Boundary layer transition due to distributed roughness: Effect of roughness spacing
采用直接数值模拟（DNS）和全局稳定性分析方法，研究了粗糙元间距对分布粗糙元上边界层转捩的影响，并与相同雷诺数下的孤立粗糙元进行了比较。小的展向间距（$λ_z = 2.5h$）抑制了反向旋转涡（CVP）的形成，因此，发夹涡不会产生，下游剪切层是稳定的。对于$λ_z = 5h$，CVP和发夹涡是由第一排粗糙度引起的，扰动下游剪切层并引起转捩。初级发夹涡的时间周期性似乎与流向间距无关。与孤立粗糙度相比，分布粗糙度导致发生不稳定的较低临界Reh和更显著的边界层破裂。当流向间距与流动分离区域（$λ_x = 5h$）相当时，高动量流体几乎不会向下移动到空腔中，尾流对以下粗糙度元素的影响很小。主导的不稳定的静脉曲张模式与沿对齐的粗糙元素的中心低速条纹，其频率接近孤立的情况下的发夹涡的脱落频率。对于较大的流向间距（$λ_x = 10h$），从全局稳定性分析中得到两种不同的模式。第一模态表现出多样的对称性，对应于第一排粗糙度引起的初级发夹涡脱落。在纵向槽中形成的高速条纹也被发现是不稳定的，并与静脉曲张模式相互作用。第二种模态是第一排粗糙度的尾流进入第二排粗糙度时产生的频率较低的弯曲模态。它从高速和低速条纹之间的展向剪切中提取大部分能量。
2023-03-20 physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction with streamwise travelling waves in the compressible regime
本研究通过直接数值模拟对比不同可压缩槽道流的行波减阻效果，发现可压缩性对减阻的提升程度受对比流程影响，采用动能约束为固定比例转热能的对比方法更合理，此时可压缩性对减阻提升微弱。
2023-12-15 physics.flu-dyn
The laminar generalized Stokes layer and turbulent drag reduction
本文研究了沿流向传播的展向速度波作用于壁面时对平面槽道流动的影响。层流和湍流制度的流向流动进行了研究。当流向流为层流时，它不受波浪诱导的展向流的影响。这种流动是一种薄的、非定常的和流向调制的边界层，可以用第一类艾里函数表示。我们称之为广义Stokes层，因为它在无限波速的极限下退化为经典的振荡Stokes层。当流向流是湍流时，层流广义斯托克斯层解很好地描述了空间平均湍流展向流，只要波的相速度与湍流对流速度充分不同，并且强迫的时间尺度小于近壁湍流结构的寿命。在这些条件下，发现阻力减少与斯托克斯层厚度成比例，这使得层流解决方案有助于分析的湍流。通过比较与强迫条件有关的参数与湍流的空间和时间尺度，给出了波浪诱导的湍流状态的分类。
2010-08-24 physics.flu-dyn
Polymer and surface roughness effects on the drag crisis for falling spheres
利用连续超声技术对钢球在液体中自由降落的时间分辨速度进行了测量。我们探索了两种不同的方法来诱导球体上的阻力的大的变化：1）少量的粘弹性聚合物添加到水中，2）改变球体的表面。低浓度的聚合物溶液和/或在球体表面的凹槽图案诱导早期阻力危机，这可能会减少阻力超过50%相比，在纯水中的光滑球体。另一方面，随机表面粗糙度和/或高浓度聚合物溶液逐渐减小阻力并抑制阻力危机。我们还提出了一个定性的论点，在低浓度的聚合物溶液中观察到的阻力减少的Weissenberg数和正常的应力差。
2007-08-31 physics.flu-dyn
The influence of wall roughness on bubble drag reduction in Taylor-Couette turbulence
实验研究了湍流Taylor-Couette流中壁面粗糙度对气泡减阻的影响。两个同心的、独立旋转的圆柱体之间的流动。我们测量了有空气和无空气情况下系统的阻力，并通过在一个或两个圆柱上安装横向肋来增加粗糙度。对于光滑壁的情况下（无肋）和肋的情况下，内圆筒上只有，我们观察到强大的阻力减少$DR=33\%$和$DR=23\%$，分别为$α=6\%$的空隙率。然而，当肋安装在两个圆柱上或只安装在外圆柱上时，减阻效果很弱，小于$DR=11\%$，因此非常接近于减小有效密度的微不足道的效果。流动显示表明，在这两种情况下，即外圆柱上有肋的情况下，诱导了稳定的湍流泰勒涡-大尺度涡结构。这些强的二次流使气泡远离边界层，使气泡的作用比以前在光滑壁情况下观察到的要小。测量与反向旋转的光滑的圆柱体，一个政权，其中明显的泰勒辊也诱导，确认它确实是泰勒涡削弱气泡减阻机制。我们的研究结果表明，尽管气泡减阻确实对光滑壁有效，但其效果可能会被例如\生物污垢和无处不在的壁面粗糙度，因为粗糙度会引起强烈的二次流。
2018-04-08 physics.flu-dyn
A model for slip and drag in turbulent flows over superhydrophobic surfaces with surfactant
超疏水表面可以降低湍流中的摩擦阻力。在层流状态下，已经表明痕量的表面活性剂可以抵消这种阻力降低，有时使这些表面不比固体壁好（Peaudecerf等人，Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114（28），7254-9，2017）。然而，表面活性剂对SHS减阻性能的影响尚未在湍流条件下进行研究，根据当今的标准，预测表面活性剂在直接数值模拟中的影响仍然很昂贵。我们提出了一个湍流模型，包括表面活性剂，在通道或边界层配置，在长但有限长度的流向脊是周期性的展向方向，周期$P$和气体分数$φ$。我们采用了一种基于移位对数定律的技术来获得减阻的表达式。平均流向和展向滑移长度是通过在粘性子层内引入局部层流模型而得到的，由此通过修改平均流向和展向滑移长度来模拟表面活性剂的作用。我们的模型同意从文献中获得的实验室实验数据时，条件是干净的（无表面活性剂），或当有低的表面活性剂水平。然而，我们发现一个明显的阻力增加较大的背景表面活性剂浓度的特点，湍流在SHS海洋应用。
