Intrinsic filtering errors of Lagrangian particle tracking in LES flow fields
两相湍流的大涡模拟(LES)表现出定量的颗粒统计差异,如果相比,直接数值模拟(DNS),在本研究的上下文中,被认为是确切的参考情况。差异主要是由于过滤,LES的基本内在特征。过滤流体速度场产生作用在颗粒上的力的近似计算,并且反过来,当与DNS的那些相比时,轨迹是不准确的。在本文中,我们专注于精确的滤波误差,我们量化的下限。为此,我们使用的DNS数据库中的惯性粒子分散在湍流通道流,我们进行先验测试,其中纯粹由于过滤的错误被挑出来去除误差积累的影响,否则会导致DNS和LES粒子轨迹之间的渐进发散。通过应用不同类型和宽度的过滤器在不同的粒子惯性,我们的特征的统计特性的过滤误差作为壁距离的函数。结果表明,滤波误差是随机的,具有非高斯分布。此外,滤波误差的分布强烈地依赖于壁法线坐标在缓冲区中最大。我们的研究结果提供了洞察力的亚网格尺度速度场上的驱动力的粒子,并建立了LES模型必须满足的要求,以正确预测的速度和惯性粒子的轨迹。
2011-08-30 physics.flu-dyn
Lagrangian Finite-Time Fluctuation Relation in isotropic turbulence
本文在各向同性湍流中检验非平衡热力学涨落关系,发现有限时间平均的熵产生率概率比仅在拉格朗日框架下呈指数行为,而在欧拉固定位置不成立,从而为湍流能量级串的热力学描述提供了新证据。
2025-07-03 physics.flu-dyn
Grid-based calculation of Lagrangian mean
拉格朗日平均已被证明是更有效的比欧拉平均在分离波从缓慢的动态在两个时间尺度流。它也出现在许多简化的模型中,这些模型捕获了慢流上的波反馈。然而,它的计算需要及时跟踪粒子,这在基于网格的数值模拟或从定点测量估计中带来了一些困难。为了克服这些困难,我们提出了一种基于网格的迭代方法来计算拉格朗日平均值,而无需跟踪粒子的时间。我们解释了这种方法如何减少计算,内存占用和处理器之间的通信并行数值模型。为了评估该方法的准确性,我们检查并讨论了几个示例。我们还探讨了这种方法的应用在浅水方程的范围内,通过量化的有效性波平均地转平衡-一种修改后的形式的地转平衡占慢动态的影响,强波。
2022-03-08 physics.flu-dyn
Defiltering turbulent flow fields for Lagrangian particle tracking using machine learning techniques
本文提出一种基于机器学习的湍流速度去滤波方法,用于改善粗网格流场中的拉格朗日粒子追踪,并在不同滤波尺寸下验证了其对速度脉动、轨迹和沉积速度的重建精度与泛化能力。
2024-11-07 physics.flu-dyn
A Variational Lagrangian Framework for Log-Homotopy Particle Flow Filters
Budapest University of Technology and Economics(布达佩斯技术与经济大学)
本文提出一种变分拉格朗日框架,用于对数同源粒子流滤波器,通过将粒子流视为无粘不可压缩流体的运动,推导出耦合的哈密顿-雅可比方程,并将其与量子力学中的Madelung流体动力学公式类比,从而实现更稳定的数值方法。
2026-05-14 cs.SY eess.SY physics.flu-dyn
Acoustic Streaming: An Arbitrary Lagrangian-Eulerian Perspective
我们使用ALE的角度分析声流流动。该制剂源于一个明确的分离的时间尺度导致两个子问题:一阶问题,制定在快速规模的流体位移方面,和制定在缓慢的时间尺度的拉格朗日流速方面的二阶问题。严格的时间平均程序后,二阶问题被证明是内在稳定的,并与精确的边界条件在振荡壁。此外,由于二阶问题直接求解拉格朗日速度,因此该公式不需要采用斯托克斯漂移的概念或任何相关的后处理,从而便于与实验进行直接比较。由于一阶问题是制定的位移场,我们的配方是直接适用于更复杂的微acosutofluidic设备中的流体-结构相互作用的问题。制定的博览会后,我们提出的数值结果,说明了制定相对于目前的方法的优势。
2016-10-01 physics.flu-dyn
The Lagrangian-averaged model for magnetohydrodynamics turbulence and the absence of bottleneck
我们表明,对于速度和磁场之间的准均分的情况下,拉格朗日平均磁流体力学α模型(LAMHD)再现以及大尺度和小尺度的湍流的属性,特别是,它没有显示增加(超过滤器)瓶颈效应,其随后增强的能谱在发病的子过滤器尺度。这与中性流体的情况相反,在中性流体中,拉格朗日平均的Navier-Stokes α模型在其应用中受到一定的限制,因为没有内部自由度的空间区域的形成以及随后的超滤波器尺度光谱特性的污染。在LAMHD中没有发现这样的区域,使得这种方法能够大大减少所需的数值自由度;具体地说,我们发现,在相同雷诺数下,与在1536^3个点的大网格上进行的直接数值模拟相比,减少因子为200。
