Elucidating coherent structures, transport barriers and entrainment in turbulent fountains in stratified media
利用三维有限时间李雅普诺夫指数，分析了不同条件下分层介质中湍流喷泉的流动组织。占主导地位的拉格朗日相干结构负责在三种不同的配置中的运输障碍建议的自相似行为。在提出了一个标准界定的边界面的上升喷泉，我们量化的卷吸和再卷吸率充分发展的流动条件下，使用适当的系数。最后，我们的分析被应用到选择性倒置水槽，湍流喷泉的技术应用，确定湍流的主要机制有利于设备的效率。
2022-05-16 physics.flu-dyn
Chaotic self-sustaining structure embeded in turbulent-laminar interface
研究了二维槽道流中湍流与层流的界面结构。这种空间局域结构不仅维持着自身的稳定，而且还主动地将层流状态转化为湍流状态。换句话说，这种相干结构具有通过其内部动态产生不均匀性的功能。这个功能相干结构的动力学是孤立的使用过滤模拟，其动力学的物理视角总结在一个现象学模型称为“喷射-射流”循环，其中包括多尺度相互作用过程。
2015-03-16 nlin.CD physics.flu-dyn
Coherent structures in a turbulent environment
本文提出了一种确定相干结构与线性湍流波相互作用场统计特性的系统方法。通过对孤立子周围函数空间的邻域进行泛函积分，得到了关联生成泛函的显式表达式。结果表明，在托卡马克等离子体边缘观测到的非高斯起伏可以用非线性相干结构的间歇形成来解释。
2001-02-13 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Coherent structure extraction in turbulent channel flow using boundary adapted wavelets
我们提出了一个各向同性的边界适应小波，这是正交的，并产生多分辨率分析的建设。我们分析了在摩擦雷诺数为395时计算的槽道湍流的直接数值模拟数据，并研究了相干涡的作用。涡量小波系数的离散化允许将流动分成两部分，相干涡量和非相干涡量。相干涡量是从它们的少数强小波系数重建的。相干部分的统计，即，能量谱和涡度拟能谱与总流量的统计量接近，而且非线性能量收支得到很好的保持。剩余的不相干部分，由大部分弱小波系数表示，对应于无结构，即，能量均匀分布的噪声样背景流。
2016-07-15 physics.flu-dyn
Distributed chaos tuned to large scale coherent motions in turbulence
直接数值模拟和实验结果表明，在各向异性非均匀湍流中，分布混沌往往被调谐为大尺度相干运动。所考虑的例子是：充分发展的湍流边界层（相干范围：$14 < y^{+} < 80$）、湍流热对流（在水平圆柱体中）和Cuette-Taylor流。本文介绍了两种调谐方法：一种是通过基频（波数），另一种是通过次谐波（倍周期）。对于第二种方式，大尺度相干运动是分布混沌的自然组成部分。在所有考虑的情况下，空间平移对称性的自发破缺都伴随着反射对称性破缺。
2016-05-16 nlin.CD physics.flu-dyn
Helicity of mean and turbulent flow with coherent structures in Rayleigh-Benard convective cell
本文研究了具有加热底壁和冷却顶壁的Rayleigh-Benard矩形对流单体中具有大尺度环流的湍流空气流动。在大部分流动中，主卷的平均水平速度和涡环的平均涡量几乎是一致的。平均气流的螺旋度很高，是湍流螺旋度的来源。由于平均流动和湍流的螺旋度都很大，Rayleigh-Benard对流单体中的流动非常适合于研究螺旋湍流的性质。
2013-12-04 physics.flu-dyn
Modification of Turbulent Boundary Layer Coherent Structures with Drag Reducing Polymer Solution
本文通过时间分辨粒子图像测速仪的两点相关检验，研究了通过减阻湍流边界层对数区的主要相干结构的修正。在聚合物海洋（均匀浓度）中，在对应于低减阻状态（< 40%）、高减阻（HDR）状态（>40%）和中间水平（46%）的减阻水平下获得测量值。将平均速度剖面和两点关联式与水（牛顿流体，DR = 0%）的剖面和两点关联式进行比较。这些结果表明，随着阻力减少的增加，这些占主导地位的相干结构的倾斜度减小，其流向范围增加，并抑制相关性的波动（特别是在HDR）。这些意见进行了检查与相干结构文献（牛顿和聚合物）。
2020-01-10 physics.flu-dyn
1/f noise and long-term memory of coherent structures in a turbulent shear flow
通过施加在端盖处的反向旋转行进磁场来驱动环形通道中的液态金属（Galinstan）的剪切流。当移动速度较大时，流动是湍流的，其方位分量显示随机反转。功率谱的速度场表现出$1/f^α$幂律的几十年和相关的幂律概率分布$P(τ)\simτ^{-β}$的连续反转之间的等待时间。这种$1/f$型谱只有在雷诺数足够大时才能观察到。此外，指数$α$和$β$控制的对称性的系统：一个连续的过渡之间的两种不同类型的闪烁噪声被观察到的赤道对称性的流量被打破，与理论预测一致。