2023-02-03 physics.flu-dyn
Coherent near-wall structures and drag reduction by spanwise forcing
通过对直接数值模拟获得的流动快照进行条件平均，研究了展向壁面速度（StTW）的流向行波对湍流通道近壁区准流向涡（QSV）的影响。A. Yakeno，Y. Hasegawa，N. Kasagi，“Modification of quasi-streamwise vortical structure in a drag-reduced turbulent channel flow with spanwise wall oscillation”，Phys. Fluids 26，085109（2014），其中考虑了空间均匀壁振荡（OW）的特殊情况，将其扩展到StTW的一般情况，这产生湍流表皮-摩擦阻力的减小和增加。StTW被发现显着影响壁正常分布的涡人口。条件平均的速度场表明，在控制周期内，QSV对象限雷诺剪应力的贡献发生了显著变化。一方面，对于OW，Q2事件的抑制（低速流体远离壁面上涌）主导了减阻过程。另一方面，Q2和Q4事件的增强（高速流体向壁的下降）与阻力增加有关。基于雷诺应力的相位变化和应变率张量的主方向之间的联系，由StTW引起的，提出了一个预测的相关性减阻StTW使用物理上重要的参数，以克服现有模型的缺点。
2022-08-21 physics.flu-dyn
Turbulence suppression by streamwise-varying wall rotation in pipe flow
对顺向变壁面旋转下的管流湍流进行了直接数值模拟。在低雷诺数条件下，在一定的控制参数下，该控制方法能够实现流动的减阻甚至再层化。两个控制参数，这是速度振幅和波长被认为是。壁面旋转形成一个环形边界层，称为空间斯托克斯层（SSL）。基于SSL的厚度，确定了两种类型的减阻方案。当厚度较低时，SSL充当间隔层，阻挡流体对壁的冲击，从而降低剪切应力。由于速度梯度的增加，外层的流动结构受到的影响较小，并且在流向方向上被拉伸。在SSL内，湍流强度显著减小。当壁厚较大时，形成近壁低速条纹的流向波形。条纹的取向滞后于当地的平均速度的方向在相位和符合当地合成剪应力的方向。近壁流动结构的流向尺度显著减小，导致流动结构的下游发展中断，从而导致阻力降低。此外，还发现要使湍流再层化，需要足够大的SSL厚度和速度幅值。再层化的机理是环形SSL由于旋转效应不断吸收壁面法向应力的能量，从而使湍流自持过程不能维持。对于再层化情形，即使是极大的扰动，层流态也是稳定的，这可能使层流态成为整个系统的唯一不动点。
2022-01-30 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
Revisiting a drag partition model for canopy-like roughness elements
本研究重新审视Raupach 1992年提出的R92粗糙元阻力分配模型，指出其仅适用于低粗糙元密度场景，提出随机平均升尺度新方法并验证其合理性，同时证实R92在适配粗糙元类型与配置参数后可用于大尺度模型。
2024-04-11 physics.flu-dyn
Prediction of equivalent sand-grain size and identification of drag-relevant scales of roughness -- a data driven approach
本研究提出基于集成神经网络与主动学习框架的数据驱动方法，可基于粗糙度统计特征预测等效沙粒尺寸，还能识别阻力相关粗糙度尺度，预测误差低且经DNS验证滤波后阻力特性可保留。
2023-08-28 physics.flu-dyn
Experimental assessment of drag reduction by traveling waves in a turbulent pipe flow
我们通过实验评估了Quadrio等人最近引入的用于湍流壁流中的减阻的主动开环技术的能力[J. Fluid Mech.，v.627，161，（2009）]。该技术包括在壁面产生展向速度的流向调制波，沿流向传播。设计了一个原理验证实验来测量管流中湍流摩擦的减少，其中壁被细分为在方位角方向上独立旋转的薄板。虽然在离散设置中，但附近板的不同速度提供了横向速度的所需流向变化。我们的实验证实了可用的DNS结果，特别是证明了在湍流状态下实现摩擦大幅度减少的可能性。对于缓慢向前的行波，可获得高达33%的减阻率;向后的行波总是产生减阻，而对于向前行进的波，其相速度与近壁湍流结构的对流速度相当，则会出现减阻的大幅下降。傅立叶分析表明，由近似于正弦波的离散空间波形引入的第一谐波是导致实验测量中确实观察到的显著效应的原因。与此控制方案的物理实现及其能量效率有关的实际问题进行了简要讨论。
2010-08-16 physics.flu-dyn
Roughness characteristics of an ice surface grown in the presence of a supercooled water film driven by gravity and wind drag
本文提出了一个理论模型来解释重力和风驱动过冷水膜流过斜面所形成的冰面粗糙度特性。从一种新的冰-水界面形态不稳定性出发，研究了供水率、平面坡度和气流速度对冰面粗糙度间距和高度的影响。提出的宏观尺度下的过冷水膜的形态不稳定性是完全不同的微观尺度下的枝晶生长的结果。结果发现，冰表面粗糙度的间距主要取决于水层的厚度，表面粗糙度的高度是非常敏感的对流换热率在水-空气界面。本模型通过水-气界面处的边界条件考虑了空气和水流之间的相互作用。这导致我们的一个重大发现，切向和正常的剪切应力扰动，由于在水-空气界面处的气流起着至关重要的作用，不仅在扰动的水-空气界面处的对流传热率，但也对高度的冰面粗糙度。这是证实了由模型预测的冰水界面扰动的放大率与实验观察到的粗糙度高度的比较。
