Formation of spanwise vorticity in oblique turbulent bands of transitional plane Couette flow, part 2: modelling and stability analysis
本文模拟了转捩面库埃特流斜带和斜斑的紊流条纹中展向涡量的形成。设计了一个功能模型来模拟条纹中的相干流。模型的控制参数是从直接数值模拟(DNS)的统计数据中提取的。雷诺应力的建议,以研究这种额外的力维持基流的不稳定性的影响。局部(准平行)的时间稳定性分析,该模式进行调查的展向涡量的线性发展。结果表明,平均剖面,即使他们有一个拐点,是稳定的:剪切层内的速度条纹是负责涡度的形成。重点放在对流或绝对性质的不稳定性,这取决于在带中的位置。这表明,在完全湍流和层流之间的区域中发生了从对流到绝对不稳定的转变。最不稳定的模式的群速度比较好的展向涡度在DNS测量的平流速度。通过对一个典型带的全局(非平行)稳定性分析,完成了这项研究。最后,根据这些结果讨论了剪切流局部低雷诺数湍流维持的可能周期。
2015-11-18 nlin.PS physics.flu-dyn
Effect of streaks on hypersonic boundary layer instability
本研究通过线性化直接数值模拟和扩展的SPOD方法,探究了稳态条纹对马赫数6.0高超声速边界层湍流转捩的影响,发现低频第一模态和条纹相关不稳定性在线性阶段起主导作用。
2024-06-03 physics.flu-dyn
Simulation and stability analysis of oblique shock wave/boundary layer interactions at Mach 5.92
本文研究了在过渡雷诺数下斜激波撞击马赫数为5.92的层流边界层所产生的流动不稳定性。斜激波的逆压梯度使边界层与壁面分离,从而形成回流泡。对于足够大的斜激波角,再循环气泡是不稳定的三维扰动和流分叉从其原始层流状态。我们利用直接数值模拟(DNS)和全球稳定性分析(GSA)表明,这首先发生在一个临界激波角$θ= 12.9^o$。在分叉处,最不稳定的全局模式是非振荡的,并且它发生在展向波数$β=0.25$处,与DNS结果吻合得很好。检查的关键的全球模式表明,它起源于小展向波纹之间的相互作用,在该基地的入射激波,流向涡内的再循环气泡,和展向调制的气泡强度。全局模式驱动气泡下游长流向条纹的形成。虽然条纹可能会被放大的提升效应或Görtler不稳定性,我们表明,离心不稳定性中起不到任何作用的上游自我维持机制的全球模式。我们采用了伴随求解器来证实我们的物理解释表明,关键的全球模式是最敏感的基流修改,完全包含在再循环气泡。
2017-12-21 physics.flu-dyn
Stochastic Structural Stability Theory applied to roll/streak formation in boundary layer shear flow
随机结构稳定性理论(SSST)提供了一个自治的,确定性的,非线性动力系统的发展的统计平均状态的湍流系统。在这项工作中,SSST适用于理解的自由流湍流(FST),并与旁路过渡在边界层的辊/条纹结构的形成的问题。横流/展向平面中的滚转结构和相关的流向条纹被证明是FST和平均流之间相互作用的线性不稳定性。在这种相互作用中,由FST产生的非相干雷诺应力通过扰动流向条纹来组织,以相干地迫使扰动滚转引起流向条纹扰动的放大,并通过这种反馈导致滚转/条纹/湍流复合体的不稳定性。支持滚转/条纹/湍流复合不稳定性的主要湍流扰动结构是斜波形式的非正常最佳扰动。在STM激发参数的分叉处出现了导致滚动/条纹结构的合作线性不稳定性。这种结构不稳定性最终在有限振幅下非线性地平衡,尽管由此产生的统计平衡流向条纹是弯曲的,但相关的流动是稳定的。通过这种机制形成和平衡的辊/条纹结构可以追溯到非正常的基础之间的相互作用的扰动和模态稳定系统中的平均流量。
2010-11-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Transient growth and nonlinear breakdown of wavelet-based resolvent modes in turbulent channel flow
本文研究时间局域化主 resolvent 强迫模态对湍流近壁循环的驱动效果,发现其能有效放大近壁条纹,但非线性导致过早衰减,且破裂方式与强迫强度无关。
