Lagrangian particles and particle clusters in large-aspect-ratio turbulent Rayleigh-Bénard convection experiment
Technische Universität Ilmenau（埃尔朗根-纽伦堡工业大学）
本文在特定参数的湍流瑞利-贝纳德对流中开展拉格朗日粒子追踪实验，分析粒子轨迹、速度结构函数、粒子对及多粒子统计、加速度分量特征，揭示了其各向异性色散与加速度间歇性等特性。
2026-09-01 physics.flu-dyn
Flow organization in laterally unconfined Rayleigh-Bénard turbulence
本文研究了高宽比$Γ=32$的大盒子中瑞利数小于$Ra=10^9$和普朗特数为$Pr=1$时湍流瑞利-贝纳德对流的大尺度环流。有条件的平均技术，使我们能够提取统计的LSC，即使在整个域的结构的数量和方向不同。我们发现，这里得到的LSC的各种属性，如壁面剪应力分布，边界层厚度和风雷诺数，没有显着不同的结果在封闭域（$Γ\approx 1$）。这是值得注意的，因为当限制被去除时，结构的尺寸（通过单个对流辊的宽度测量）在最高$Ra$处加倍以上。外推到临界剪切雷诺数的$Re_s^{\textrm{crit}} \approx 420$，在边界层（BL）通常成为湍流，预测的过渡到最终制度预计在$Ra_{\textrm{crit}} \approx \mathcal{O}(10^{15})$在无约束的几何形状。这一结果与哥廷根的实验观察结果一致。此外，我们确认，靠近壁的局部热传输是最高的羽流影响区域，其中的热BL是最薄的，和最低的羽流发射区域，其中的热BL是最厚的。然而，这种趋势随着$Ra$的增加而减弱。
2020-06-02 physics.flu-dyn
Generation of magnetic field by dynamo action in a turbulent flow of liquid sodium
我们报告了在VKS实验中观察到的发电机作用，即，由液体钠的强湍流旋流产生磁场。场的平均和波动部分进行了研究。发电机阈值对应于磁雷诺数Rm \sim 30。平均磁场的顺序为40 G的观察30%以上的阈值在流动的横向边界。对于两个分量，均方根波动大于相应的平均值。的缩放的均方磁场进行比较，以前的预测高雷诺数流量。
2007-01-06 physics.flu-dyn
Assessment of a Multiphase Formulation of One-Dimensional Turbulence using Direct Numerical Simulation of a Decaying Turbulent Interfacial Flow
本研究利用一维湍流（ODT）模型研究湍流与表面张力的相互作用，通过与直接数值模拟（DNS）对比验证模型可靠性，并拓展参数范围揭示了柯尔莫哥洛夫临界尺度的普适涨落规律。
2024-04-13 physics.flu-dyn
The physics of stripe patterns in turbulent channel flow determined by DNS results
本文用DNS方法求解纳维-斯托克斯方程，分析了无限延伸平面通道内的湍流流动。解决方案中获得的数值解域的有限大小的流向以及在横向设置周期性的边界条件在两个方向。仔细分析了它们对湍流场中大尺度结构的影响，以避免它们的抑制。当这样做时，可以观察和分析这些流中的众所周知的条纹图案，特别是关于它们与平均流速相比的相对运动。这种条纹图案占主导地位的速度场的各种细节。此外，基于在保证充分发展的湍流和热传递的非常长的时间段内的流量和温度数据的统计，确定了全局参数，如流场中的摩擦因子和温度场中的努塞尔数。
2015-11-24 physics.flu-dyn
Experimental investigation of free jets through supersonic nozzles
在本文中，我们报告的实验研究，以改善形状的超音速喷嘴稀薄流产生高的轴向密度在延长距离喷嘴。所报道的工作对于需要高中心线密度和窄射流轮廓的分子射流/束应用是重要的。我们调查的抛物线喷嘴的轮廓是使用虚拟源模型的自由膨胀，并比较其性能与一组具有不同的锥角的锥形喷嘴，使用模拟以及实验。所有喷嘴都是使用ABS通过增材制造制成的，并且发现性能令人满意。轴向密度和横向扩展的射流测量使用皮托管组件。通过建立音速喷管的数学模型和经验模型，对稀薄流皮托管的精度和操作极限进行了定量分析。研究表明，抛物线喷管的性能与圆锥喷管相当或略好。此外，抛物线型线可用于优化各种长度的锥形喷嘴的开口角。