2011-03-21 physics.flu-dyn
Unsteady evolution of slip and drag in surfactant-contaminated superhydrophobic channels
本文建立超疏水通道内可溶性表面活性剂的非定常输运模型，结合长波与均匀化理论推导非线性通量波动方程，揭示其导致气膜刚性化、波陡化及滑移减阻时空变化的机制。
2024-02-22 physics.flu-dyn
Mechanisms of lift generation and drag invariance by asymmetric surface roughness on a sphere
University of Michigan（密歇根大学）
通过壁面解析大涡模拟研究球体非对称凹坑粗糙度产生横向力的机制，再现相关现象并揭示升力产生和阻力不变性的耦合机制，明确压力分布、过渡路径等作用。
2026-07-07 physics.flu-dyn
Turbulent flow over transitionally rough surfaces with varying roughness densities
通过对三维过渡粗糙正弦曲面上的流动进行直接数值模拟，研究了粗糙壁面湍流。粗糙度雷诺数固定为$k^+=10$，其中$k$是正弦半振幅，并且正弦波长是变化的，导致粗糙度坚实度，$Λ$（正面面积除以平面面积）范围为0.05至0.54。通过使用最小跨度通道技术来避免解决密集粗糙元件周围的流动和整体流动的高成本，最近由Chung等人（J. Fluid Mech.，第773卷，2015年，pp. 418-431）以精确地确定Hama粗糙度函数$ΔU^+$。良好的协议的二阶统计在近壁粗糙度的影响区域之间的最小和全跨度粗糙壁通道观察。在粗糙度的稀疏区域（$Λ\lesssim 0.15$）中，粗糙度函数随着密实度的增加而增加，而在密集区域中，粗糙度函数随着密实度的增加而减小。发现当$Λ\gtrsim0.15-$ 0.18时，致密区开始，与文献一致。提出了一个模型的限制$Λ\rightarrow\infty$，这是一个光滑的壁位于波峰的粗糙元素。该模型有助于解释粗糙度的渐近行为，本文中提出的粗糙壁数据表明，近壁流动趋向于这个模拟的极限。峰值流向湍流强度，这是与湍流的近壁周期，被认为是越来越远离壁的固体度增加。在稀疏状态下，增加$Λ$会减少与近壁循环相关的流向湍流能量，而在密集状态下增加$Λ$会增加湍流能量[续] $\ldots$
2020-12-08 physics.flu-dyn
Statistics and spectral analysis of turbulent duct flows with flexible and rigid polymer solutions
我们提出了一个实验研究的湍流减阻与柔性和刚性聚合物解决方案。柔性聚合物是部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），刚性聚合物是黄原胶（XG）。实验在低减阻（$\%DR < 40$）、高减阻（$\%DR > 40$）和最大减阻（其中速度分布$U^+$大致匹配Virk渐近线）下进行。我们比较了速度剖面，流向和壁面法向雷诺应力和功率谱的流向速度波动测量激光多普勒测速仪（LDA）。我们的研究结果表明，XG和HPAM聚合物对湍流的影响是相似的，前提是雷诺数和$\%DR$也相似。在高水平的$\%DR$，XG和HPAM流的流向速度波动的功率谱密度显示在$-3$附近的幂律衰减，而不是在惯性范围内的$-5/3$。$-3$功率谱的斜率最近被解释为聚合物射流中弹性惯性湍流（EIT）的证据。在相对低的浓度下，我们观察到柔性聚合物溶液在降低阻力方面更有效，而XG仅在非常高的浓度下达到MDR。因此，我们假设，具有较高浓度的聚合物聚集体的形成有助于增加粘弹性，从而增加$\%DR$与XG和其他刚性聚合物溶液的粘弹性。
2022-10-19 physics.flu-dyn
Characterizing the turbulent drag properties of rough surfaces with a Taylor--Couette setup
壁面粗糙度在有壁面限制的湍流中引起额外阻力。由于缺乏对蒙皮-摩擦阻力的精确和直接测量，将任何给定的粗糙几何形状映射到其流体动力学行为受到阻碍。Taylor-Couette（TC）系统提供了一个机会，因为它是一个封闭的系统，并允许直接和可靠地测量皮肤摩擦。然而，壁曲率潜在地使壁摩擦和壁粗糙度特性之间的连接复杂化。在这里，我们调查的影响，流体动力学充分粗糙表面上的高度湍流，内圆筒旋转，TC流。我们发现，流体动力学完全粗糙表面对TC湍流的影响，其中粗糙高度k比Obukhov曲率长度Lc小三个数量级（其表征曲率对湍流的影响，参见Berghout等人arXiv：2003.03294，2020）类似于完全粗糙表面对平板湍流边界层（BL）的影响。因此，表征粗糙表面的阻力特性的等效砂粒高度ks的值类似于在平板BL中的可比较砂纸表面所发现的值。接下来，我们得到的扭矩（皮肤摩擦阻力）的雷诺数的依赖性，为给定的壁面粗糙度，其特征在于ks，并发现与实验结果在5%以内的协议。我们的研究结果表明，在TC设施的全球扭矩测量是非常适合可靠地推断壁阻力性能的任何粗糙表面。
2020-09-14 physics.flu-dyn
Active and hibernating turbulence in minimal channel flow of Newtonian and polymeric fluids
在最小流动几何形状下模拟了减阻聚合物溶液的湍流通道流动。即使在牛顿极限，我们发现的“冬眠”湍流的时间间隔，显示许多功能的通用最大减阻（MDR）渐近线观察到的聚合物溶液：弱流向涡，几乎不存在的流向变化和平均速度梯度，定量匹配实验。随着粘弹性的增加，这些间隔的频率也增加，而间隔本身不变，导致流动越来越像MDR。
