的。数值结果，以显示该模型的潜力。
2017-05-11 physics.flu-dyn
Boltzmann distribution of sediment transport
泥沙输移与水流的耦合使得河流能够形成自己的河床。沉积物的跨流通量在这一过程中起着至关重要的作用，但人们对此知之甚少。在这里，我们在实验室水槽中跟踪颗粒，将它们的统计行为与它们组成的颗粒床的自组织联系起来。当它们向下游行进时，被输送的颗粒随机地在床的表面上徘徊，从而引起横流扩散。扩散和重力的平衡导致了一个特殊的玻尔兹曼分布，其中床的粗糙度起着热波动的作用，而其表面形成的势阱，限制了沉积物通量。
2019-07-03 nlin.AO physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of pattern formation in subaqueous sediment
我们提出的直接数值模拟的不可压缩流体流动的厚床的移动，球形颗粒的结果。该算法是基于沉浸边界技术的流固耦合和使用软球模型的固-固接触。选择层流状态中的两个参数点，导致出现被归类为“小沙丘”的沉积模式，而在湍流条件下的一种情况下，导致背风侧出现具有显著流动分离的“涡流沙丘”。从展向平均流化床界面提取的图案的波长，振幅和传播速度被发现与现有的实验数据是一致的。颗粒输运率是很好地代表了现有的经验模型，在层流和湍流制度的平面沉积物床的流动。
2014-05-20 physics.flu-dyn
The physics of sediment transport initiation, cessation, and entrainment across aeolian and fluvial environments
预测由河流和风成流引起的沉积景观的形态动力学需要回答以下问题：水流是否足够强以启动沉积物输送，水流是否足够强以在启动后维持沉积物输送，以及在饱和状态下（即，运输能力是多少）。在地貌学和相关文献中，广泛的共识是，河流输运的开始、停止和能力，以及风成输运的开始，是由克服局部阻力的水流力引起的床沙流体夹带控制的，而风成输运的停止和能力是由输运颗粒与床的冲击引起的冲击夹带控制的。在这里，泥沙输运开始，停止和容量的物理学进行了审查，重点是最近的共识，挑战性的发展，泥沙输运实验，两相流模拟，并纳入颗粒物理学的概念。强调的是密集颗粒流和泥沙输运之间的相似性，例如被称为蠕动的超低速颗粒运动（发生任意弱驱动流）和系统跨越力网络，抵制床泥沙夹带;的作用的大小和湍流波动事件的持续时间在流体夹带;传统上被忽视的作用，触发夹带事件的颗粒床的影响在河流运输;以及跨越风成和河流环境的迁移阈值的共同物理基础。这为著名的Shields图提供了新的线索，其中液体夹带阈值的测量实际上可以对应于与排泄无关的停止阈值。
2020-03-05 cond-mat.soft physics.ao-ph physics.flu-dyn
Sediment transport under oscillatory flows
本文描述了模拟泥沙颗粒的无粘性球形颗粒床振荡流的直接数值模拟结果。泥沙颗粒周围的流动显式计算通过使用浸没边界法，它允许的力和扭矩作用在颗粒上进行评估，随着他们的动态。不同的雷诺数和不同的值之间的晶粒尺寸和边界层的厚度的比值被认为是这样的结果是有用的，以量化的海浪产生的泥沙输运在该地区离岸的破碎线。因此，研究结果可用于检验经验输沙公式预测振荡周期输沙率的能力。
2020-09-03 physics.app-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Limitations of empirical sediment transport formulas for shallow water and their consequences for swash zone modelling
体积泥沙浓度计算相分辨冲地貌动力学模型显示，超过单位减去孔隙度（即最大的物理可能的浓度值）的$10^5$的因素时，使用标准的表达式来计算输沙率。引入了一个特别的泥沙浓度限制，作为一种手段来评估超出物理现实浓度的标准表达式的后果。我们发现，这个特设限制的实施强烈改变了定量和定性的预测相解决的冲形态动力学模型，这表明现有的冲预测是不可靠的。这是因为标准表达式不适当地考虑或忽略了这样一个事实，即浅冲水深限制了输送泥沙的储存能力。
2016-08-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Unification of Aeolian and Fluvial Sediment Transport Rate from Granular Physics
沉积物沿沉积物表面的地球物理输运的一个物理上最不了解的特征是众所周知的实验观察，即沉积物输运速率$Q$线性地依赖于在空气中施加到表面上的流体剪切应力$τ$，但非线性地依赖于在水中的$τ$。使用广泛的驱动条件下的运输模拟，我们表明，缩放依赖于运输粒子的动能波动能量耗散的方式：通过主要是流体阻力和准静态接触（线性）与流体阻力和准静态和碰撞接触（非线性）。我们利用这一发现，推导出的标度律（渐近$Q\simτ^2$）在水和空气流中的测量同时协议。
2020-03-10 cond-mat.soft physics.ao-ph physics.flu-dyn
Particle resolved simulation of sediment transport by a hybrid parallel approach