2018-12-07 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Hysteresis phenomenon in turbulent convection
本文用粒子图像测速技术对下加热上冷却的矩形箱中空气湍流热对流的相干大尺度环流进行了实验研究。通过改变腔室底壁和顶壁之间的温差（Rayleigh数在$10^7 - 10^8$范围内变化）发现湍流对流中的滞后现象。滞后回线包括单胞和双胞流型，而纵横比保持恒定（$A=2 - 2.23$）。发现湍流各向异性程度符号的变化伴随着流型的变化。发展的湍流对流相干结构理论（Elperin et al.2002; 2005）与实验观测结果一致。所观察到的相干结构叠加在一个小尺度的湍流对流。湍流热通量的再分布对湍流对流中相干大尺度环流的形成起着至关重要的作用。
2006-02-24 physics.flu-dyn
Persistence of large scale coherent structures in a turbulent pipe flow through an improved lattice Boltzmann approach
本研究采用展开至六阶埃尔米特多项式的多重弛豫时间格子玻尔兹曼方法模拟湍流管流，发现大尺度强迫的记忆效应不影响单点统计，且拓扑模态转变随时间滞后呈现马尔可夫到非马尔可夫的变化。
2024-05-20 physics.flu-dyn
Velocity structure function in a geostrophic coherent vortex under strong rotation
本文研究了在高速旋转流体中相干地转涡旋背景下湍流脉动的双结构函数。湍流脉动的统计特性是由它们的动力学特性决定的，它们是受涡中的差动旋转和弱粘性阻尼影响的惯性波的动力学特性。我们的考虑受到最小尺度的限制，其中速度场保持平滑。我们建立了结构函数的各向异性。湍流脉动的速度梯度在径向上达到最大值，在流向上达到最小值，类似于在没有施加旋转的情况下具有平均剪切分量的湍流中的行为。
2021-12-11 physics.flu-dyn
Coherent structures and extreme events in rotating multiphase turbulent flows
通过使用直接数值模拟（DNS）在前所未有的分辨率，我们研究湍流旋转的同时存在的直接和逆叶栅。大尺度能量的积累导致沿旋转轴方向的高涡度垂直相干区的形成。通过用数百万个惯性粒子播种流，我们第一次量化了这些相干垂直结构对轻重粒子优先浓度的影响。此外，我们定量地表明，极端的波动，导致偏离正态分布的统计，结果从纠缠的相互作用的垂直结构与湍流背景。最后，我们提出了有史以来第一次测量的斯托克斯阻力，科里奥利力和向心力之间的相对重要性沿惯性粒子的轨迹。我们发现，旋涡相干结构导致意想不到的扩散性质的重和轻粒子在平行和垂直于旋转轴的方向。
2016-11-23 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Lagrangian coherent sets in turbulent Rayleigh-Bénard convection
分析了二维Rayleigh-Bénard对流模型中的相干循环卷及其与湍流传热的关系。该流动处于纵横比为四的闭胞中，其Rayleigh数为${\rm Ra}=10^6$，Prandt数为${\rm Pr}=10$。三种不同的拉格朗日分析技术的基础上图拉普拉斯-距离谱轨迹聚类，时间平均扩散映射和有限元动态拉普拉斯离散-被用来监测湍流场沿轨迹的无质量拉格朗日粒子在不断发展的湍流对流。这三种方法进行了比较，彼此和所获得的相干集相关的欧拉参考系的分析结果。我们表明，这些方法的结果彼此一致，拉格朗日和欧拉相干集基本上形成一个不相交的联盟的流域。此外，可变间隔长度的窗口时间平均被执行以研究作为该附加粗粒化的函数的相干程度，该附加粗粒化去除了导致轨迹快速分散的小尺度波动。最后，将相干集框架推广到热输运的研究。
2019-11-07 math.DS physics.flu-dyn
Level-crossings reveal organized coherent structures in a turbulent time series
本研究引入水平交叉方法，客观识别湍流时间序列中的相干结构特征，消除了传统阈值方法的主观偏差，并成功提取其对湍流动力学的影响，为实验湍流研究开辟了新途径。
2023-09-09 physics.data-an physics.flu-dyn
Turbulent Boundary Layer Features via Lagrangian Coherent Structures, Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition
在Re $_θ$为9800的湍流边界层中进行了高速立体PIV测量，以阐明相干结构。采用快照正交分解（POD）和动态模态分解（DMD）方法，根据湍流动能和频率成分，对湍流结构进行可视化。前六个POD和DMD模式分别显示出最大和最低的能量和频率。拉格朗日相干结构（LCS）的基础上开发的算法使用变分理论也适用于跟踪流通过吸引和排斥的轨迹。轨迹的形状和长度随平流时间的增加而变化。LCS轨迹与单独的POD和DMD模式重叠。排斥线和吸引线覆盖了这些模式的结构。从个别POD模式重建流场也被用来生成新的LCS轨迹。能量和频率含量对轨迹的长度具有直接影响，其中最长的重建轨迹与较高能量和较低频率模式相关联，反之亦然。排斥线和吸引线之间的多个交叉点标记了低动量区域。