2022-12-01 physics.atm-clus physics.flu-dyn
Turbulent rotating convection confined in a slender cylinder: the sidewall circulation
最近的研究旋转瑞利-贝纳德对流在高转速和强热强迫的总热输运之间的显着差异的实验在一个封闭的圆柱形域的一方面和模拟的横向无约束的周期性域的另一方面。本文解决了这种差异，使用直接数值模拟的圆柱形域。对流场的分析揭示了壁附近的对流增强区域，即侧壁环流。侧壁环流在圆柱内沿反气旋方向缓慢旋转。它有一个回旋的结构，说明了平均流场的水平横截面的流动，其中瞬时快照的侧壁环流的方向进行补偿，然后平均。通过对侧壁区域和内部整体流动的单独分析，我们发现，对于较高的热强迫值，在侧壁环流区域之外的圆柱形区域的内部的热传输与无约束周期性区域上的热传输一致。因此，侧壁环流占两个考虑域之间的热传递的差异，而在散装的湍流热通量是相同的横向无界的周期性域。因此，实验，其固有的限制，仍然可以提供类似于模拟的无界域的湍流，并在更极端的值的热强迫和旋转的控制参数。我们还提供了实验证据的侧壁环流的存在，是在密切的协议与模拟结果。
2020-01-23 physics.flu-dyn
Wavelet-based resolvent analysis for statistically-stationary and temporally-evolving flows
这项工作介绍了一种制定的预解式分析，使用小波变换，而不是傅立叶变换的时间。这使得预解式分析可以扩展到湍流与非平稳的手段，除了静止流。最佳的预解模式，这个配方对应的潜在的时间瞬态结构，最放大的线性化的Navier-Stokes算子。我们验证了这种方法的湍流通道流，并表明，基于小波和傅立叶的预解式分析是等效的湍流定常流。然后，我们应用基于小波的预解算子分析，通过在时间和频率上对预解算子加窗，研究了槽道湍流缓冲层中的瞬态增长机制。该方法也适用于时间演变的平行剪切流，如振荡的边界层和三维通道流，其中的横向压力梯度扰动充分发展的湍流在一个通道。
2022-12-05 physics.flu-dyn
Sedimentation of finite-size spheres in quiescent and turbulent environments
分散固体相的沉降在应用和环境流动中广泛遇到，然而对于均匀各向同性湍流中有限尺寸颗粒的行为知之甚少。为了填补这一空白，我们进行直接数值模拟的沉降在静止和湍流环境中使用浸没边界法占分散的刚性球形颗粒。所考虑的固体体积分数为0.5 - 1%，而固体与流体的密度比为1.02。粒子半径被选择为大约6个Komlogorov长度尺度。结果表明，平均沉降速度是较低的，在一个已经湍流比在静止的流体。对于所研究的两种体积分数，相对于静止流体中的单个颗粒的减少约为12%和14%。粒子速度的概率密度函数在湍流中几乎是高斯分布的，而在静止流体中则显示出较大的正尾。这些尾巴与颗粒对在拖曳-亲吻-翻滚运动中的间歇性快速沉降有关。颗粒横向分散在湍流中更高，而令人惊讶的是，垂直分散由于在静止流体中观察到的高度间歇性行为而具有相当的量级。使用的平均相对速度的概念，我们估计的平均阻力系数的经验公式，并表明，非平稳的影响，有关的旋涡脱落，解释在湍流环境中的平均沉降速度的减少。
2015-11-18 physics.flu-dyn
Turbulent bubbly channel flows: Effects of soluble surfactant and viscoelasticity
采用界面分辨直接数值模拟方法研究了表面活性剂和粘弹性对槽道泡状湍流结构的影响。不可压缩流方程求解完全耦合的FENE-P粘弹性模型和控制界面和本体表面活性剂浓度的方程。后一种耦合是通过非线性状态方程实现的，该方程将界面处的表面张力与表面活性剂浓度联系起来。双流体纳维-斯托克斯方程使用前沿跟踪方法求解，并使用非常有效的基于FFT的压力投影法进行增强，该方法允许大规模并行模拟湍流。结果发现，对于无表面张力的情况下，由于惯性升力，气泡向壁移动，导致壁层的形成和流量的显着降低。相反，足够高浓度的表面活性剂改变气泡横向迁移的方向，即，被污染的气泡移向核心区域并在通道上扩散。当考虑粘弹性时，粘弹性应力抵消Marangoni应力，促进气泡壁层的形成，从而强烈降低流速。复合情况下气泡壁层的形成取决于惯性力、弹性力和Marangoni力的相互作用。