采用混合并行粒子模拟方法研究了可蚀性河床上的泥沙输移问题。为了克服传统区域分解法在泥沙输运中遇到颗粒分布高度不均匀时负荷不平衡的挑战，提出了Darmana等的并行方法。（2006）最初是为点粒子模拟开发的，被修改并实现为粒子分辨模拟。提出了一种新的内存优化技术，以减少相同大小的球形粒子的混合方法的内存需求。在具有超过一百万个球形颗粒的具有挑战性的沉积物输运测试案例中，本混合并行方法显示出良好的可扩展性和高并行效率。我们的代码进行了验证，通过几个基准的情况下，结果显示出良好的协议与文献中的实验和计算数据。此外，还模拟了可蚀性泥沙床面上的湍流。提出了一种区分跃移和滚动颗粒的提取方法，并提取了颗粒-移动床相互作用的冲击和反弹信息。给出了冲击和反弹过程中速度、角度和展向角速度等跃移参数的概率分布函数。建立了湍流中颗粒-移动床相互作用的飞溅函数，这一实验研究较少，有助于模拟湍流中复杂的颗粒-床相互作用。
2022-07-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Sediment Micromechanics in Sheet Flows Induced by Asymmetric Waves: A CFD-DEM Study
了解振荡流中的沉积物输运对于调查沿海地区的总体沉积物预算至关重要。在工程应用中，海岸线形态变化的预测是至关重要的。由于振荡流中的泥沙输运是稠密的颗粒流，因此颗粒相互作用的适当建模是至关重要的。虽然传统的双流体方法已被应用于振荡流中泥沙输移的研究，但这些方法没有解决颗粒之间的相互作用。振荡水流中泥沙运动的颗粒分辨模型和泥沙颗粒的细观力学研究还很缺乏。在这项工作中，一个并行的CFD-DEM求解器，可以解决颗粒间的碰撞被应用于研究泥沙颗粒在振荡流中的细观力学。利用粗砂和中砂的试验数据对CFD-DEM求解器的计算结果进行了验证。与试验结果的比较表明，用该模型计算的流速、输沙通量和净输沙率是令人满意的。此外，详细介绍了沉积床的微观力学量，包括Voronoi浓度、配位数和颗粒相互作用力。结果表明，这些细观力学量在振荡周期的不同阶段的变化是显着的，这是由于不同的床的响应。为了研究沉积物床的结构特性，Voronoi体积分数和配位数的相关性进行了比较，从流化床模拟的结果。结果表明，尽管流态不同，但输沙和流化床的微观结构相似。
2016-05-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Well-balanced and flexible morphological modeling of swash hydrodynamics and sediment transport
现有的冲刷带的数值模型是相对不灵活的，在处理泥沙输运，由于高度依赖于经验的泥沙输运关系的部署的数值方案。此外，这些模型通常不平衡，这意味着它们无法正确模拟静态流量。本文提出了一种平衡性好、灵活性强的冲刷带形态模型。非线性浅水方程和Exner方程离散的激波捕捉有限体积法，其中的数值通量和床面坡度源项估计的SLIC（斜率有限中心）计划，不依赖于经验输沙关系的平衡版本。通过对静止海岸流的模拟，验证了该方法的良好平衡性。模型在再现关键参数（即，理论岸线位置、冲淤深度、流速、漫顶流量、滩面变化深度和输沙率）与解析解、实验数据和以往的数值解进行了比较，结果令人满意。这项工作有利于改进的模型框架的水动力学和泥沙输运。
2014-12-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
A collision model for grain-resolving simulations of flows over dense, mobile, polydisperse granular sediment beds
本文提出了一种用于相分辨泥沙输运直接数值模拟的碰撞模型，该模型采用浸没边界法耦合流体和颗粒。通常，用于这些类型的模拟的接触模型包括用于紧密接近另一固体对象的颗粒的润滑力、用于防止颗粒重叠的法向接触力以及用于考虑摩擦的切向接触力。我们的模型扩展了以前作者的工作，以改善时间积分方案，以获得一致的结果粒子壁碰撞。此外，我们占多分散的球形颗粒，并引入新的标准来考虑持久的接触，这发生在许多泥沙输运的情况。这是在不使用物理定义的参数的任意值的情况下完成的，并且通过保持持久接触中的粒子的完全动量平衡来完成。我们验证了我们的模型对几个测试用例的二进制颗粒壁碰撞以及集体运动的沉积物床剪切的粘性流，产生令人满意的协议与实验数据由不同的作者。
2017-04-15 physics.flu-dyn
Realistic Representation of Grain Shapes in CFD--DEM Simulations of Sediment Transport: A Bonded-Sphere Approach
在过去的几十年里，算法的发展和计算资源的增长使得泥沙输运过程的模拟具有前所未有的灵活性。计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）是高保真度的方法之一，它解决了沉积物颗粒的运动、碰撞及其与周围流体的相互作用。在大多数DEM解算器中，由于计算效率和实现复杂性的考虑，颗粒被建模为软球，尽管天然沉积物通常是非球形颗粒的混合物。以前尝试扩展基于球的DEM来处理不规则颗粒，忽略了颗粒上的流体引起的扭矩，并且该方法缺乏处理具有任意颗粒形状混合物的沉积物的灵活性。在这篇文章中，我们提出了一个简单，有效的方法来表示常见的沉积物颗粒形状与结合的球体，计算流体力，并施加在每个球体上。所提出的方法克服了现有方法的上述局限性，并提高了现有方法的效率和灵活性。通过数值模拟，验证了该方法在预测天然泥沙的下落特性、终极速度、起动阈值和输沙率等方面的优越性和有效性。模拟结果表明，该方法是一种很有前途的方法，忠实地代表天然泥沙，从而导致其输运动力学的准确模拟。所提出的方法也打开了基于第一性原理的模拟粘性沉积物的絮凝和沉积动力学的可能性。阐明这些物理机制，可以提供急需的改进的预测能力和物理理解的泥质海岸动力学。
2016-08-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Sediment load determines the shape of rivers