2017-04-13 physics.flu-dyn
Challenges in Modelling and Simulation of Turbulent Flows with Spatially-Developing Coherent Structures
这项工作的目的是调查的尺度分辨模拟（SRS）的湍流尾流驱动的空间发展的相干结构所遇到的挑战。SRS的实际利益是明确旨在有效地计算这样的流量，解决只有最重要的功能的相干结构和建模的其余部分作为随机场。SRS方法的成功取决于三个重要因素：i）识别产生相干结构的关键流动机制的能力; ii）确定充分捕获相干结构的关键元素所需的最佳分辨率范围; iii）确保模拟部分几乎完全由完全发展的随机湍流组成。本研究考虑了圆柱绕流的典型情况，以解决这三个关键问题。首先用实验证据证明了涡脱落不稳定性和流动结构发展包括四个重要阶段。进行一系列分辨率逐渐增加的SRS计算。一个先验的基础上定位的相干结构发展的起源提出和检查。该判据基于相干结构是由Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性产生的这一事实。最重要的发现是，相干结构的关键方面可以解决，只有当有效的计算雷诺数超过临界值的KH不稳定性的层流。最后，一个定量的标准评估的性质的未解决的领域的基础上的应变率比的平均值和未解决的领域进行检查。这两个条件和基本原理提供了一个定量的基础，制定“良好的做法”的指导方针，SRS的复杂湍流尾迹流相干结构。
2017-12-13 physics.flu-dyn
Exploring regular and turbulent flow states in active nematic channel flow via Exact Coherent Structures and their invariant manifolds
本研究利用精确相干结构（ECS）框架统一研究二维活性向列相槽道流的稳态，拓展了预湍流区研究范围，发现弱湍流下200余个共存的不稳定ECS及对称性作用，证实预湍流区轨迹的ECS阴影运动并暗示湍流区的准周期ECS阴影现象。
2023-05-01 cond-mat.soft nlin.CD nlin.PS
Statistical Nonlocality of Dynamically Coherent Structures
我们介绍了一类随机平流问题服从湍流输运分析。流场的统计数据被表示为连续时间马尔可夫过程，这种选择捕捉了湍流从一个相干结构移动到另一个相干结构的直观概念。我们获得封闭形式的湍流运输运营商的表达式，而无需调用近似。我们恢复的经典估计的湍流输运作为扩散张量，其中的组件是集成的自相关的速度场，在该运营商成为本地的空间和时间的限制。
2022-11-29 physics.flu-dyn
Coherent laminar and turbulent motion of toroidal vortex bundles
受超流氦中实验的启发，我们数值研究了无粘流体中涡丝环束的运动。我们发现，这些大规模的涡结构的演变涉及的组成涡环的广义蛙跳。尽管三维的开尔文波和涡重联的形式扰动，环形涡束保持其相干性在一个相对较大的距离（与它们的大小相比），与实验观察一致。
2014-01-24 cond-mat.other physics.flu-dyn
Coherent structures in localised and global pipe turbulence
最近在管流中发现的不稳定行波（TW）被誉为一个重大突破，希望他们填充湍流吸引子。我们证实了存在的相干态与内部的快速和缓慢条纹相称的结构和能量与已知的TW在一个长管道中使用数值模拟。然而，这些只发生在低雷诺数（Re=2000-2400）时（局部）“喷流”湍流的低能量区域内，而在Re=2800时（均匀）“段塞”湍流中根本不发生。这强烈表明，所有目前已知的TW坐在层流和湍流状态之间的相空间的中间区域，而不是被嵌入在湍流吸引子本身。具有强烈减速核心的新相干快条纹态似乎取代了湍流吸引子。
2008-02-20 physics.flu-dyn
Coherent structure identification in turbulent channel flow using Latent Dirichlet Allocation
相干结构的识别是描述和模拟壁面湍流产生机制的重要步骤。为此，我们提出了一种聚类方法的基础上潜在的狄利克雷分配（LDA），一个生成的离散数据的集合的概率模型。将该方法应用于中等雷诺数R τ = 590时槽道湍流瞬时雷诺应力的结构识别。LDA根据垂直连接的结构碎片的层次结构计算出一个鲁棒的流动描述，其特征随壁距离而变化，与Townsend（1961）的附壁涡流假设一致。我们表明，该模型可以用于现场重建的复杂性，可以与适当的正交分解（POD）。它还可以用来生成合成字段，其统计数据模仿原始数据库的统计数据。这些发现突出了LDA用于数据分析、压缩和生成的潜力。
2020-10-21 physics.flu-dyn
Mutual coherent structures for heat and angular momentum transport in turbulent Taylor-Couette flows