2021-10-12 physics.flu-dyn
Luminous Flame Height Correlation Based on Fuel Mass Flow for a Laminar to Transition-to-Turbulent Regime Diffusion Flame
本文提出了一个层流过渡到湍流状态扩散火焰的火焰高度关联式。火焰高度的测量是通过数值和实验研究获得的，其中三个高清晰度的摄像机同时采取正面，侧面和45 °角的图像。使用图像处理算法分析图像，以通过间接测量确定火焰高度。为了确定化学火焰的总长度，采用非定常数值模拟方法对化学火焰进行了数值模拟。采用涡耗散模型计算了化学反应的反应速率。实验表明，该关联式对层流区的发光火焰高度的调节变化为16.9%，表明在不使用间歇浮力火焰高度关联式的情况下，该关联式能最好地代表层流区的火焰高度。对于层流和过渡到湍流制度的调整变化是5.54%相比，最公认的火焰高度的相关性，从而提供了一个可接受的良好的拟合。数值计算结果表明，与实验火焰图像相比，化学火焰长度的建议范围位于发光和闪烁火焰区之间。这些结果与文献报道的化学长度区一致。因此，相关性可用于层流和过渡到湍流燃烧制度。
2020-08-27 physics.flu-dyn
Simulations of turbulence over compliant walls
对一刚性壁面和一粘弹性壁面通道内的湍流进行了直接数值模拟。采用Eulerian-Eulerian模型和水平集方法识别流体柔性材料界面。重点关注瑞利波在柔性材料中的传播，其速度取决于弹性剪切模量，其主波长取决于粘弹层的厚度。选择这些参数以确保柔顺表面和湍流之间的耦合。当瑞利波的相速度与近壁压力波动的平流速度相当时，涡量片在临界层附近被抬起并分离，并导致局部压力最小值。这些事件是由波谷附近的弯曲速度廓线引起的，并受弹性表面净涡度通量的控制。这种现象是理解的统计特性的流量，包括表面变形压力的相关性和增强的随机湍流剪切应力的中心。作用在流体上的压力在表面处是正的，这增加了湍流强度和壁面法向混合，而没有任何流向动量增益。最后，我们讨论了三维的表面地形上产生的流向涡，二次运动，和横向湍流输送的影响。
2021-11-01 physics.flu-dyn
Suspensions of finite-size neutrally-buoyant spheres in turbulent duct flow
本文研究了中性浮力球形颗粒稠密悬浮液的湍流方管流动。直接数值模拟（DNS）的体积分数范围内进行$ϕ=0-0.2$，使用浸没边界法（IBM）占分散相。根据水力直径，考虑雷诺数为$5600$。我们报告特定于这种几何形状的流动特征和颗粒统计，并将结果与二维通道流的情况进行比较。特别是，我们观察到，对于$ϕ=0.05$和$0.1$，颗粒优先积聚在角平分线上，靠近管道角，同样也观察到相同的管道-颗粒尺寸比的层流方形管道流。在最高体积分数下，颗粒优先聚集在核心区域中。对于通道流动，在没有横向限制的情况下，发现粒子在通道中均匀分布。我们还观察到，横流二次流的强度增加（相对于空载的情况下）的体积分数高达$ϕ=0.1$，作为沿角平分线的颗粒的高浓度的结果。对于$ϕ=0.2$，湍流活动大大降低，二次流强度降低到空载情况下的强度以下。在稀释条件下，摩擦雷诺数随着$ϕ$的增加而增加，正如在槽道流动中所观察到的那样。然而，对于$ϕ=0.2$，平均摩擦雷诺数降低到低于$ϕ=0.1$的值。
2017-11-13 physics.flu-dyn
Aerodynamic Influence Over Leading and Pursuing Motorcycles Equipped With Downforce-Generation Wings
University of Brasília（巴西利亚大学）
通过数值模拟研究装备翼片摩托车对后车的气动影响，发现湍流尾迹和翼尖涡对后车稳定性有独立影响，并提出移除下压力翼片以提高安全性。
2024-11-06 physics.comp-ph physics.flu-dyn
On the role of turbulent large-scale streaks in generating sediment ridges