了解河流如何适应它们所携带的沉积物负荷对于预测景观的演变至关重要。然而，目前，没有一个基于物理的模型可靠地捕捉基本的河流属性，如它的形状或坡度，对泥沙排放量的依赖，即使在简单的情况下，实验室河流。在这里，我们展示了如何流体应力和重力之间的平衡作用于沉积物颗粒，随着横流扩散的沉积物，确定的形状和沉积物通量剖面的层流实验室河流携带泥沙作为推移质。使用这个模型，它可靠地再现了实验，没有任何调整，我们证实了假设，最初提出的帕克（1978），河流被限制存在接近泥沙运动的阈值（约20%）。这一界限是由水沙相互作用决定的，与河流的水沙负荷无关。因此，随着总输沙量的增加，河流的输沙量强度（单位宽度的输沙量）达到饱和，河流只能通过加宽来输送更多的泥沙。在这种大流量状态下，水流中动量的横流扩散允许泥沙输运。相反，在弱输运状态下，输沙集中在河流中心附近，而不会显著改变河流形状。如果这一理论适用于自然河流，那么河流的长宽比就可以成为泥沙排放量的替代指标--这一数量在实地测量中是出了名的困难。
2022-03-07 nlin.AO physics.flu-dyn physics.geo-ph
Estimating the settling velocity of fine sediment particles at high concentrations
本文提出了一个分析模型和一个简单的实验方法，以估计高浓度的非常细的沉积物的有效沉降速度。从泥沙质量平衡方程出发，导出了一个描述床高和悬沙浓度随时间变化的耦合常微分方程组。该系统的解决方案取决于沉降速度，然后可以通过将解决方案与实验室实验的观察结果进行比较来估计沉降速度。这些实验涉及使用普通物理实验室中常见的低技术设备及时测量床的高度。这种方法适用于流体和土壤物理学的入门课程，并说明了许多环境系统中常见的沉积物输运动力学。
2018-12-04 physics.flu-dyn
Modeling of Breaching Due to Overtopping Flow and Waves Based on Coupled Flow and Sediment Transport
漫顶水流和波浪对土坝或砂坝/沙丘的破坏是一个复杂的过程，具有强烈的非定常水流、高输沙率和快速的河床变化，其中水流和地貌之间的相互作用不容忽视。本研究提出一个深度平均二维水流泥沙耦合模式，探讨有无波浪作用下的水流及溃决过程。在水流连续性方程和动量方程中考虑了河床变化和变流密度对泥沙输移的影响。该模型采用非平衡全量输沙法，并设定不同的休止角来处理非粘性路堤边坡崩塌问题。方程求解采用显式有限体积法在矩形网格上与改进的Godunov型中心迎风格式和非负重建的水深方法来处理附近的混合流决口。通过对两组试验数据的检验，表明该模型能较好地模拟水流特性、床面变化和泥沙输移。然后，它被应用于分析流量和形态的变化，越浪流和无波。若考虑波浪，模拟的河床变化和溃口断面形状有显著差异。无波水流冲刷主要发生在缺口处，初期以垂直冲刷为主，其次为侧向冲刷。在波浪中，水流越过沙丘的整个长度，导致整个长度上的侵蚀更快。初期侵蚀主要发生在上层，随着沙丘高度的降低和流量的增加，侵蚀逐渐加速，这表明波浪模拟结果还需要进一步的物理实验验证。
2015-08-05 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Wave-resolving Voronoi model of Rouse number for sediment entrainment
本研究开发了波浪解析 Voronoi 网格水动力模拟，整合了波浪与泥沙输运建模，揭示了轨道波运动依赖的泥沙输运及海底动态 Rouse 数分布精细结构，并在多哈湾近岸海域验证了模型有效性。
2024-10-14 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Modelling suspended sediment in environmental turbulent fluids
模拟环境湍流流体中的沉积物输运是一项挑战。本文建立了一个在洪水和海啸等环境流体流动中悬浮泥沙横向输运的合理模型。该模型是系统地从三维湍流模型的基础上Smagorinski大涡封闭。中心流形理论将物理动力学嵌入到一类问题中，通过分析系统的线性动力学，指出了由宏观变量参数化的慢流形的存在性。计算机代数，然后构建慢流形流体深度，深度平均横向速度，和悬浮泥沙浓度。该模型考虑了泥沙侵蚀、平流、扩散以及泥沙与湍流的相互作用。定常流中流速和浓度的垂向分布与已有的实验数据相吻合。对大波浪作用下悬沙的数值模拟表明，所建立的模型预测了物理上合理的现象。
2014-07-07 math.DS physics.flu-dyn
Toward Improving Prediction of Sediment Transport over Wave-Induced Ripples
波浪诱导的沙纹上的泥沙输移是一个非常复杂的现象，现有的模型无法提供准确的预测。对于海岸工程应用，可使用1-DV平流-扩散方程，并增加一个与波纹上方涡旋脱落过程相关的参数α（Absi，2010年）。本研究的目的是提供简单实用的分析工具。通过湍流通道流的DNS数据验证了分析涡粘滞性分布（Absi等人，2011年）。本文的研究结果表明：（1）振荡边界层中的周期平均涡动粘性系数可以用这个简单的解析公式来描述;（2）垂直廓线的形状可以用基线（BSL）k-ω模式的周期平均涡粘滞性来验证（Suntoyo和Tanaka，2009年）;（3）垂直涡粘滞性分布取决于波浪非线性参数，因此需要特定的校准。
2011-06-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Mathematical Models for Erosion and the Optimal Transportation of Sediment