在这项研究中，我们报告的数值结果的热$Nu$和角动量$ν_{t}/ν$在泰勒-库埃特（TC）流受到径向温度梯度的湍流传输。直接数值模拟在TC单元中进行，半径比$η=0.5$和纵横比$Γ=8$为两个瑞利数（$Ra=10^5$，$10^6$）和两个普朗特数（$Pr=0.7$，$4.38$），而雷诺数$Re$在$0 \le Re \le 15000$的范围内变化。随着$Re$的增加，流动经历了两个不同的转变：第一个转变是从对流为主的制度的过渡制度，与大规模的纬向环流演变为螺旋涡;第二个转变发生在旋转为主的制度时，泰勒涡从弱非线性状态变成湍流状态。特别是，当流动由湍流泰勒涡控制时，我们发现这两个传输过程都表现出幂律标度：$Pr=4.38$的$Nu\sim Re^{0.619\pm0.015}$，$Pr=0.7$的$Nu\sim Re^{0.590\pm0.025}$和两个$Pr$的$ν_{t}/ν\sim Re^{0.588\pm0.036}$。这些标度指数表明，热和角动量的径向传输的类似机制，这是进一步证明了湍流粘度与扩散率的比率是独立的$Re$的事实。为了说明湍流输运的基本机制，我们通过分析热通量和动量通量密度的空间分布来提取相干结构。我们的研究结果揭示了相互湍流结构，通过该结构，热量和角动量被有效地传输。
2021-11-24 physics.flu-dyn
Lagrangian studies of coherent sets and heat transport in constant heat flux-driven turbulent Rayleigh-Bénard convection
本研究基于拉格朗日示踪粒子轨迹与时变流动网络，分析了恒定热通量驱动湍流Rayleigh-Bénard对流中的相干集合，发现超颗粒结构在垂直热传输中起关键作用且空间延展更大。
2023-09-14 physics.flu-dyn
Resolvent-based modelling of coherent wavepackets in a turbulent jet
从实验测量中提取了雷诺数为460000和马赫数为0.4的射流中的相干湍流波包结构，并将其建模为平均流周围的线性波动。线性模型是基于谐波最优强迫结构和它们相关的流量响应在个人Strouhal数，从分析的全球线性预解算子。这些强迫响应波包（“预解模式”）首先讨论有关的物理机制，提供能量增益的射流中的流动扰动。模态剪切不稳定性和非模态奥尔机制被确定为占主导地位的元素，干净的最佳和次优的强迫响应对之间的分离。谱协方差动力学框架内的理论发展，然后阐明了线性谐波强迫响应结构和随机湍流波动的交叉谱密度（CSD）之间的联系。在给定的Strouhal数的CSD的低秩模型制定从截断的线性预解模式集。相应的实验CSD矩阵构造从广泛的两点速度测量。他们的本征模（光谱适当的正交或SPOD模式）表示相干波包结构，这些相比，从线性模型得到的对应物。密切的协议被证明在范围内的“优选模式”Strouhal数，约为0.4的值，从实验中推导出的领先的相干波包结构之间，从线性分解为基础的模型。
2019-06-06 physics.flu-dyn
Coherent structures in the linearized impulse response of turbulent channel flow
本文利用线性化的纳维-斯托克斯方程研究了孤立的时空脉冲引起的速度脉动的演化。在$Re_τ=10000$中，冲量作为不可压缩通道流中的外部体积力引入。速度波动是关于湍流的平均速度轮廓定义的。湍流涡动粘性被添加到方程中，以将平均速度固定为精确解，这也用于模拟背景湍流对大尺度波动的耗散效应。脉冲体积力产生的流场演变成包含长流向速度条纹的相干结构，其两侧是准流向涡;其中一些脉冲产生发夹涡。随着这些涡纹结构的发展，它们的尺寸增长到名义上的自相似几何形状，纵横比（流向与壁面法线）约为$10$，而它们的动能密度单调衰减。涡纹结构的拓扑结构对脉冲的位置不敏感，但取决于脉冲体积力的方向。所有这些涡纹结构都附着在壁面上，当按离壁面的距离缩放时，它们的雷诺应力崩溃，这与汤森的附着涡假设一致。
2018-05-02 physics.flu-dyn
Subgrid-scale energy transfer and associated coherent structures in turbulent flow over a forest-like canopy
大涡模拟允许通过森林或植被样冠层纳入重要的驱动物理湍流。本文研究了涡旋拉伸和相干结构对亚网格尺度湍流动能的影响。我们提出了三个模拟（SGS-D/S/W）的冠层相互作用的影响。SGS-d假设SGS生产与SGS耗散的局部动态平衡。SGS-s平均拉格朗日轨迹上相干结构的SGS贡献。SGS-w假设TKE从大尺度到小尺度的平均叶栅发生在涡拉伸过程中。我们比较的后果，考虑森林的相同形态浸没固体或浸没树冠。我们的研究结果表明，流动和湍流的特性有明显的差异，而这两种情况下表现出冠层混合层。计算结果还表明，考虑涡拉伸后的TKE比经典的Deardorff TKE模型多解了约$18$ %。这些观测结果表明，森林冠层的空气动力学响应与森林覆盖的形态有关。讨论了森林中空间间歇相干结构的扫掠和喷射事件及其在动量、能量和标量传输中的作用。
2020-10-04 physics.flu-dyn
Coherent pressure structures in turbulent channel flow