2025-05-07 physics.flu-dyn
Cross-frequency amplification of perturbations in a laminar separation bubble using resolvent analysis
Syracuse University(雪城大学)
本文采用 LES、SPOD 及 resolvent 分析,揭示层流分离泡内驻留条纹的能量源于斜向 KH 波与驻留条纹的跨频放大耦合,为相关流动机制提供了新解释。
2026-08-17 physics.flu-dyn
Internal Wave Attractors in 3D Geometries : trapping by oblique reflection
我们实验研究了内波在两种不同的三维(3D)几何形状的传播,特别强调由于倾斜入射的内波在斜坡上的3D反射的折射聚焦。这两项研究都是通过射线追踪计算来确定适当的实验参数。首先,我们考虑一个3D的几何形状,经典的设置,以获得简单的,2D平行四边形形状的吸引子,其中波被迫在一个方向垂直于倾斜的底部。然而,在这里,强迫是减少的程度,沿斜坡,横向方向。我们展示了折射聚焦机制如何解释吸引子在整个宽度的坦克,甚至远离强制区域的形成。直接数值模拟证实了动力学,强调边界条件的作用,并揭示了在横向上的相移。其次,我们考虑一个狭长的坦克有一个倾斜的底部,简单地复制一个运河。在这种情况下,能量沿平行于斜坡的方向注入。有趣的是,波能量最终在横向于初始传播方向的平面中形成2D内波吸引子。这种聚焦机制防止了大部分内波能量沿着管道的不确定传输。
2018-05-11 physics.flu-dyn
Optimal non-linear mechanisms for laminar-turbulent transition of a shock-induced separated shear layer
Imperial College London(帝国理工学院);ONERA, Université Paris-Saclay(法国航空研究院,巴黎萨克雷大学)
本文研究了激波边界层相互作用中层流-湍流转变的最优非线性机制,通过非线性输入输出优化框架揭示了分离流动中湍流发展的四阶段路径。
2026-05-10 physics.flu-dyn
Low-frequency resolvent analysis of the laminar oblique shock wave / boundary layer interaction
用预解分析方法研究了层流斜激波/边界层干扰的低频特性。结果表明,计算出的最佳增益(可视为系统的传递函数)遵循一阶低通滤波器方程,恢复了Touber和Sandham的结果(JFM,2011)。这种行为被理解为从一个单一的稳定,稳定的全球模式,其阻尼率设置的时间尺度的过滤器的激励。研究了不同的马赫数和雷诺数,包括不同的回流长度$L$。发现该阻尼率与$1/L$成比例,导致如文献中所观察到的恒定斯特劳哈尔数$St_L$。它与再循环气泡的呼吸运动有关。该分析进一步支持了SWBLI的低频动态是受迫动态的想法,其中背景扰动连续地激发流动。然后进行调查的三维扰动,两个政权被确定。在低波数的顺序为$L$,一个模式机制类似的二维扰动被发现,并表现出较大的最佳增益值。在较大的波数的边界层厚度的顺序,条纹的增长,这是从一个非模态机制,检测。没有观察到与再循环区的相互作用。基于这些结果,在低频动态的SWBLI的3D效果的潜在患病率进行了讨论。
2022-04-28 physics.flu-dyn
Couette-Poiseuille flow experiment with zero mean advection velocity: Subcritical transition to turbulence
我们提出了一个新的实验装置,创建一个剪切流与零平均平流速度通过抵消非零流向压力梯度移动边界,产生平面Couette-Poiffille流。我们进行了第一次实验结果,在过渡制度,这种流动。使用流动可视化,我们的特点是亚临界过渡到湍流的Couette-Poiffille流,并显示存在的湍流点产生的永久扰动。由于基本廓线的平均平流速度为零,这些湍流结构几乎是静止的。我们区分两个区域的湍流斑:活跃的,湍流的核心,其特征在于类似于行波的条纹的波纹度,和周围的区域,其中还包括弱未受干扰的条纹和斜波在层流湍流界面。我们还研究了这两个区域的大小对雷诺数的依赖关系。最后,我们表明,行波在下游(Poietille)。