我们调查的泥沙侵蚀的数学理论，它开始于一个非线性的，抛物型的，加权4-拉普拉斯方程的矩形域对应的一个扩展的景观的基础部分的研究。在自然边界条件下，证明了该方程存在熵解，并证明了存在弱解时解的正则性和唯一性。然后，我们调查了一类特殊的弱解研究在以前的工作中的第一作者，并产生这些解决方案的数值模拟。在引入一个泥沙最优运输问题后，我们证明了这类弱解实现了泥沙的最优运输。
2020-12-14 math-ph math.AP math.MP
SediFoam: A general-purpose, open-source CFD-DEM solver for particle-laden flow with emphasis on sediment transport
随着计算资源的不断丰富，计算流体动力学-离散单元法（CFD-DEM）成为泥沙运动研究中一种越来越有前途和可行的方法。现有的几种CFD-DEM求解器在化工和采矿工业中得到了应用。然而，一个强大的CFD-DEM求解器模拟泥沙输运仍然是可取的。在这项工作中，详细介绍了三维，大规模并行和开源CFD-DEM求解器SediFoam的开发。该求解器基于开源求解器OpenFOAM和LAMMPS构建。OpenFOAM是一个CFD工具箱，可以在非结构化网格上执行三维流体流动模拟; LAMMPS是一个用于分子动力学的大规模并行DEM求解器。SediFoam的几个验证测试使用各种复杂的情况下进行。在本模拟中得到的结果是一致的，在文献中，这表明了沉积物输运应用的Sedifoam的能力。除了验证测试之外，还研究了SediFoam的并行效率，以测试代码在大规模和复杂模拟中的性能。并行效率测试表明，SediFoam的可扩展性是令人满意的模拟使用O（10^7）粒子。
2016-01-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Transport modeling of sedimenting particles in a turbulent pipe flow using Euler-Lagrange large eddy simulation
采用体积滤波欧拉-拉格朗日大涡模拟方法对水平管内液固两相湍流流动进行了数值模拟。采用基于拉格朗日平均的动态Smagorinsky模型来考虑液相中的子滤波器尺度效应。采用完全保守的浸入式边界方法，在均匀网格上计算管道的几何形状。液相和固相通过体积分数和动量交换项耦合。粒子-粒子和粒子-壁面碰撞采用软球方法建模。通过改变表观液体速度进行了一系列模拟，以与Dahl等人（2003）的实验数据一致。根据液体流速，颗粒床可以形成和发展不同的图案，这是在文献中提出的状态图的光进行了讨论。在液体床界面的高度波动的特点，以了解这些模式的空间和时间的演变。从数值模拟中提取并呈现了工程感兴趣的统计数据，如平均速度、平均浓度和驱动流动的平均流向压力梯度。从模拟结果计算的含砂率表明，这种计算策略是能够准确地预测临界沉积速度。
2014-12-02 physics.flu-dyn
Interface-resolved direct numerical simulations of sediment transport in a turbulent oscillatory boundary layer
本文用数值方法模拟了振荡边界层内的流动，边界层近似于由靠近底部的小振幅海浪传播产生的流动。底部由球形颗粒组成，可以自由移动，模仿沉积物颗粒。该方法允许完全解析颗粒周围的流动，并评估流体施加在其表面上的力和扭矩。然后，沉积物的动力学显式计算通过牛顿-欧拉方程。对于目前模拟的流动雷诺数的最小值，流动状态变成落入间歇性湍流状态，使得当自由流速度接近其最大值时出现湍流，但是在循环的剩余阶段期间流动恢复层流状行为。对于雷诺数最大值，湍流几乎在整个流动循环期间都是显著的。沉积物输运率的评价允许估计通常用于估计由海浪输运的沉积物的量的经验预测的可靠性。对于大的希尔兹参数值，在加速阶段的沉积物流速并不不同于在减速阶段观察到的。然而，对于相对较小的Shields参数值，移动颗粒的量不仅取决于底部剪切应力，还取决于流动加速度。此外，数值计算结果提供了信息的作用，湍流涡旋上的沉积动力学。
2019-11-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
Determining the Onset of Hydrodynamic Erosion in Turbulent Flow
我们重新审视了长期存在的问题，通过实验室测量的湍流流体流驱动的泥沙输运的开始。我们使用粒子跟踪测速仪来量化流体流动以及单个颗粒的运动。当我们增加流速以上的过渡到泥沙运输，我们观察到，越来越多的颗粒被运送到下游，虽然平均下游速度的运输颗粒保持大致恒定。然而，我们发现，流动的颗粒的分数并没有急剧消失在一个临界流量。此外，非运输颗粒的波动速度的分布随着较重的尾部而变得更宽，这意味着不可能明确地分离移动和静止颗粒。作为一种替代方法，我们量化的统计颗粒速度通过使用一个混合物模型，由两种形式的颗粒速度：一个衰减指数的尾巴，这代表粮食运输下游，和一个峰值分布为中心的零速度，这代表粮食波动，由于湍流，但保持在原地。我们的研究结果表明，更复杂的统计措施可能需要量化颗粒运动附近的泥沙输运的发病，特别是在湍流的存在下。
2017-07-05 physics.flu-dyn
Analogue White Hole Horizon and its Impact on Sediment Transport
出于模拟重力的想法，我们已经在水槽中进行了实验，其中模拟白洞地平线生成，在波阻挡区域的形式，通过适当调整均匀的流体（水）流和反向传播的浅水波。我们证实了早期的实验观察，找到一个特定的放电波以上的波被有效地阻止超出地平线的临界波频率。引入一个底部波浪形式的障碍物，以产生一个尖锐的阻塞区。所有以前的研究人员使用这个障碍。我们实验的一个新颖部分是我们没有引入障碍物，并发现波阻挡仍然发生，尽管是在一个更扩散的区域。最后，将固定的底波障碍物换成可移动的沙床，研究了沙床的输沙特性以及层位或阻波现象对泥沙剖面的影响。我们在波纹图案中发现了波阻带的特征。