2009-06-25 astro-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Lagrangian Refined Kolmogorov Similarity Hypothesis for Gradient Time-evolution in Turbulent Flows
我们研究了各向同性湍流中的速度和压力梯度的时间演化,通过量化它们的去相关时间尺度,如下流动中的流体颗粒。拉格朗日分析使用公共数据库中的数据,这些数据是在雷诺数为430时通过直接数值模拟Naiver-Stokes方程生成的。据证实,当平均在整个域,关联函数衰减的平均Kolmogorov周转时间尺度的顺序上的时间尺度上,从全球平均耗散率和粘度计算。然而,当在流的不同子区域中执行分析时,湍流不稳定性导致衰减时间尺度的大的空间变异性。值得注意的是,出色的崩溃的自动关联函数恢复时,使用“本地Kolmogorov时间尺度”定义使用本地平均,而不是全球,耗散率。这为Kolmogorov的精炼相似性假设的有效性提供了新的证据,但从拉格朗日的观点来看,它提供了一个自然的框架来描述湍流的动态时间演化。
2009-12-18 physics.flu-dyn
Wave-mean decomposition of scale-dependent kinetic energy from surface drifters
Institute of Oceanography, University of Hamburg(汉堡大学海洋研究所);Lamont Doherty Earth Observatory, Columbia University(哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站);School of Mechanics and Engineering Science, Peking University(北京大学力学与工程科学学院)
提出在广义拉格朗日平均框架下对表面漂流浮标观测进行拉格朗日滤波,实现波浪与平均流对表面动能统计贡献的分离,并利用墨西哥湾数据计算空间尺度上的二阶速度结构函数,揭示了不同尺度下的旋转与辐散分量特征及季节变化。
2026-06-02 physics.flu-dyn
Single inertial particle statistics in turbulent flows from Lagrangian velocity models
我们提出了拉格朗日示踪粒子模拟技术的扩展[B. Viggiano等人,流体力学杂志(2020),第900卷,A27],其考虑了颗粒惯性的影响。因此,几个斯托克斯数的粒子速度直接建模的多层Ornstein-Uhlenbeck过程和比较的关键统计量(二阶速度结构函数,加速度关联函数,和均方根加速度)的表达式来自巴彻勒的模型,以及直接的数值模拟(DNS)进行。在这两种方法中,斯托克斯的阻力由近似的“线性滤波器”处理,该滤波器将进入流体速度场的粒子位置替换为相应的理想示踪剂位置。惯性粒子的优先浓度的影响被考虑在一个有效的斯托克斯数,这是从零交叉的加速度关联函数从DNS确定。因此,这种近似允许通过随机方法和拉格朗日速度模型对惯性粒子统计进行建模;粒子速度有效地与粒子位置解耦。与普通滤波技术[Cencini等人,杰·特布尔(2006),7,N36],我们的方法捕获了在低斯托克斯数下的粒子的优先浓度的影响,其例如通过增加斯托克斯数的加速度方差的急剧减小而表现出来。
2021-06-14 physics.flu-dyn
DNS of vertical plane channel flow with finite-size particles: Voronoi analysis, acceleration statistics and particle-conditioned averaging
本文对竖直平面通道内稀相颗粒湍流流动进行了直接数值模拟,充分解决了相界面问题。流动条件与“Uhlmann,M.,Phys. Fluids,第20卷,2008,053305”,除了在本研究中已经加倍的计算域长度。流和粒子运动的统计数据没有显着改变域的伸长。以前发现的大规模柱状结构确实存在,它们在延长域中仍然只是轻微地去相关。空间颗粒分布的Voronoi分析表明,分散相的状态可以被表征为比随机更有序,倾向于均匀的空间分布。还发现p.d.f.的拉格朗日粒子加速度的壁法向和展向方向遵循对数正态分布在以前的实验中观察到的均匀流。流向分量偏离该定律,呈现显著的偏斜。最后,在粒子周围的近场中的流的统计分析表明,粒子尾流呈现两个区域,近尾流的速度赤字衰减为1/x和远尾流的衰减约为1/(x*x)。
2012-05-16 physics.flu-dyn
Geometric generalised Lagrangian mean theories