2010-04-28 physics.flu-dyn
The minimal-span channel for rough-wall turbulent flows
粗糙度主要改变湍流的近壁区域，而外层保持相似。这使其成为最小跨度通道的主要候选者，其仅通过将展向通道宽度限制在几百个粘性单位的数量级来捕获近壁流动。最近，Chung等人（J. Fluid Mech.，第773卷，2015年，pp. 418-431）表明，最小跨度渠道可以准确地模拟粗糙度的水力特性。在此之后，我们的目标是调查的基本动态的最小跨度通道框架，着眼于进一步提高性能。研究了通道的流向域长度，发现最小长度为展向宽度的三倍或1000个粘性单位，以较长者为准。一个半高（开放）的渠道与滑壁再现近壁的行为在一个标准的渠道，但网格点的数量的一半。其次，将强迫模型引入半高渠道的外层，以降低高流向速度。最后，进行调查，看看是否随时间变化的粗糙度雷诺数是一个可行的方法，获得完整的粗糙表面的水力行为。一个经验的成本计算参数的开发，以确定成本的CPU小时的最小跨度信道模拟先验。这个论点涉及到计算通道中涡流寿命的数量，然后与流向速度的统计不确定性相关。对于粗糙度函数中给定的统计不确定性，这可以用于确定模拟运行时间。在此之后，使用具有贴体网格的有限体积代码来确定基于正方形的金字塔的粗糙度函数。观察到与文献相同的粗糙度几何形状的良好协议。
2017-03-02 physics.flu-dyn
Effects of surface roughness on the propulsive performance of pitching foils
表面纹理对静态表面的流体动力学影响范围从大的阻力惩罚（粗糙度）到潜在的性能优势（鲨鱼皮肤）。虽然，它是广泛的研究兴趣，粗糙度对扑翼系统的影响受到了有限的关注。在这项工作中，我们探索的非定常性能的谐波俯仰翼型通过实验，使用不同的表面粗糙度的翼型，在固定的Strouhal数和雷诺数（Re）范围内的15 k-30 k的粗糙度的影响。通过改变球帽形元件在推进器区域上的分布来改变箔片的表面粗糙度。我们发现，除了表面粗糙度并没有提高性能相比，光滑的表面上考虑的Re范围。流场的分析表明，无论箔片的表面粗糙度如何，尾流几乎相同。性能降低主要是由于翼型阻力的增加。然而，我们发现，在相同的平均迎角下，由于粗糙度引起的阻力损失从静态翼型的76%减少到扑动翼型的16%，在最高Re下测得的阻力损失最大。我们的研究结果强调，粗糙度对动态系统的影响是非常不同的，比静态系统，因此，不能只使用静态情况下获得的信息来解释。这也表明，非定常的，扑动系统的性能是更强大的表面粗糙度的变化。
2023-01-10 physics.flu-dyn
Global effect of local skin friction drag reduction in spatially developing turbulent boundary layer
对两种局部减阻控制方案在空间发展湍流边界层（TBL）中的应用进行了数值研究。一个控制器被设计成阻尼近壁湍流，另一个控制器在壁法线方向上引起恒定的质量通量。两种控制方案在控制区域内产生相似的局部减阻率。然而，控制下游的流动发展显着不同：持久的阻力减少被发现的均匀吹气的情况下，而阻力增加被发现的湍流阻尼的情况下。为了解释这种差异，建议制定一个全球减阻率。它表示由流体施加在有限长度板上的流向力的减小。此外，它表明，TBL的远下游发展后的控制区域可以描述由一个单一的量，即流向移动的不受控制的边界层，即一个改变的虚拟原点。基于这一结果，一个简单的模型，允许相关的局部减阻率的全球之一，而不需要进行昂贵的模拟或测量远下游的控制区域。
2016-07-08 physics.flu-dyn
Effect of axially varying sandpaper roughness on bubbly drag reduction in Taylor-Couette turbulence
实验研究了粗糙壁面和光滑壁面交替变化对气泡减阻的影响。我们在Twente湍流泰勒-库埃特设施的光滑内筒（IC）周围应用宽度为$s$的粗糙砂纸带（$48.4\,mm$和$148.5\,mm$之间）和粗糙度高度为$k = 695\,μm$。在砂纸带之间，IC在相似的宽度$s$上未被覆盖，导致粗糙和光滑带交替，在轴向方向上具有恒定的图案。我们测量的DR在水中，起源于引入气泡的流体（剪切）雷诺数$\textit{Re}_s$范围从$0.5 \times 10^6$到$1.8 \times 10^6$。将结果与具有完全光滑IC和完全覆盖有相同粗糙度$k$的砂纸的IC的气泡DR测量进行比较。外圆柱体保持光滑，适用于所有变化。结果还比较了气泡DR测量，其中光滑的外圆柱体以与光滑的IC相反的方向旋转。这种反向旋转诱导的二次流结构与IC由交替的粗糙和光滑带组成时观察到的结构非常相似。对于粗糙度的测量，发现气泡DR最初随着$\textit{Re}_s$而更强烈地增加，然后趋于平稳以达到不再取决于$\textit{Re}_s$的值。这归因于气泡的更均匀的轴向分布，这是由于与在相同$\textit{Re}_s$处的完全光滑壁上的流动相比，流动的湍流强度增加。可以看到气泡在流中的粗糙壁段处积聚。这里，局部地，阻力最大，因此气泡的减阻效果感觉最强。因此，一个更大的气泡DR的最大值被发现为交替粗糙和光滑的壁相比…
2020-08-03 physics.flu-dyn
Spinning out of control: wall turbulence over rotating discs