湍流大规模条纹在形成水下沉积物脊上的最初平坦的沉积物床的作用进行了研究与援助的颗粒分辨直接数值模拟的明渠水流在散装雷诺数高达9500。准流向的脊和槽在1和1.5倍的平均流体高度之间的特征展向间距的定期安排被认为是一个后果的优先展向组织的湍流在大规模的流向速度条纹。沉积脊主要出现在大规模低速条纹下方的侵蚀较弱的区域，槽则相反。大规模的条纹在散装流和沉积物上的沉积物脊的演变动态之间的相互作用最好描述为一个“自上而下”的过程，作为沉积物bedforms的安排被认为是适应外部流的变化与几个散装时间单位的时间延迟。所观察到的外流和河床之间的“自上而下”的相互作用与Jimenez提出的关于典型河道流中因果关系的概念模型相当吻合（J. Fluid Mech.，第842卷，2018年，P1，第5.6节）。平均次级流普朗特的第二种可比的强度和横向间距被发现在发达的沉积物脊和单相光滑壁的渠道一样，在平均超过O（10）散装时间单位。这表明，通常与沉积脊一起观察到的二次流是规则组织的大型条纹的统计足迹。
2021-10-02 physics.flu-dyn
Suppressing wall modes in confined rotating turbulent convection
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
研究受限旋转湍流对流中壁面模式的抑制问题，通过结合实验与数值模拟，利用环形侧壁屏障控制壁面模式，降低其对热传输等的影响，提高抑制效率，还能诱导二次斜压流，减少侧壁影响进入极端旋转对流状态。
2026-07-08 physics.flu-dyn
Dynamics of detonations with a constant mean flow divergence
一个指数喇叭的几何形状，以建立一个恒定的平均横向质量发散，传播在准稳态速度低于查普曼-朱盖值的细胞爆震。实验和模拟表明，这种准稳态爆轰是可以实现的，从而允许获得的爆轰速度和平均横向流动之间的关系，在一个明确的方式为细胞爆轰。实验获得的速度（$D$）对发散（$K$）的依赖性进行了比较与预测的稳定爆震与横向流动发散与真实的热化学数据的混合物。对于2 C $_2$ H $_2$ +5 O $_2$ +21 Ar体系，实验结果与稳态波预测值吻合较好，特别是对于导致失效的临界发散。对这些爆炸中的反应区结构的观察表明，所有气体都在非常靠近前沿的地方发生反应，因为横波是反应性的。在C $_3$ H $_8$ +5 O $_2$中更不稳定的爆轰中获得的实验表明，实验导出的$D(K)$曲线与稳态波传播的预测之间存在显著差异。后者被发现显着低估预测的细胞爆炸的可爆性。发现该混合物中的横波是非反应性的，因此允许脱落非反应性的袋，其通过其表面上的湍流火焰燃烧。据信，实验和无粘模型在这类细胞结构之间的巨大差异是由于扩散过程中的非反应口袋的烧毁的重要性。
2018-03-13 physics.flu-dyn
Passive transverse forcing of turbulent boundary-layer flow using sinusoidal surface grooves
Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学航空航天学院）
实验研究平行蜿蜒流向沟槽的被动横向强迫效应，发现诱导的会聚-发散流动模式由侧向压力梯度周期性和表面几何形状决定，但摩擦阻力减少潜力有限。
2026-06-02 physics.flu-dyn
Pressure-Velocity Coupling in Transpiration Cooling
本文结合孔隙网络模拟、直接数值模拟与CNN耦合函数，研究发汗冷却中压力驱动渗流与高温湍流边界层的相互作用及其对冷却效率、TKE和压力脉动谱的影响。
2024-08-09 physics.flu-dyn
Scaling of secondary flows with surface parameters: a linear approach
当地形的横向变化（如流向对齐的脊）施加到湍流壁面边界流时，会产生二次流。在这种情况下，流场的特征是沿流向发展的旋涡结构，称为第二类普朗特涡（普朗特1965）。正如在以前的实验和数值计算工作中所证明的那样，这些湍流结构的强度和流动组织取决于脊的形状。本文使用Zampino（2022）提出的线性化RANS模型研究了脊几何形状对二次电流产生的影响。在这里，对称通道与矩形，三角形和椭圆形的脊进行了研究和二次流进行了比较，以突出的主要区别和相似之处。三种几何形状之间的流动组织的类比表明，二次电流不依赖于脊的形状时，脊是小的和孤立的，和强度的二次流崩溃时，适当缩放的平均脊高度。最后，生成的二次流和流动组织上的脊形状的效果进行了详细研究的复杂的几何形状。特别是，对于梯形山脊，我们观察到在不存在缩放行为的山脊上出现了第三次流动。
2022-12-05 physics.flu-dyn