2015-05-26 gr-qc hep-th physics.flu-dyn
A co-spectral budget model links turbulent eddies to suspended sediment concentration in channel flows
悬浮泥沙浓度的垂向分布与水力学、水文学、生态学和水质控制等诸多问题密切相关，一直是研究的热点。在过去的90年里，许多经典理论都是使用有效混合长度或涡扩散系数来描述湍流对悬浮泥沙（SS）的影响，而没有明确说明湍流涡旋的能量。为了解决这一差距，沉积物的湍流通量推导使用的共谱预算（CSB）模型，可以迫切地用于SS和其他细颗粒物传输模型。CSB关闭的压力再分布效应，使用修改后的光谱线性Rotta计划，包括对流层的生产和湍流涡旋和沉积物颗粒之间的相互作用，通过修改后的尺度相关的去相关时间。其结果是一个公式的复杂性类似于广泛使用的劳斯方程，但所有的特征尺度，雷诺数，施密特数的影响来自完善的垂直速度的频谱形状和公认的常数从湍流模型。最后，所提出的CSB模型可以恢复Prandtl和Rouse方程的限制条件。
2021-08-23 physics.flu-dyn
Identification of Settling Velocity with Physics Informed Neural Networks For Sediment Laden Flows
本文将PINNs用于盐水上覆挟沙淡水的耦合输运问题，在浓度场或速度场两类训练数据下推断无量纲沉降速度并重建水动力场，且验证了其抗噪鲁棒性。
2024-04-10 physics.flu-dyn
The Critical Role of the Boundary Layer Thickness for the Initiation of Aeolian Sediment Transport
在这里，我们提出了一个概念框架，包括湍流的作用，风成沉积物输运开始。在将风剪切应力$τ$增加到阈值$τ^\prime_t$以上时，停留在床表面的颗粒开始在它们的袋中摇摆，因为瞬时风速的最大湍流波动高于其平均值$\overline{u}$引起超过阻力扭矩的流体扭矩。当$τ$稍微进一步增加时，摇摆变成滚动状态（即，滚动阈值$τ_t\simeqτ^\prime_t$），条件是积分时标$T_i\proptoδ/\overline{u}$（其中$δ$是边界层厚度）与夹带所需的时间$T_e\propto\sqrt{d/[(1-1/s)g]}$（其中$d$是颗粒直径，$s$是颗粒-空气密度比）之间的比率足够大。滚动，然后演变成平均风持续的跃移运输，平均风是能够补偿能量损失的颗粒床反弹。然而，当$T_i/T_e$太小时，阈值比缩放为$τ_t/τ^\prime_t\propto{T}_e/T_i\propto{s}d^2/δ^2$，与实验一致。由于$δ/d$控制$T_i/T_e$和湍流风速波动的相对幅度，我们定性预测，在自然大气中的风成沉积物运输可以启动下较弱（可能弱得多）的风比在风洞中，与地球和火星上的间接观测证据一致。
2018-08-23 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Quasi-two-layer morphodynamic model for bedload-dominated problems: bed slope-induced morphological diffusion
我们推导出一个两层深度平均模型的泥沙输运和形态演变的推移质为主的问题。近床输运区由下层（推移质）表示，下层具有任意恒定的、消失的厚度（约为沉积物颗粒直径的10倍），其平均沉积物浓度自由变化。允许沉积物进入上层，因此也可以模拟总负荷，前提是悬浮沉积物的浓度保持较低。该模型符合已建立的推移质理论，并与Lee等人（1993）的输沙率经验公式和迁移矿坑的地貌动力学实验进行了比较，结果令人满意。调查的影响，当地的床坡度推移质导致推导出一个分析，物理上有意义的表达式，由非零的当地床坡度引起的形态扩散。将拟议的形态扩散纳入传统的形态动力学模型（定义为浅水方程，Exner方程和推移质经验公式之间的耦合），提高了模型预测时，适用于一个采矿坑的演变，而不需要诉诸特殊的数值处理的方程或使用额外的调整参数。
2018-02-08 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Shallow Water Moment models for bedload transport problems
本文提出了一个简单而精确的浅水推移质输沙模型。该模型是基于应用矩方法的浅水Exner模型，使之有可能恢复的垂直结构的流动。这种方法使我们能够获得接近底部的流体速度的更好的近似值，这是沉积物输运的相关速度。本文给出了一个适用于任意阶多项式流速剖面的通用浅水Exner矩模型。正则化确保双曲性和容易计算的特征值。该系统解决了这里提出的一个适应IFCP计划。该IFCP格式的改进是基于对泥沙输移特征值的近似。数值试验处理大，短的时间尺度。所提出的模型允许获得的流体，从而在一个更好的描述推移质输运的沉积层的垂直结构。
2020-08-14 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Vortex boundaries as barriers to diffusive vorticity transport in two-dimensional flows
本文提出了将平面流动中的涡边界定义为涡量扩散输运的封闭物质屏障的思想。当与其他附近的材料曲线相比时，这种扩散涡流边界使来自它们包围的流体质量的涡流泄漏最小化。被动扩散障碍的最新成果的基础上，我们开发了一种算法，从一般的，二维非定常流数据的自动识别等结构。作为例子，我们确定涡边界涡扩散障碍在两个流动：一个明确已知的层流和数值生成的湍流Navier-Stokes流。