本研究利用SPOD和响应分析识别并建模湍流通道中的相干压力结构，发现主导模态的低秩特性及与速度脉动相比更好的预测性能，并揭示了准流向涡与压力脉动的关联。
2024-05-11 physics.flu-dyn
Magnetic Dissipation of Near-Wall Turbulent Coherent Structures in Magnetohydrodynamic Pipe Flows
利用外部静态磁场使壁面有界湍流再层化是低磁雷诺数下导电流体物理学中的一个众所周知的现象。尽管关于这个问题的文献很多，但还不完全清楚哈特曼（$M$）和雷诺数的什么组合必须用于预测无磁扰动的上游湍流供给的通道或管流中的层流-湍流转捩。依赖于标准的唯象方法与混合长度和结构的概念，我们提出，$M/R_τ$，其中$R_τ$是摩擦雷诺数，是适当的控制参数再层化，一个建议，找到了很好的支持，从现有的实验数据。
2020-04-08 physics.app-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Turbulent Boundary Layer in a 3-Element High-LiftWing: Coherent Structures Identification
该研究通过壁面分辨大涡模拟分析了30P30N翼型在特定雷诺数和攻角下的湍流边界层，识别出零压力梯度特征，并利用本征正交分解揭示了能量分布与相干结构。
2024-11-08 physics.flu-dyn
Two-Point Statistics of Coherent Structure in Turbulent Flow
本文综述了基于两点关联的相干结构及其应用，重点介绍了统计相干结构的解释及其特征。我们回顾了这方面的研究，近年来引起了人们的注意，突出了改进，扩展，和有前途的未来方向的两点统计CS在湍流。CS是湍流的典型结构之一，它将能量从大尺度结构传递到小尺度结构。为了研究湍流中的相干结构，研究人员已经并正在深入研究大量用于相干结构识别和可视化的两点相关技术。本文首先对两点相关法进行了简要的回顾，并对不同方法进行了比较。一些使用的相关性在欧拉和拉格朗日参考框架，以获得其属性在连续的空间位置和时间事件进行调查。两点相关性，包括时空相关性，两点空间相关性，和交叉相关性，作为必不可少的理论和模型的湍流和实验和数值湍流数据的分析进行了讨论。详细地重申了基于两点相关的统计相干结构之一的速度涡度相关结构。最后，我们总结了目前对湍流两点相关性的理解，并总结了该领域未来的问题。
2019-11-04 physics.flu-dyn
Extraction of coherent structures in a rotating turbulent flow experiment
利用离散小波包变换（DWPT）和离散小波变换（DWT）提取和研究了湍流旋转流体中相干结构的动力学特性。三维（3D）湍流是通过旋转罐（48.4 cm高，39.4 cm直径）底部的管进行强泵送产生的。该流动随着罐中高度的增加而朝向二维（2D）湍流发展。准二维流动的粒子图像测速技术（PIV）测量揭示了许多长寿命的相干涡的尺寸范围很广。涡量场表现为涡的诞生、合并、散射和破坏。通过对涡度场的DWPT和DWT系数进行阈值化处理，将流分离成低熵的“相干”和高熵的"非相干“分量。类似的阈值使用傅立叶变换和JPEG压缩连同Okubo-Weiss标准也进行了测试进行比较。我们发现，DWPT和DWT产生类似的结果，更有效地代表总流量比基于傅立叶的方法。只有约3%的大振幅系数的DWPT和DWT是必要的，以代表相干分量，并保持涡度概率密度函数，传输特性，空间和时间的相关性。其余的小振幅系数表示非相干分量，其具有接近高斯涡度PDF，不包含相干结构，在时间上迅速失去相关性，并且对流的输运性质没有显著贡献。这表明可以使用相对少量的小波或小波包模式来描述和模拟这种湍流。
2005-03-09 physics.flu-dyn
Coherent Organizational States in Turbulent Pipe Flow at moderate Reynolds numbers
本文利用立体PIV在中等雷诺数圆管湍流中识别出十种相干流动模式，发现其出现概率和主导模态数基本不随Re变化，并符合Poisson分布。
2023-01-26 physics.flu-dyn
Coherent Structures Governing Transport at Turbulent Interfaces
本文通过在随TNTI运动的参考系中测量FTLE和扩散动量输运屏障，揭示了湍流界面处平流与扩散相干结构分别对应吞并和蚕食机制，并发现内部湍流-湍流界面具有剪切层特征及扩散超层宽度与泰勒微尺度相当。
2024-12-19 physics.flu-dyn
Collapse of Coherent Large Scale Flow in Strongly Turbulent Liquid Metal Convection
在高湍流度液态金属对流实验中，直接测量了Rayleigh数在$4 \times 10^5$和$\leq 5 \times 10^9$之间变化，Prandt数在$0.025~\leq~Pr~\leq ~0.033$之间变化时的大尺度流动结构以及湍流的热量和动量传递。我们的测量是在两个圆柱形样品的纵横比$Γ=$直径/高度$= 0.5$和1填充的共晶合金GaInSn。通过17个超声多普勒测速传感器检测不同平面中沿其束线的速度分布来重建三维流动模式，揭示了$Γ= 0.5$的大尺度循环的相干性的明显故障。因此，热量和动量传递的标度律继承了对纵横比的依赖性。我们表明，这种故障的连贯性是伴随着减少的雷诺数$Re$。当液态金属流动在$Γ=0.5$处达到$Ra\gtrsim 2\times 10^8$且相干大尺度流动完全崩溃时，幂律$Nu\propto Ra^β$的标度指数$β$从$β=0.221$到0.124穿过\FIN{eventually}。