对表面安装旋转圆盘作动器产生的槽道湍流中的摩擦阻力减小进行了数值研究。盘的壁布置对流动具有复杂且意想不到的影响。对于低的盘尖速度，减阻比例与致动面积的百分比线性，而对于较高的盘尖速度的减阻可以大于通过与致动面积的线性比例发现的预测。对于中等的盘尖速度，所有的情况下，显示这种额外的阻力减少沿流向方向盘之间的静止壁区。这种效应是由粘性边界层引起的，由于圆盘产生的径向流动，粘性边界层在静止壁的部分上发展。对于最高的盘尖速度，阻力减少甚至增加了一半的盘的数量。相反，用于激活盘的功率与盘布置无关，并且对于所有盘尖端速度与致动区域成线性比例。采用的Sagagata-Iwamoto-Kasagi身份和流动可视化，以提供进一步的洞察力的动态之间出现的盘的流向细长结构。对于要在盘侧形成的结构，沿展向相邻盘之间必须发生充分的相互作用，在盘侧，壁面速度指向与流向平均流相反的方向。研究了新型的半盘和环形驱动器，以改善盘流性能，导致最大减阻26%。
2021-01-20 physics.flu-dyn
Pressure drag reduction via imposition of spanwise wall oscillations on a rough wall
本研究通过直接数值模拟证明，在粗糙壁面上施加展向壁面振荡可显著降低压差阻力（>25%），并首次揭示完全粗糙工况下压差阻力降低机制独立于黏性减阻，源于粗糙元尾迹涡脱落活动的衰减。
2023-12-12 physics.flu-dyn
Near wall coherence in wall-bounded flows and implications for flow control
利用数值方法对壁面湍流中近壁条纹的能量循环进行反向控制，已显示出减阻的前景。对于实际实施，只有当控制系统的传感器-致动器对之间存在一定程度的相干性时，才可实现对向控制（这些传感器和致动器通常应该是基于壁的，以避免寄生阻力）。因此，我们在这里检查实时控制的近壁周期的可行性，通过考虑一个可测量的壁量之间的相干性，是壁剪切应力波动，和流向和壁法向速度波动的湍流边界层。同步的空间和时间的速度数据，从数值模拟在$Re_τ\approx 590$和$ 2000$。结果表明，在近壁区，与壁面信号随机不相干的流向速度脉动的谱能量与雷诺数无关。因此，流向的能量份额是随机壁相干的增长与雷诺数由于能量大尺度范围的增加。因此，这意味着基于壁的控制系统具有在较高雷诺数下操纵壁外位置处的总湍流能量的较大部分的能力。相干值为0.55和0.4，这是大大低于最大可能的相干1，被发现之间的流向和壁法向速度波动在近壁的能量谱图中的峰值，分别和流向波动的摩擦速度。这表明，随着雷诺数的增加，仅针对近壁条纹循环的闭环减阻方案在实践中的成功将是有限的。
2020-05-06 physics.flu-dyn
Viscoelastic effect on steady wavy roll cells in wall-bounded shear flow
了解近壁减阻湍流流动的另一个步骤是检查层流背景下组织良好的流向涡中的流动。本文研究了Giesekus粘弹性流体在旋转平面Couette流动系统中的流动行为，该流动系统伴有稳态的滚动胞结构。通过将雷诺数和旋转数固定在提供稳定的波浪形滚动单元的值，即，一系列曲折的流向涡，Weissenberg数增加到2000（其中弛豫时间由壁速度和运动粘度归一化）。我们观察到，在粘弹性流动中，二次流（壁面法向和展向速度波动）被抑制，而流向分量被维持，并且波状滚转单元被调制成与流向无关的直滚转单元。在非湍流背景下，研究了平均剪切流、横摇单元引起的雷诺应力和粘弹性应力之间的动能输运。我们进一步讨论了调制机制及其与粘弹性壁湍流减阻现象的关系。
2019-09-10 physics.flu-dyn
Dimples for skin-friction drag reduction: status and perspectives
凹痕是压印在平坦表面上的小凹陷，已知当用作标准粗糙度时会影响传热以及非流线型体上的流动分离和气动阻力。最近，已经提出了凹坑作为一种粗糙度图案，其能够通过提供补偿凹坑引起的压力阻力的表面摩擦的减小来减小平板的湍流阻力，并且导致全局益处。凹坑是否真的能减小摩擦阻力，这个问题仍然没有解决。在本文中，我们提供了一个全面的审查，现有的信息，触及的许多参数的特点的问题。一些原因，有助于解释对比的文献信息进行了讨论。我们还提供了指导方针，为今后的研究，突出一个有意义的比较所需的关键方法步骤之间的平面和酒窝表面的减阻。
2022-07-10 physics.flu-dyn
Data-driven discovery of drag-inducing elements on a rough surface through convolutional neural networks
本文提出一种卷积神经网络，仅凭粗糙表面形貌预测阻力并生成特征图，发现流向坡度和粗糙元高度是诱导压差阻力的关键因素，证明CNN预测具有流体力学物理基础。
2024-09-06 physics.flu-dyn
Bubbly drag reduction using a hydrophobic inner cylinder in Taylor-Couette turbulence
在这项研究中，我们实验研究了气泡减阻的高度湍流的水与分散的空气在$5.0 \times 10^{5} \leq \text{Re} \leq 1.7 \times 10^{6}$在非润湿表面含有微尺度粗糙度。为此，使用泰勒-库埃特几何，允许精确的全局阻力和局部流测量。涂有粗糙疏水材料的内圆柱体旋转，而光滑的外圆柱体保持静止。关键的控制参数是存在于工作流体中的空气体积分数$α$。对于小体积分数（$α< {4}\,\%$），我们观察到来自涂层的表面粗糙度增加阻力。对于大体积分数的空气（$α\geq 4\,\%$），与使用相同体积分数的空气的内圆柱体和外圆柱体均未涂覆（即，光滑且亲水）的情况相比，阻力减小。这表明存在两种相互竞争的机制：一方面，粗糙度引起原木层的延伸-导致阻力增加-另一方面，疏水表面与气泡液体相互作用存在减阻机制。这两种效果之间的平衡决定了是整体阻力减小还是阻力增强。对于进一步增加的气泡浓度$α= {6}\,\%$，我们发现一个饱和的减阻效果。我们的研究为疏水壁面湍流中气泡减阻的工业应用提供了指导。
2020-06-15 physics.flu-dyn
Physical model for turbulent friction on rough surfaces