2019-10-16 physics.flu-dyn
Formation of sediment patterns in channel flow: minimal unstable systems and their temporal evolution
通过数值模拟，研究了槽道流中沉积物斑图形成的现象，解决了问题的所有相关尺度。所采用的数值方法和所考虑的流动构型与我们先前的研究相同（Kidanemariam和Uhlmann J. Fluid Mech.，vol.750，2014，R2），唯一的区别是计算域的长度。通过逐步减小流向长度，揭示了容纳不稳定床的最小盒维数，从而确定了不稳定模态的下限。对于所考虑的参数点，用于斑图形成的截止长度位于75-100个颗粒直径的范围内（3-4倍的透明流体高度）。我们还模拟了一个非常长的流向盒中的流动，该盒的尺寸为透明流体高度的48倍（具有超过一百万个颗粒），可容纳大约11个波长为100-110个颗粒直径的初始波纹单元。的图案的振幅表现出两个政权的增长：一个初始的指数政权，与所选择的域大小的增长率无关，和随后的非线性政权，这是强烈约束的域长度。在小畴的情况下，在初始指数制度后，波纹稳定地发展，保持其形状和迁移速度，在平均波长等于畴的长度。不对称的波纹形状的特点是由一个频谱，表现出幂律衰减的前几个占主导地位的非色散模式传播的平均沙丘迁移速度。颗粒流量和平均界面剪切应力表现出增加与波纹尺寸的增加。然而，观察到两者之间的关系近似由Wong和Parker（2006年）的沉积物输运经验幂律公式描述。
2017-02-22 physics.flu-dyn
Pore-resolved investigation of turbulent open channel flow over a randomly packed permeable sediment bed
本文通过孔隙解析DNS研究不同渗透率雷诺数下湍流明渠流与随机堆积可渗透沉积物床的相互作用，揭示了床面应力统计特征及其对潜流带输运建模的意义。
2023-08-15 physics.flu-dyn
Rheology of mobile sediment beds sheared by viscous, pressure-driven flows
我们提出了一个详细的比较剪切沉积物床的流变行为的压力驱动，直通道配置的基础上产生的数据，通过完全耦合，颗粒分辨直接数值模拟和实验测量reviously出版的Aussillous { \it等人}。(J.流体机械：第736卷，2013年，pp. 594-615）。高分辨率的模拟数据允许计算悬浮液在流向和垂直方向上的应力平衡以及流体和颗粒相之间的应力交换，这是推断流变学所需的信息，但迄今为止在实验中无法获得。应用这一知识的实验和数值数据，我们得到的纵向稳定，深度分辨的相关流变量的配置文件。流变量，如剪切粘度和法向粘度和有效摩擦系数的缩放行为进行检查和比较，来自流变实验和广泛使用的流变相关性的数据。我们表明，流变性能，以前已经推断出的环形Couette型剪切流中性浮力颗粒仍然持有我们的设置的沉积物输运在Poietille流和密集的制度，我们发现很好的协议与经验关系从中得出。将总应力从颗粒接触和流体动力学细分为多个部分，表明临界颗粒体积分数为0.3，以将致密区与稀区分开。在稀释状态下，即，在输沙层，多孔介质屏蔽了长程水动力相互作用，有效粘性服从爱因斯坦关系。
2021-03-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
Transport of spherical microparticles in a 3D vortex flow
ESPCI Paris, PSL University, CNRS, Sorbonne University, and Paris Cité University（巴黎高等物理化工学院，PSL大学，法国国家科学研究中心，索邦大学，巴黎西岱大学）；Politecnico di Torino（都灵理工大学）；Okinawa Institute of Science and Technology, Graduate University（冲绳科学技术大学院大学）；Ecole Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris（巴黎综合理工学院，巴黎理工学院）
本文利用微流控十字槽在中等雷诺数下生成三维流向涡，结合实验与数值模拟研究中性浮力球形颗粒的输运行为，发现颗粒直径增大导致其逐渐被排除出涡核，并揭示流体惯性与有限尺寸效应引起的偏离Burgers涡自相似运动，为微流控颗粒分选与分离提供理论依据。
2025-11-10 physics.flu-dyn
Derivation of a 2D PCCU-AENO method for nonconservative problems. Theory, Method and theoretical arguments
本文提出二维二阶 PCCU-AENO 路径守恒格式，结合广义浅水与泥沙输运模型，证明弱解存在、收敛、良平衡与正性保持，并通过实验和文献对比验证其性能。
2023-07-24 cs.NA math.AP math.NA
Scaling of Transport Coefficients of Porous Media under Compaction
地质系统中的多孔沉积物暴露于上述铺设质量和随之而来的压实的应力，这可能是显着不均匀的整个ARF。我们推导出相似地质成因的沉积物压实的标度律。有了这些法律，我们评估的流体饱和多孔介质（渗透率，有效的分子扩散率，流体动力学色散，电导率和热导率）对它的孔隙度的运输性能的依赖性。特别是，我们证明了一个统一的地热梯度的假设是不足够的系统与不均匀的压实和甲烷水合物矿床的数学建模的重要性，这些存款被认为是有可能对全球气候变化和冰川间冰期循环的影响。