2017-04-09 physics.flu-dyn
Effect of cavity-induced perturbation interactions on the transitional flow after the trailing edge
本文针对亚声速开式空腔流动,结合直接数值模拟与两类resolvent分析,揭示空腔诱导的两类扰动与Rossiter基流的协同作用机制,明确其触发下游流动转捩的扰动放大规律。
2025-11-15 physics.flu-dyn
SPOD and resolvent analysis of near-wall coherent structures in turbulent pipe flows
本研究针对两种摩擦雷诺数下的湍流管流,结合SPOD与预解分析探究近壁相干结构,验证了预解分析作为壁湍流相干结构降阶模型的适用性,尤其适用于近壁流向涡与条带类流向拉长结构。
2020-04-23 physics.data-an physics.flu-dyn
Non-linear input/output analysis: application to boundary layer transition
我们扩展线性输入/输出(预解式)分析,考虑到非线性三元相互作用,考虑有限数量的谐波在频域中使用谐波平衡法。使用基于梯度的上升算法来计算使阻力最大化的强迫机制。通过在分析中包括非线性,所提出的频域框架识别层流-湍流过渡的最坏情况的扰动。我们证明了框架上的平板边界层考虑三维展向周期性扰动触发的几个最佳强制模式的有限振幅。两种类型的体积强迫被认为是,一个对应于一个单一的频率/展向波数对,和一个多谐波的谐波频率和波数也被添加。根据强迫策略,我们恢复了一系列的过渡方案与K型和H型机制,包括斜波和Tollmien-Schlichting波,条纹及其故障。我们发现,非线性在优化增长中起着至关重要的作用,通过结合和重新分配能量之间的线性机制和更高的扰动谐波。在频率和波数范围非常有限的情况下,计算似乎通过发夹和准顺流交错涡旋的产生和分解达到湍流状态的早期阶段。
2020-01-26 physics.flu-dyn
Linear and Nonlinear Disturbance Evolution on the Frustum of Hypersonic Ogive-Cylinders
本文通过考虑在尖拱-圆柱交界面下游不同位置处自由振荡随机和波包强迫的线性和非线性扰动演化,阐明了马赫数~ $6$下$14^{\circ}$尖拱-圆柱转捩机制的若干方面。随机强迫的光谱响应显示有利的协议与AFRL的实验观测配置的基础上。间歇性波包是由小振幅连续自由振荡压力强迫产生的。线性波包演化表明,Mack模式是主要的初级不稳定性,其次是相对较弱的第一模式波。非线性波包显示了三腿壁压扰动签名,这是追溯到展向曲率效应,和基本共振是占主导地位的二次不稳定机制。在较高的激励振幅,弱签名的次谐波和斜共振现象被识别。小振幅扰动的下游位置减小了第一模式波的感受性;然而,在高振幅强迫下,致动的位置不会显著改变扰动演化特征或二次不稳定机制。
2022-10-11 physics.flu-dyn
Minimal seed in supersonic boundary layer at $M=3$
Institute of Fluid Science, Tohoku University(东北大学流体科学研究所)
研究揭示了超音速边界层中非线性效应如何通过特定扰动结构促进层流向湍流转变,即使在冷却条件下仍保持稳定,显著降低转变所需能量。
2026-11-02 physics.flu-dyn
Distributed Roughness-Induced Transition on a Blunt Body at Mach 6: a Numerical Investigation
University of Maryland(马里兰大学);University of Colorado Boulder(科罗拉多大学博尔德分校)
研究在马赫6条件下钝体表面粗糙度对湍流转变的影响,通过数值模拟揭示了粗糙度配置对层流-湍流转变机制的关键作用。
2026-02-03 physics.flu-dyn
Turbulence suppression in plane Couette flow using reduced-order models
本研究利用基于可控性模态的降阶模型优化定常体积力,抑制平面Couette流中的湍流,实现层流化,并验证了其在DNS中的有效性。