Sparse space-time resolvent analysis for statistically-stationary and time-varying flows
本文提出适用于时变流动的稀疏时空 resolvent 分析方法，通过在 SVD 优化中加入 l1 范数惩罚并用逆幂法求解，能够识别更稀疏或全新的线性放大机制。
2024-09-30 physics.flu-dyn
Dynamics of finite-size spheroids in turbulent flow: the roles of flow structures and particle boundary layers
本文利用完全解析的数值模拟方法研究了流体动力学湍流中中性浮力有限大小球体的平移和旋转动力学。我们研究轴对称的形状，从扁长，和粒子的体积依赖性。我们表明，非球形惯性尺度粒子的加速度和旋转所经历的体积过滤的流体力和扭矩的结果，类似于球形粒子。然而，颗粒取向携带与周围的流动结构，这是反映在不同的轴向和横向波动的加速度和旋转速率的优先对齐的签名。即使对于体积当量直径尺寸在惯性范围内的颗粒，也不会发生取向的随机化，此处在$Re_λ=120$下高达60 $η$。此外，我们表明，流体周围的颗粒边界层的作用不能被忽略，以达到定量的理解粒子的统计动力学，因为它们影响的强度的角速度，和相对于旋转旋转翻滚的相对重要性。这项研究带来了在均匀和各向同性湍流的重要性，以及它们对中性浮力体的大小在惯性范围内的运输的影响，惯性尺度的流结构。
2022-02-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Unsteadiness in turbulent separated flow over a three-dimensional Gaussian bump
University of Washington（华盛顿大学）；University of Calgary（卡尔加里大学）；McMaster University（麦克马斯特大学）
研究三维高斯突起上湍流分离流的不稳定性，发现四种频率跨度大的现象，揭示几何尺度与低频动力学的关联。
2026-03-05 physics.flu-dyn
A bilateral shear layer between two parallel Couette flows
我们考虑的剪切层的一种以前没有研究过我们的知识。与经典的自由剪切层相反，剪切区的宽度在流向方向上不变化，而是表现出横向变化。在一些简化假设的基础上，导出了新剪切层的解析解。通过与全纳维-斯托克斯方程的数值解的比较，证明了这些假设是合理的，在整个区域内，数值解与解析解的一致性优于1%。一个明确的公式被发现的剪切区的宽度作为壁法线坐标的函数。在层流状态下，该宽度与壁面速度无关。在相同的几何形状的并流层流湍流剪切层的初步结果也被提出。剪切层的不稳定性，然后开发，并导致在两个并流之间的界面处的不稳定的混合区。
2012-02-27 physics.flu-dyn
Simulation and Instability Investigation of the Flow around a Cylinder between Two Parallel Walls
采用计算流体动力学（CFD）方法对Re=40和Re=100时两平行壁间圆柱绕流进行了数值模拟。控制方程为纳维-斯托克斯方程。用有限体积法离散，用PISO算法迭代求解。将计算结果与文献中的数值结果进行了比较，得到了较好的一致性。在此基础上，研究了卡门涡街的形成机理，并利用能量梯度理论分析了整个流场的不稳定性。结果表明，在定常流动条件下，圆柱体尾部的两个涡对流动不稳定性没有影响，它们对卡门涡街的形成没有贡献。卡门涡街的形成是圆柱两侧剪切层相互作用和圆柱尾迹绝对不稳定性共同作用的结果。对于有卡门涡街的流动，初始不稳定发生在尾迹下游的涡内区域，涡心首先在涡内失稳。对于压力驱动流，证实了时均速度剖面上的拐点导致了不稳定性。结果表明，能量梯度理论在研究流动稳定性和揭示湍流转捩机理方面具有潜在的应用价值。
2019-02-07 nlin.CD physics.chem-ph physics.flu-dyn
Effects of conjugate heat transfer on large-scale flow structures in convection
本研究通过共轭传热设置，研究有限热扩散率比对瑞利-贝纳德对流中大尺度流动结构的影响，发现其导致流动模式尺寸渐变，并揭示超结构与超粒间的联系。
2025-05-08 physics.flu-dyn physics.geo-ph