2011-09-26 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn physics.geo-ph
On the vortex transport and blade interactions in a reversible pump-turbine
NTNU — Norwegian University of Science and Technology（挪威科技大学）
本研究通过大涡模拟分析了可逆水轮机在无负荷运行状态下涡流传输与叶片相互作用的不稳定性及其对叶片的潜在疲劳损伤影响。
2026-02-09 physics.flu-dyn
Exact coherent structures with dilute particle suspensions
University of Manchester（曼彻斯特大学）；University of Bristol（布里斯托大学）
研究了剪切作用下悬浮液沉降的物理机制，分析了不可压缩纳维-斯托克斯方程的不稳定性平衡解，结合颗粒扩散-沉降方程，探讨了被动标量和分层两种情形下的颗粒浓度场结构及输运通量公式。
2026-04-04 physics.flu-dyn
Simulations of propelling and energy harvesting articulated bodies via vortex particle-mesh methods
新的设计范式的出现和理解，利用流引起的机械不稳定性的推进或能量收集需要强大的和准确的流结构相互作用的数值模型。在这种情况下，我们开发了一种新的二维算法，结合了涡粒子网格（VPM）的方法和多体系统（MBS）求解器的被动和驱动的结构在流体中的模拟。的水动力和扭矩是通过一种创新的方法，这是至关重要的补充和扩展的投影和惩罚的方法Coquerelle等。和Gazzola等。由此产生的方法避免了耗时的计算在壁的应力恢复力的分布在复杂的变形形状的表面上。这一特征将所提出的方法与其他VPM公式区分开来。该方法进行了验证，对一些基准的结果，范围从一个二维圆柱体的沉降到一个被动的三个分段的结构，在一个圆柱体的尾流。然后，我们展示了这种方法的能力，通过研究的能量收集结构的放养过程中使用的阻尼元件建模。
2019-03-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Synthetic Seismograms from Particle Bed Interactions and Turbulent River Flow: Modeling and Comparison with Observations
University of Florence（佛罗伦萨大学）
本文提出基于物理的数值模型，研究水流中沉积物流动产生的地震辐射，通过颗粒轨迹模拟和湍流效应，对比观测数据揭示沉积物输运机制的频谱特征。
2026-04-20 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Rheology of mobile sediment beds in laminar shear flow: effects of creep and polydispersity
经典的流变量的比例关系，如$μ(J)$ -流变学已成为越来越受欢迎的封闭的两相流建模。然而，这些骨架是针对单分散颗粒衍生的。我们的目标是通过使用更现实的沉积物组成，这些考虑因素的泥沙输运建模。本文研究了由多分散球形颗粒组成的剪切沉积床在层流库埃特型剪切流中的流变行为。沉积物床由直径尺寸比高达10的颗粒组成，这对应于从细砂到粗砂的颗粒。使用完全耦合，晶粒分辨直接数值模拟，使用组合格子玻尔兹曼-离散元方法产生的数据。这些高分辨率数据产生确定流变学的相关物理量的详细深度分辨率剖面，即，流体的局部剪切速率、颗粒体积分数、总剪切和颗粒压力。对实验数据的比较表明，单分散的情况下，极好的协议。我们改进后的参数化的$μ(J)$ -流变学表示其经验得出的参数作为最大颗粒体积分数的函数。此外，我们扩展这些考虑因素，探索蠕变制度的粘性数字远低于以前的研究所使用的校准这些相关性。考虑到我们的数据的低粘性数，我们发现，在蠕变制度的准静态的摩擦系数趋于一个有限的值为零剪切，这降低了三个因素的临界摩擦系数的所有情况下调查。
2021-06-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
A lower-than-expected saltation threshold at Martian pressure and below
在火星和其他地外环境中也观察到风成沉积物的迁移，产生与地球上一样的涟漪和沙丘。寻找行星床形的陆地类似物，以及能够在行星条件下再现其形成的环境模拟实验，是质疑我们对不寻常环境条件的地貌过程的理解的有力途径。在这里，我们进行沉积物运输实验室实验中放置在一个真空室中的闭路风洞，并在极低的压力下运行，以表明火星的条件属于以前未探索的跃移制度。起动跃移所需的临界风速仅由最先进的模型定量预测，直到谷物和空气之间的密度比为$4 \times 10^5$，但对于更高的密度比，却意外地下降到低得多的值。与此相反，冲击波纹，其出现是连续观察到的颗粒床在整个压力范围内的调查，显示的特征波长和传播速度基本上独立于压力。这些研究结果与现有模型的比较表明，在低雷诺数，但高颗粒与流体的密度比的泥沙输运可能占主导地位的集体效应与颗粒碰撞层中的颗粒惯性。
2021-04-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.geo-ph
A note on the propagation of quantized vortex rings through a quantum turbulence tangle: Energy transport or energy dissipation?