本文提出了一个具有规则分布粗糙元的粗糙表面湍流摩擦的物理模型。壁面剪应力表示为物理量的函数。被认为是不同的粗糙度密度和粗糙度元素具有不同的纵横比的表面。我们提出了一个简单的方法的基础上的动量守恒推导出阻力的元素表示为函数的最大阻力和阻力减少率，作为单个元素的阻力随着堆积密度的增加而减少。提出了动量重分布的减阻效应，并研究了相互遮挡效应。这两种减阻机制对于单个单元分别对于稀疏和密集表面是重要的。推导了两种不同粗糙表面的再分布效应和相互遮挡效应的折减率。阻力分析的结果得到了单元上的剪应力和总壁面剪应力。所提出的模型的壁面剪应力的估计与经典的实验测量是一致的。
2016-10-21 physics.flu-dyn
Bayesian optimization and topographic exploration of drag-reducing dimples for aerodynamic surfaces
Nanyang Technological University（南洋理工大学）；Istanbul Technical University（伊斯坦布尔技术大学）；University of Southampton（南安普顿大学）
本研究采用MixMOBO贝叶斯优化器结合大涡模拟，优化气动表面减阻凹坑的四个设计变量，得到13.2%减阻率的最优菱形凹坑，明确了凹坑拓扑等关键设计因素及流动机制。
2026-08-14 physics.flu-dyn
Reynolds-dependence of turbulent skin-friction drag reduction induced by spanwise forcing
本文研究了雷诺数$Re$值的增加如何影响展向强迫技术产生湍流表面摩擦阻力减小的能力。所考虑的作用力基于展向壁速度的流向行波（Quadrio { \em et al. J. Fluid Mech.}，第627卷，2009年，pp. 161- 178）。该研究建立在一个广泛的减阻数据库创建的直接数值模拟的湍流通道流的两个，5倍分离的$Re$值，即$Re_τ=200$和$Re_τ=1000$。该数据库首次系统地描述了强迫的幅度，其庞大的规模使人们能够全面了解行波的减阻特性，并能够详细描述当$Re$增加时发生的变化。描述了使用基于非受控流或减阻流的摩擦速度的粘性缩放的效果。与其他基于壁的减阻技术（例如肋）类似，行波的性能可以通过平均流向速度剖面的对数部分的垂直位移来很好地描述。除了当$Re$非常低时，该偏移在$Re$的情况下保持恒定，与摩擦系数的百分比降低不一致，已知摩擦系数呈现温和的对数下降。我们的新数据与现有文献一致，但这些文献大多基于低$Re$信息，因此预测使用$Re$的最大减阻会迅速下降。目前的研究支持一个更乐观的情况下，飞机在飞行雷诺数的阻力减少近30%仍然是可能的，由于行波。
2016-07-13 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
Relaminarization of turbulent pipe flow induced by streamwise traveling wave wall transpiration and its scaling
本研究探究壁面吹吸流向行波对圆管湍流的再层流化作用，将有效摩擦雷诺数上限提升至720，通过参数模拟明确了上下游行波的减阻与净节能标度规律，为管道减阻节能提供理论依据。
2025-09-03 physics.flu-dyn
Coherent structure modulation and recovery in drag-reduced turbulent boundary layers
Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学航空航天学院）
本研究基于展向壁面方波激励减阻实验，分析不同流向波长下的湍流结构，揭示后最优减阻下小尺度猝发导致的湍流恢复机制，证实该调制具有尺度选择性。
2026-08-04 physics.flu-dyn
Measurements of non-linear energy transfer in canonical and drag-reduced turbulent boundary layers
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）；The University of Melbourne（墨尔本大学）；RMIT University（皇家墨尔本理工大学）
本研究用3D-PTV测量雷诺应力张量谱输运，验证了实验框架，首次分解ZPG TBL的非线性输运项，探究壁面强迫减阻对能量转移的影响，为减阻流动研究提供实验依据。
2026-08-04 physics.flu-dyn
Flow regimes and types of solid obstacle surface roughness in turbulent heat transfer inside periodic porous media
本文的重点是系统地研究多孔介质中固体障碍物表面粗糙度对微尺度流动物理的影响，并报道其对宏观阻力和努塞尔数的影响。本文对周期性多孔介质中的雷诺平均流场进行了数值模拟，该多孔介质由一排方形圆柱组成，圆柱表面有方形粗糙颗粒。两个流态被确定相对于表面粗糙度颗粒高度：细和粗粗糙度制度。在精细粗糙度区域中粗糙度颗粒的影响仅限于固体障碍物表面周围的近壁边界层。在粗粗糙度制度，粗糙度颗粒修改的微尺度流场在整个孔隙空间的多孔介质。在细粗糙度区域，从粗糙固体障碍物到多孔介质内的流体的热传递小于从光滑固体障碍物到多孔介质内的流体的热传递。在粗糙粗糙度制度，有一个增强的热传递从粗糙的固体障碍物的多孔介质内的流体。总阻力减少也观察到在精细粗糙度制度的最小粗糙度颗粒高度。表面粗糙度颗粒间距决定了固体障碍物表面被再循环、再附着和停滞流覆盖的部分面积。随着粗糙颗粒间距的增加，有两个竞争因素的传热率：增加由于更多的表面积覆盖的再附着流，和减少由于固体障碍物表面上的粗糙颗粒的数量减少。孔隙率的减小和雷诺数的增加放大了表面粗糙度对微尺度流动的影响。