流体中的许多波动驱动现象可以使用Andrews & McIntyre(1978)的广义拉格朗日平均(GLM)理论进行有效分析。该理论依赖于粒子跟踪平均,以纳入材料守恒所施加的约束。它隐含地依赖于欧几里得结构;因此,它没有几何上的内在解释,并且具有不期望的特征,包括不可压缩流体的拉格朗日-平均速度的发散。出于这一动机,我们开发了一个几何广义GLM,我们制定内在的。该理论适用于任意的黎曼流形;它还建立了直接源于几何一致性的结果和依赖于特定选择的结果之间的明确区别。我们表明,拉格朗日平均动量的平均拉回的动量的一种形式-服从一个简单的方程,保证了开尔文的流通,不论平均流量的定义。我们讨论了平均流的四种可能的定义:标准GLM的直接扩展,基于最优运输的定义,基于保体积同构群中的测地线距离的定义,以及Soward & Roberts(2010)提出的glm定义。假设小振幅的扰动,我们进行了一阶一阶的计算,以获得明确的平均流量和伪动量的表达式在领导秩序。我们还展示了如何波作用守恒的GLM扩展到几何设置。为了使本文自成一体,我们介绍了微分几何的工具和我们所依赖的几何流体动力学的主要思想。我们主要集中在不可压缩的无粘流体的欧拉方程,但素描扩展到分层Boussinesq,可压缩欧拉和磁流体动力学方程。
2017-12-08 physics.flu-dyn
Continuity equations in the Generalised Lagrangian Mean theory
Universities of York and Leeds(约克大学和利兹大学)
本文在广义拉格朗日平均理论框架下,研究连续性方程的形式及其有效性条件,通过引入兼容性方程,将McIntyre-Andrews变换推广至任意流体运动。
2026-08-25 physics.flu-dyn
Lagrangian coherent structures and inertial particle dynamics
在这项工作中,我们研究了惯性粒子的动力学有限时间李雅普诺夫指数(FTLE)。特别是,我们的吸引子和排斥子结构的基础上的优先浓度的惯性粒子的FTLE领域的基础载体流体。比环境流体(气溶胶)重的惯性粒子吸引到负时间流体FTLE的脊上。该负时间FTLE脊成为比载液轻的颗粒(气泡)的排斥器。我们还研究了惯性FTLE(iFTLE)所确定的轨迹的惯性粒子演化使用Maxey-Riley方程与非零斯托克斯数和密度比。最后,我们探讨了斯托克斯数的低通滤波效果。这些想法被证明在二维非定常双涡旋流的数值模拟。
2015-12-17 physics.flu-dyn
A covariant approach to relativistic large-eddy simulations: The fibration picture
湍流模型需要大范围尺度的分辨率,从大涡旋到与耗散直接相关的小尺度特征。由于所需的分辨率不在大规模数值模拟的范围内,标准策略涉及通过时间平均或空间滤波来平滑流体动力学。这些策略在广义相对论中提出了形式上的问题,在广义相对论中,空间和时间的分裂取决于观察者。为了取得进展,我们开发了一个新的协变框架过滤/平均的基础上与流体元素和费米坐标的使用,以方便有意义的本地分析的时空纤维化。我们推导出解决的运动方程,演示如何“有效”耗散项出现,因为粗粒化,并特别注意解决量的物理解释。最后,作为平滑的流体动力学不可避免地导致一个封闭的问题,我们提出了一个新的封闭方案的灵感来自最近的进展,在建模耗散相对论性流体,至关重要的是,证明了线性稳定性的建议模型。
2021-10-27 astro-ph.HE gr-qc physics.flu-dyn
High-order semi-Lagrangian kinetic scheme for compressible turbulence
紊流可压缩流传统上是用显式时间积分器来模拟的,该积分器应用于纳维-斯托克斯方程的离散化版本。然而,相关的Courant-Friedrichs-Lewy条件严重限制了最大时间步长。利用玻尔兹曼方程的物质导数的拉格朗日性质,我们现在引入一个可行的三维半拉格朗日格子玻尔兹曼方法(SLLBM),它绕过了这个限制。由于三维中离散速度的数量巨大,许多用于可压缩流的格子玻尔兹曼方法被限制在二维中,而SLLBM仅使用45个离散速度。基于可压缩泰勒-格林涡模拟,我们表明,新的方法准确地捕捉激波或小激波以及湍流在3D中,而不使用额外的滤波或稳定技术,即使当时间步长的大小是两个数量级以上的文献中的模拟相比。因此,我们的新方法使研究人员第一次研究可压缩湍流的一个完全明确的计划,其范围内的容许的时间步长大小只由物理决定,而从空间离散解耦。
2021-05-17 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph physics.flu-dyn
A numerical method based on quasi-Lagrangian Voronoi cells for two-phase flows with large density contrast
本文提出基于运动 Voronoi 网格与锐界面的准拉格朗日方法,通过颜色函数滤波重映射首次处理大密度对比两相流,所得守恒鲁棒的半隐式格式可模拟含激波和表面张力的可压缩及不可压缩流动。
2025-03-15 cs.NA math.NA physics.flu-dyn