2024-10-01 physics.flu-dyn
Nonlinear mechanism of the self-sustaining process in the buffer and logarithmic layer of wall-bounded flows
研究了壁面湍流自持过程的非线性机制。预解式分析是用来确定的主要强迫模式产生的最大放大的速度在数值模拟的最小通道的缓冲层和修改后的对数(日志)层。在这项研究中的波数目标是那些基本模式是无限长的流向和一次周期性的展向方向。然后,从相应的最小信道的模拟的每个时间步长处的纳维-斯托克斯方程的非线性项中投影出所识别的模式。结果表明,去除基波数的主强迫模态,对缓冲层和对数层的湍流都有抑制作用,但对缓冲层的抑制作用更大。去除其他模式而不是基波数的主模式仅对流动产生轻微影响。对非线性项中的并矢相互作用的仔细检查表明,对主要强迫模式的贡献来自一组有限的波数相互作用。使用条件平均,负责产生的非线性相互作用,以自我维持的湍流的流动结构被确定为展向辊与斜条纹相互作用。该方法基于运动方程,验证了缓冲层和日志层的SSP中的相似性,并表征了最小通道的SSP中的潜在二次相互作用。
2020-11-13 physics.flu-dyn
Linear and nonlinear receptivity mechanisms in boundary layers subject to free-stream turbulence
本研究基于大涡模拟和输入-输出模型,分离并量化了自由流湍流下边界层中的线性和非线性感受性机制,发现线性机制主导上游瞬态增长,非线性强迫在下游生成最具能量的结构。
2024-02-15 physics.flu-dyn
Role of acoustic metasurface in the nonlinear mode-mode interaction and breakdown of hypersonic boundary layer
本研究针对马赫数6平板边界层,探究声学超表面对转捩各阶段非线性模-模相互作用的影响,明确了超表面布置位置对推迟转捩、控制壁面摩擦的关键作用,为高超声速边界层转捩被动控制提供了优化依据。
2025-03-24 physics.flu-dyn
New observations in transient hydrodynamic perturbations. Frequency jumps, intermediate term and spot formation
剪切不可压缩流通常被认为是非色散介质。因此,瞬态中的频率演化比波能量密度或增长因子受到的关注少得多。通过对平面通道和尾流中纵向、斜向和正交扰动进行大量的长期瞬态模拟,我们可以观察到频率的复杂时间演化。复杂性主要与瞬变过程中出现的相当远的跳跃有关。我们将这些跳跃解释为早期瞬态和中间项开始之间的过渡,中间项的出现时间足够长,以至于初始条件的细节影响消失。中间项导致渐近指数状态,并且具有比早期项长一个数量级的持续时间,这表明存在中间渐近性。由于在中间项扰动消失或爆破之后,中间项可以被认为是扰动生命中最可能的状态。长的结构瞬变可能与亚临界过渡壁流中通常观察到的点型有关。通过考虑一个大组的3D波在一个狭窄的波数范围内,我们叠加在一个有限的时间窗口,斜波和纵波随机延迟相对于一个正交波,这是应该维持其激烈的瞬态增长的斑点形成。我们表明,以这种方式,它是可以恢复的线性初始演变的模式,其特征在于存在纵向条纹。我们还确定了通道和尾流的渐近频率和相速波数谱。观察到的轻微色散可以部分解释光斑的向后和向前波前的不同传播速度。
2012-11-15 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Prediction of bypass transition in hypersonic blunt-plate boundary layers subject to noisy conditions
Tianjin University(天津大学);Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences(中国科学院力学研究所);National Key Laboratory of Vehicle Power System(车辆动力国家重点实验室)
针对高超声速钝板边界层旁路转捩预测难题,提出整合SF-HLNS、NPSE和BSA的混合框架,成功再现转捩逆转现象并与实验定量一致,提升预测能力。