2023-02-02 physics.flu-dyn
Direct numerical simulation of turbulent channel flow over random rough surfaces
在$Re_τ=400$和$600$上对具有随机粗糙壁面的湍流通道内的流动进行了直接数值模拟。粗糙度几何形状对应于Flack和Schultz的实验（个人通信）。粗糙表面用于通道的底壁上。在$Re_τ=400$上还对光滑渠道流和杆粗糙化渠道流进行了DNS验证和比较。随机粗糙通道的表面摩擦系数与Flack和Schultz的实验结果吻合较好。由于粗糙度的存在，在对数律区域内，粗糙壁面上的滑移速度增大，而平均速度减小。在粗糙壁面附近，流向和展向速度脉动增强。的压力波动显示了显着增加的粗糙度层，并表现出良好的崩溃与外层中的光滑壁。流向平均动量平衡表明，压力和粘性应力梯度诱导粗糙层，并在较高的$Re_τ$的梯度放大。壁面剪应力波动的峰值（以上的平均高度位置）和谷（以下的平均高度位置）区域的统计检查。结果表明，在随机粗糙度的谷区，反向流动主要发生在随机粗糙度的谷区，在较高的$Re_τ$下，反向流动得到增强，但不像粗糙度下的空腔内回流那样强烈。壁面剪应力的概率分布函数在减去平均值并用均方根值进行归一化后显示出更好的崩溃性。随机粗糙度使分布尾部变宽，意味着极端事件发生的概率增加。随机粗糙通道中极端事件的概率随着$Re_τ$的增加而增加，与以前对光滑壁流的研究一致。
2020-10-09 physics.flu-dyn
Characterisation of rough-wall drag in compressible turbulent boundary layers
University of Southampton（南安普顿大学）；University of the Bundeswehr Munich（慕尼黑联邦国防军大学）；University of Melbourne（墨尔本大学）
研究探讨了在压缩流中粗糙壁摩擦的表征问题，通过实验数据发现摩擦因子与马赫数相关，并提出了三种经验修正方法以提高预测精度。
2026-03-25 physics.flu-dyn
Drag and Yielding of Rotating Bodies in Yield-Stress Fluids
FAMU-FSU College of Engineering（FAMU-FSU 工程学院）；National High Magnetic Field Laboratory, Florida State University（美国国家高磁场实验室，佛罗里达州立大学）
通过实验和数值模拟研究旋转物体在屈服应力流体中的沉降动力学，发现旋转速率和表面粗糙度显著影响阻力系数，并揭示了塑性变形区、壁滑移和滞点流等机制。
2026-06-03 physics.flu-dyn
Numerical study of friction reduction and underlying mechanism of air film via parallel and tandem injections on a hypersonic flat plate at high altitude
本文通过数值模拟研究高空高超声速平板平行与串列气膜注入的减阻机理，揭示质量流率、孔间距和注入孔长宽比对低速层覆盖、流动损失及减阻效率的影响规律。
2025-09-23 physics.flu-dyn
Identifying skin-friction generation structures in turbulent channel flows via canonical correlation decomposition
Peking University（北京大学）；Beijing Institute of Technology（北京理工大学）
通过典型相关分解方法识别湍流通道流中皮肤摩擦生成的关键流动结构，并展示其在阻力控制中的应用潜力。
2026-01-11 physics.flu-dyn
Relaminarization by steady modification of the streamwise velocity profile in a pipe
我们表明，一个相当简单的，稳定的修改管道中的流向速度分布可以导致湍流的完全崩溃和流动完全relaminarizes。两个不同的装置，一个固定的障碍物（插图）和一个装置，以注入额外的流体通过一个环形间隙靠近壁，用于控制流量。这两种装置都能改变流向速度分布，使管道中心的流动减速，近壁区域的流动加速。我们目前的测量与立体粒子图像测速调查和捕捉这些设备和负责relaminarization的具体情况下游的再层化流的发展。我们发现总relaminarization雷诺数为6000，在下游距离的压降减少了3.4倍，由于relaminarization。在光滑的直管中，控制管下游的流动完全保持层流状态.此外，我们表明，瞬态（临时）再层化在一个空间受限的区域下游的设备也发生在更高的雷诺数，伴随着显着的阻力降低。再层化的基本物理机制是由于近壁湍流产生周期的减弱。
2018-02-05 physics.flu-dyn
Rearrangement of secondary flow over spanwise heterogeneous roughness
采用直接数值模拟的方法，研究了具有完全可分辨粗糙度的周期性平面明渠中沿流向延伸的粗糙和光滑表面上的湍流。我们的目标是了解粗糙度的平均高度如何影响展向非均匀粗糙表面上形成的二次流的特性。为此，虽然粗糙纹理的统计特性以及粗糙条纹的宽度和间距保持不变，但平滑条纹的高度在不同的模拟情况下系统地变化。利用这种变化的三种配置，代表突出，凹陷和中间类型的粗糙度进行了分析。在所有情况下，存在二次流，并且所有非均匀粗糙表面的表面摩擦系数计算值明显大于均匀光滑和粗糙表面的面积加权平均值。这种阻力增加似乎与二次流的强度有关。次级运动的旋转方向被示出为取决于相对表面高度。目前的结果表明，这种重新安排的二次流的展向壁法向雷诺应力分量的空间分布进行相反的迹象，突出和凹陷的粗糙度。