2022-01-21 physics.flu-dyn
Coherent structures at the origin of time irreversibility in wall turbulence
本研究提出欧拉多尺度分析方法研究壁面湍流时间不可逆性，发现其与相干结构强关联，近壁区关联内谱峰、远壁区关联外谱峰，为相关建模与控制奠定基础。
2023-05-05 physics.flu-dyn
The evolution of coherent vortical structures in increasingly turbulent stratified shear layers
我们研究了欧拉涡结构的形态及其与密度界面的相互作用，在日益动荡的稳定分层剪切层。本文分析了在分层倾斜管道实验室中得到的三维同时速度场和密度场。我们跟踪，在15个数据集，相干结构的演变，从前湍流Holmboe波，通过间歇性湍流，充分的湍流和混合。我们使用的Rortex-剪切分解的涡度场成一个纯旋转的部分（的Rortex矢量），和一个非旋转的部分（剪切矢量）。我们描述了无处不在的发夹状涡结构（揭示的rottex）的形态，类似于那些通常观察到的边界层湍流。这些都是作为相对较弱的涡流周围的强三维剪切结构的封闭Holmboe波，并逐渐加强和变形下增加湍流，转化成对向上和向下指向的发夹传播方向相反的剪切层的顶部和底部边缘。每个发夹的一对腿是反向旋转的，并在横向和垂直方向上夹带流体，它们的拱形“头”是横向涡流，垂直夹带流体。然后，我们阐明了这种大规模的旋涡形态搅拌和混合的密度场。基本上，位于混合层（主要是发夹头）的任一边缘上的尖锐密度界面处的涡流将未混合的流体团吞没到混合层中，而混合层（主要是发夹腿）内部的涡流进一步搅拌它，产生强烈的小尺度剪切，增强混合。这些发现提供了新的见解剪切驱动的分层混合中的湍流相干结构的作用。
2022-03-21 physics.flu-dyn
Coherent structures and secondary flow in turbulent square duct
本文的目的是研究拟序结构在湍流方管内二次流产生中的作用。相干结构被定义为流动的连接区域，其中两个速度分量的瞬时波动的乘积高于基于长时间湍流统计的阈值，这是基于Lozano-Durán等人提出的三维象限分析的精神（J. Fluid Mech.，第694卷，2012年，pp. 100-130）。我们考虑了结构对平均面内速度分量的直接贡献及其几何性质。在雷诺数为$Re_τ=180$和$360$的条件下，根据中心面和通道半高处的摩擦速度，将湍流管道中发生的瞬时现象与湍流通道流进行了比较。在管道的核心区域，强烈事件对平均速度的壁面法向分量的贡献与通道中的贡献非常一致，尽管在前者中存在二次流。此外，三维物体的形状在两种流中没有显著差异。另一方面，在管道的拐角区域中，壁的接近影响相干结构的几何特性和对垂直速度的平均分量的贡献，这比不包括在这样的对象中的流的互补部分的贡献相关性小。然而，我们的研究结果表明，强雷诺剪切应力事件，尽管观察到的通道和管道之间的差异，并不直接有助于二次运动，因此需要考虑其他现象，而不是。
2019-06-03 physics.flu-dyn
Optimal eddy viscosity for resolvent-based models of coherent structures in turbulent jets
响应模式计算通过线性预解式分析的湍流平均流场已被证明定性捕捉所观察到的湍流相干结构的特性，在壁有界和自由剪切流。为了使这种预解模型具有预测性，非线性强迫项必须闭合。这样做的策略包括强加自洽的三元相互作用集，提出各种源模型，或通过湍流建模。对于后者，一些研究者已经提出使用线性作用于波动场的平均场涡动粘性。在这项研究中，数据驱动的方法是采取定量改善线性预解模型推导出最佳的涡粘性场，最大限度地提高投影的主导预解模式的能量最优相干结构推导出使用光谱适当的正交分解（SPOD）的数据高保真模拟。我们使用大涡模拟数据库在亚音速，跨音速和超音速条件下的圆形等温射流，并表明，最佳的涡流粘度大大提高了resolvent和SPOD模式之间的对齐，达到90%以上的对齐在这些频率的射流表现出低秩响应。然后，我们考虑一个固定的模型的涡流粘度和表明，与一个单一的常数的校准，结果一般接近最佳的。特别是，使用一个标准的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）涡粘性解算模型，与一个单一的系数，提供了大量的协议SPOD和解算模式的三个湍流射流和最具活力的波数和频率。
2021-01-08 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
Exact coherent states and connections to turbulent dynamics in minimal channel flow