2025-11-12 physics.flu-dyn
Formation of three-dimensional surface waves on deep-water using elliptic solutions of nonlinear Schrödinger equation
本文综述了深水三维波浪的研究进展。三种形式的三维性,即斜,被迫和自发的类型。通过三次非线性薛定谔方程给出了三维波的另一种形式。利用Weierstrass椭圆$\wp$函数求出了三次非线性薛定谔方程的周期解.结果表明,解的分类依赖于边界条件,波数和频率。对于某些参数,Weierstrass $\wp$函数被简化为周期、双曲或Jacobi椭圆函数。它表明,这些解决方案中的一些没有任何物理意义。本文还得到了三次非线性薛定谔方程在风强迫作用下的解析解,从而解释了海洋深水表面上的波群是如何产生的。在这种情况下,从风到波浪,对能量传递参数的依赖性使波群要么最初增长并最终消散,要么简单地随时间衰减或增长。
2014-12-01 math.AP physics.flu-dyn
Transition to chaos in a reduced-order model of a shear layer
本工作研究的剪切层的非线性动力学,由体力驱动,并限制在平行的墙壁之间,一个简化的设置来研究过渡和湍流剪切层。它是由Nogueira \& Cavalieri(J. Fluid Mech.907,A32,2021)引入的,并且在这里使用基于Navier-Stokes系统的Galerkin投影的降阶模型来研究。通过考虑壁面上带有自由滑移边界条件的约束剪切层,可以使用流向和展向的周期性边界条件,从而简化系统并使动力系统理论的方法得以使用。在Galerkin投影中使用了八种模式的基础,代表平均流,Kelvin-Helmholtz涡,卷,条纹和斜波,在引用的工作中观察到的结构,也存在于剪切层和射流。得到了一个动力系统,并研究了它向混沌的转变。增加雷诺数$Re$导致干草叉和霍普夫分叉,后者导致一个极限环与振幅调制的旋涡,在DNS由Nogueira \& Cavalieri。进一步增加$Re$导致混沌鞍的出现,其次是准周期和混沌吸引子的出现。在较高的$Re$下,混沌吸引子发生合并危机,导致涡旋出现振幅调制和相位跳变的混沌动力学。这让人想起湍流射流中的相干结构的观察,这表明该模型表示与剪切层和射流的特征一致的动力学。
2021-04-06 physics.flu-dyn
Optimal wavy surface to suppress vortex shedding using second-order sensitivity to shape changes
提出了一种寻找最佳二阶扰动的方法,并应用于寻找抑制圆柱尾迹不稳定性的最佳展向波动面。二阶摄动需要捕捉展向波度的稳定效果,这是忽略了标准的伴随为基础的灵敏度分析。在这里,以前的方法进行了扩展,使(i)2阶灵敏度的基流变化满足线性化的Navier-Stokes方程,和(ii)所得到的方法是适用于二维全球不稳定性问题。这使得可以用公式表示对形状修改的二阶灵敏度。利用这个公式,我们找到了抑制圆柱尾迹不稳定性的最佳形状。然后,在全3D稳定性分析中通过随机分布扰动最优形状,以确认其在给定振幅和波长下是局部最优的。此外,它表明,没有10个随机波形形状单独稳定尾流在Re=50,而最佳的形状。在Re=100时,最大高度为圆柱体直径1%的表面波纹度足以稳定流动。最佳表面通过被动地从基流导数中提取能量并有效地改变壁面处的切向速度分量来产生条纹,这与将能量输入到壁面处的法向速度分量的展向波浪形吸力相反。本文提出了一种完全二维的计算负担得起的方法,以找到最佳的二阶扰动的一般流动不稳定性问题和任何边界控制(如边界强迫,形状调制或吸力)。
2016-02-10 physics.flu-dyn
Effects of thermochemical modelling on a hypersonic shock-wave/turbulent boundary-layer interaction
Sapienza University of Rome(罗马大学);ONERA, The French Aerospace Lab(法国航空航天实验室)
通过直接数值模拟研究有限速率化学反应、热完全气体和量热完全气体三种热化学模型对高超声速激波/湍流边界层相互作用的影响,发现化学反应模型导致分离泡更小、壁面热流更低等系统性差异。
2026-06-29 physics.flu-dyn