2021-09-22 physics.flu-dyn
Drag reduction in surfactant-contaminated superhydrophobic channels at high Péclet numbers
本文建立长波、弱扩散极限模型，结合渐近与数值方法分析高 Péclet 数下可溶性表面活性剂对周期性超疏水通道减阻的影响，并给出闭式预测。
2025-02-21 physics.flu-dyn
DNS-based characterization of pseudo-random roughness in minimal channels
采用直接数值模拟方法研究了周期性极小通道构型下不规则粗糙表面上的湍流流动。不规则粗糙表面的生成基于随机算法，其中粗糙度高度函数的功率谱及其概率密度函数可以直接规定。的粗糙度的流体动力学特性进行了研究，并从全尺寸DNS获得的12个粗糙度地形与系统不同的PDF和PS在四个粗糙度高度。比较证实了最小通道的方法，粗糙表面的特性提供优良的协议，在粗糙度函数和零平面位移在各种类型的粗糙度和不同的制度的可行性。结果还表明，不同的实现粗糙度，与固定的PS和PDF，转化为类似的粗糙度函数的值与一个小的分散。除了全球的流动特性，时间平均的表面力的分布施加到流体上的粗糙度进行检查和比较的粗糙度高度分布为不同的情况下。结果表明，表面力分布具有展向伸长相干区的各向异性结构。各向异性转化为一个非常小的流向积分长度尺度，这弱依赖于所考虑的粗糙度地形，而较大的展向积分长度尺度显示出更强的依赖粗糙度特性。结果还表明，遮蔽模型很好地描述了表面力的空间分布。最后，现有的粗糙度相关性进行评估，使用本数据集。结果表明，大多数相关性可以重现的等效砂粒粗糙度值从DNS在± 30%的误差，而没有一个相关性显示出优越的预测精度。
2022-04-29 physics.flu-dyn
Experimental assessment of square wave spatial spanwise forcing of a turbulent boundary layer
本研究通过交替方向运动带实现湍流边界层的空间方波展向强迫减阻，实验验证了减阻效果，扩展了斯托克斯层理论并与数值结果吻合，最大减阻率达20%。
2024-03-16 physics.flu-dyn
On the Drag Coefficient Universality of a Rough Grain in Creeping Flow
本研究通过数值模拟发现分形粗糙颗粒在蠕变流动中的阻力系数与一个新提出的面积相关数之间存在普适幂律关系，该定律受相对粗糙度主导，可精确估计流体-颗粒相互作用。
2024-11-12 physics.flu-dyn physics.geo-ph
A systematic investigation into the effect of roughness on self-propelled swimming plates
本研究系统探究表面粗糙度对自推进游泳板的影响，通过不同雷诺数下的对比实验，揭示了粗糙度与运动学的非线性作用机制，发现粗糙度可提升流动拟涡能且不增阻力，相关结论完善了非定常游泳体的粗糙度研究体系。
2023-07-07 physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction by anisotropic permeable substrates $-$ analysis and direct numerical simulations
我们探讨各向异性渗透基板，以减少湍流表面摩擦的能力，研究这些基板上覆盖的湍流的影响。为此，我们执行DNSs的通道流的可渗透的基板。结果证实了理论预测，和由此产生的阻力曲线是类似的肋。对于小的渗透率，阻力减少是成比例的流向和展向渗透率之间的差异。这种线性制度打破了壁正常渗透率的临界值，超过该值，性能开始下降。我们观察到，退化与展向相干结构的外观，归因于一个开尔文-亥姆霍兹的不稳定性的平均流量。这一特征在各种阻塞流中是常见的，线性稳定性分析可用于预测它。对于大渗透率，这些结构在流动中变得普遍，超过了滑移的减阻效果，最终导致阻力增加。对于所考虑的衬底配置，在摩擦雷诺数$δ^+ = 180$下观察到的最大减阻是$\approx 20-25\%$。
2019-02-22 physics.flu-dyn
Reinforcement Learning of Control Strategies for Reducing Skin Friction Drag in a Fully Developed Channel Flow
本文采用深度强化学习，依据壁面附近流向与法向速度脉动学习槽道湍流吹吸控制策略，实现37%减阻，显著优于传统反向控制的23%。
2022-06-30 physics.flu-dyn
Sea Surface Roughness Dependence on Ocean Wave Parameters through Large Eddy Simulation with Local Subfilter Wave Drag
Princeton University（普林斯顿大学）
开发局部尺度不变的子滤波波浪阻力模型，通过大涡模拟研究波浪参数（有效波高、谱峰频率）对动量通量的非单调影响，揭示海气动量交换需同时考虑风和波浪效应。
2026-06-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Rough surfaces in under-explored surface morphology space and their implications on roughness modelling
本文通过DNS研究高 $k_{rms}/k_a$、低至负偏度粗糙壁面，提出特征选择与分组建模思路，证明通用 $k_s$ 模型难以实现。
2024-09-09 physics.flu-dyn