本文计算了牛顿平面Poietille流中纳维-斯托克斯方程的几类新的三维非线性行波解，即精确相干态。的对称性和条纹/涡结构的报告和它们可能的连接到临界层动力学检查。虽然有些解清楚地显示了临界层（流向速度与解的波速相匹配的表面）周围的波动，但对于其他解，这种联系并不清楚。计算了沿解的不稳定方向的动力学轨迹。在一定的雷诺数范围内，两个解决方案的家庭被证明是躺在层流和湍流之间的盆地边界。直接比较了同一槽道中湍流的非线性行波解。湍流的状态空间动力学的组织周围的一个新确定的行波家庭，特别是这个家庭的低分支的解决方案，密切接近在瞬态偏移远离主导行为。这些观测结果为先前的观测结果提供了坚实的动力系统基础，先前的观测结果表明，最小的通道湍流显示了被短暂的“冬眠”打断的“活跃”湍流的时间间隔（参见例如Xi，L.和Graham，M. D、物理学评论快报，104，218301（2010））。冬眠期是接近低分支非线性行波的阶段。代表这些解决方案的普朗特-冯卡门图说明了它们的整体流动特性是如何相关的牛顿湍流，以及普遍的渐近状态称为最大减阻（MDR）中发现的粘弹性湍流。
2015-09-15 physics.flu-dyn
Characterization of coherent structures in three-dimensional flows using the finite-size Lyapunov exponent
本文利用有限尺寸的李雅普诺夫指数（FSLE）来表征三维湍流中的拉格朗日拟序结构。拉格朗日拟序结构作为流体流动中传输的组织者，对于理解其搅拌和混合特性至关重要。广义极大值（脊）的FSLE字段被用来定位这些相干结构。三维FSLE场计算在两个现象上不同的湍流：有壁流动（通道流）和区域海洋流的原始方程的数值解，其中二维湍流占主导地位。在槽道流中，FSLE场的自相关表明，该结构是从近壁到中间通道区域有很大不同，并且与更广泛研究的湍流槽道流的欧拉相干结构有关。由于湍流起伏的三维特征，FSLE场的脊具有复杂的形状。在海洋流中，存在强烈的水平搅拌，并且流态类似于2D湍流，其中该域由强烈相互作用的相干涡流填充。这又导致在整个域中存在高FSLE线，从而导致强非局部混合。FSLE场的脊是准垂直表面，表明水平动力学主导了流动。事实上，由于旋转和分层，海洋中的垂直运动远不如水平运动强烈。这种抑制是不存在的通道流，作为FSLE脊的3D字符显示。
2013-06-11 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Eckhaus-like instability of large scale coherent structures in a fully turbulent von Kármán flow
湍流的不稳定性的概念是在冯卡门流的情况下，由于监测的时空频谱的速度波动，结合到适当的贝尔特拉米模式的投影。研究表明，当雷诺数$\mathrm{Re}$从$10^2$变化到$10^6$时，流动的大尺度相干波动服从Eckhaus不稳定性序列。该序列导致增加方位波数的调制。基本状态是任意$\mathrm{Re}$处的层流或时间平均流，其是轴对称的，即具有$0$方位角波数。随着方位角波数从$1$增加到$3$，增加$\mathrm{Re}$导致非轴对称调制。发现这些调制在方位角方向上旋转。然而，直到$\mathrm{Re}\approx 4\times 10^3$才能确定明确的旋转频率。在上面，它们以越来越高的频率成为周期性的。我们最后表明，这些调制与相干结构的混合剪切层。这些发现的湍流参数化的影响进行了讨论。特别是，它们可以解释为什么简单的涡粘性模型能够捕捉复杂的湍流动力学。
2014-01-13 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Exact coherent structures and phase space geometry of pre-turbulent 2D active nematic channel flow
受限活性向列相具有丰富的动力学行为，包括自发流动，周期性缺陷动力学，和混沌的“活性有序性”。在这里，我们研究这些现象使用的框架精确相干结构，这已成功地表征被动流体的高雷诺数湍流的路线。精确相干结构是流体动力学方程的稳态、周期、准周期或行波解，它们与其不变流形一起充当动力学的组织模板。我们计算占主导地位的精确相干结构和连接轨道在前湍流的主动湍流通道流，这使得一个完全非线性的，但高度降低了顺序描述的有向图。使用这种简化的表示，我们计算瞬时扰动，切换不同的时空状态之间的系统占据遥远的区域的无限维相空间。我们的研究结果奠定了基础，系统的手段，了解和控制积极的湍流在中度到高度活动的制度。
2021-09-14 cond-mat.soft math.DS nlin.PS
Coherent turbulent structures in a rapid contraction
本文通过时间分辨体积测量研究16:1三维强收缩段湍流的相干涡结构，提出两种PDF量化指标证实流向对齐，发现流向涡量均方根达横向4.5倍，涡长超入口积分尺度4倍，出口附近多存在1-2个相干结构。
2024-01-11 physics.flu-dyn
The role of Coherent Structures and Inhomogeneity in Near-Field Inter-Scale Turbulent Energy Transfers