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）；University of Glasgow（格拉斯哥大学）
该研究通过几何论证与高分辨率数值模拟，探究量子湍流中小于涡旋间距尺度的量子涡环动力学，明确不同密度缠结下环发射对能量耗散的贡献，指出Kelvin波级联是高涡线密度下能量耗散的最合理解释。
2015-03-07 cond-mat.other physics.flu-dyn
Linear stability of shallow morphodynamic flows
越来越普遍的是，浅层地表流模型包括下垫面演变（形态动力学）和相关沉积相运动的方程。我们调查这些系统的线性稳定性相当普遍。朴素的配方的形态动力学，具有良好的混合悬移质和床之间的沉积物交换，导致数学不适定的控制方程。这是追溯到一个奇异性的线性化系统在弗劳德数$Fr = 1$，导致无界不稳定增长的短波长扰动。包含被忽略的物理过程可以恢复适定性。湍流动量扩散（涡动粘度）和适当的参数化推移质输沙分别显示在这方面是足够的。然而，我们表明，这种模式通常继承了相关的不稳定性，是从非形态动力学设置缺席。我们的分析的影响被认为是简单的通用关闭，包括拖曳法之间切换流体和颗粒的行为，取决于泥沙浓度。定常形态动力学流分叉成两种状态：稀释流，在低$Fr$下是稳定的，而集中流总是对浓度扰动不稳定。通过计算的增长率的线性模式在一个广泛的区域的参数空间，我们详细研究了具体的模型参数，包括泥沙可蚀性，涡动粘度和推移质通量的选择的影响。这些分析可用于为工程和地球科学业务模型的持续发展提供信息。
2021-03-29 physics.flu-dyn physics.geo-ph
A modified kinetic theory for frictional-collisional bedload transport valid from dense to dilute regime
泥沙输运模拟仍然是一个具有挑战性的问题，是非常重要的颗粒地球物理流动的研究。在这项工作中，泥沙输运的碰撞制度的建模研究，重点是连续模拟的颗粒流。为此，摩擦碰撞的方法，结合库仑模型与颗粒气体的动力学理论，开发。该方法是基于耦合流体离散模拟的比较，经典的动力学理论模型无法重现。为了改进连续介质模型，在离散模拟中计算了脉动能量平衡，并与动力学闭合律进行了系统的比较。颗粒间摩擦被证明会影响径向分布函数，并增加能量耗散，与文献中以前的观察结果一致。由于跳跃的颗粒，其运动不能被捕获的动力学理论，偏离粘度和扩散率的法律观察在稀的颗粒流的一部分。最后，二次性质的阻力被证明是增加颗粒波动能量耗散。基于这些观察，提出了修改的动力学理论闭合律。改进后的模型在整个颗粒流深度结构上较好地再现了离散模拟结果。这些改性被示出影响流的流变性质，并且它们使得有可能恢复在致密区域中的μ（I）流变性。
2021-10-14 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Critical transport and vortex dynamics in a thin atomic Josephson junction
研究了费米超流体间原子约瑟夫森结在分子玻色-爱因斯坦凝聚强吸引极限下的耗散起始。我们的模拟确定的临界人口不平衡和最大约瑟夫森电流划定无耗散和耗散运输，与最近的实验定量一致。我们毫不含糊地链接耗散涡环成核和动力学，表明量子相位滑移是负责所观察到的电阻电流。我们的工作直接连接宏观耗散输运的微观特征，提供了一个全面的描述涡环动力学三维非均匀收缩超流体在零和有限的温度。
2020-01-06 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.flu-dyn
Two regimes of dilute turbulent settling suspensions under shear
本文数值研究了剪切流中稀释非惯性沉积物的湍流沉降，发现根据沉降速度可分为均匀弱分层湍流和顶部湍流底部间歇边界层两种状态，中等沉降速度下流动层流化。
2025-05-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