我们使用DNS来研究尺度间和空间间的能量交换在近场的湍流尾流的正方形棱柱的KHMH方程的速度场的三重分解占准周期性的旋涡脱落。KHMH的定向平均项在平均流平面和几何中心线上计算。我们考虑$2$和$8$之间的位置乘以棱镜的宽度$d$。平均流产生动能，供给旋涡脱落相干结构。反过来，这些结构转移能量的随机波动在所有的长度尺度$r$从泰勒长度$λ$ $d$和主导空间湍流传输的两点随机湍流波动。Alves Portela等人发现取向平均的非线性尺度间转移速率$Π^{a}$与$r$近似无关。在距离正方形棱镜$x_{1}=2d$的距离处的范围$λ\le r \le 0.3d$中，对于这种近似恒定性，需要相干结构的尺度间转移贡献。然而，Alves Portela et.（2017）主要是由于随机波动。即便如此，在$x_1=8d$处的范围$λ\le r\le d$内，$-Π^a$与湍流耗散率$\varepsilon$的接近需要相干结构的贡献。空间不均匀性也对$Π^a$有直接和明显的贡献，如果没有它，在近场流中$-Π^a/\varepsilon$接近1的恒定性是不可能的。最后，压力-速度项也是KHMH的重要贡献者，特别是在尺度r大于约$0.4d$的情况下，并且当取向平均值被提升时，似乎与纯随机非线性尺度间转移速率相关。
2020-04-22 physics.flu-dyn
Detection of dominant large-scale coherent structures in turbulent pipe flow
提出用 CDMD 处理直接数值模拟的时空状态序列，在 $Re_τ=181$ 圆管湍流中以约 10 个模态提取主导大尺度相干结构并再现关键流动统计量。
2023-09-26 physics.flu-dyn
Evolutionary clustering of Lagrangian trajectories in turbulent Rayleigh-Bénard convection flows
本文通过拉格朗日拟序集的长期演化，探讨了二维和三维湍流对流中热量的输运机制。它们是从谱聚类的无质量流体示踪剂的平流在流动中的轨迹。在湍流的动力学作用下，轨迹紧密地结合在一起，从而形成相干集。在较长的时间内，它们总是被物质输送的固有湍流弥散所破坏。在这里，这个约束是克服了进化聚类算法的应用程序，增加了时间记忆的相干集检测，并允许个别轨迹泄漏或不断变化的集群。因此，进化聚类也打开了可能性，以监测分裂和合并的相干集。这些罕见的动态事件留下清晰的足迹，在两个对流的轨迹网络的拉普拉斯矩阵的演变特征值谱。拉格朗日轨迹揭示了穿过流体层的对流热传递的各个路径。我们确定的长期相干集的流体流动区域，有助于传热。因此，我们的进化框架定义了一个互补的角度来看，最近讨论的欧拉参考系中的对流湍流上层结构模式的缓慢动态。所提出的框架可能是非常适合的研究，在自然流动，通常是基于稀疏的信息从漂移和探头。
2021-12-31 math.DS physics.flu-dyn
The effect of flight on a turbulent jet: coherent structure eduction and resolvent analysis
该研究针对带飞行来流的亚声速湍流射流，结合SPOD提取的大涡模拟相干结构，用全局resolvent分析建模其动力学变化，揭示了三类结构变化的内在机制。
2023-11-09 physics.flu-dyn
Cross-scale turbulent kinetic energy transfer in the presence of coherent structures in premixed swirl combustion
本文实验分析了在湍流预混旋流火焰和无反应旋流中，放热和拟序涡结构对层流火焰厚度$δ^0_\mathrm{L}$附近跨尺度动能传递的同时影响。高分辨率层析粒子图像测速和甲醛平面激光诱导荧光测量被用来获得三维速度场和估计的进展变量和密度场。然后使用物理空间分析对穿过$Δ= 1.5 δ^0_\mathrm{L}$的过滤器尺度的动能转移进行定量。相干流结构被识别使用的旋流强度和适当的正交分解被用来识别占主导地位的周期性流动结构。虽然非反应区域的流量显示平均向下的能量传递（前向散射），平均后向散射观察到内部的火焰。重要的是，在火焰中的后向散射幅度增加的区域进行火焰/涡流相互作用。也就是说，在火焰和大规模相干涡流内的同时位置处的平均后向散射幅度高于火焰中的区域而不是涡流中的区域，平均后向散射幅度随着旋流强度而增加。这种增加的后向散射可能是由于火焰/涡流相互作用位置的局部较高的热释放速率。总体而言，结果表明，动能后向散射的重要性，在尺度周围的火焰厚度和后向散射和局部火焰/流动结构之间的复杂关系，这些结果应考虑在火焰中的湍流建模时。
2022-06-03 physics.flu-dyn
Coherent Structures and Lattice-Boltzmann Hydrodynamics in Turbulent Pipe Flows
本文研究湍流管流中相干结构的识别与转变动力学，通过格子玻尔兹曼方法结合多松弛时间模型进行模拟，揭示了相干结构转变中的非马尔可夫记忆效应及其与时间分辨率和数据集大小的关系。
2025-03-11 physics.flu-dyn
Turbulent coherent structures and early life below the Kolmogorov scale
许多生物有机体生活在水环境中。重大的进化转变，包括生命本身的出现，很可能就发生在这样的环境中。虽然水在生物学中作用的化学方面得到了很好的研究，但水的物理特性对进化事件的影响，例如通过其丰富的运输特性控制种群结构，还不太清楚。进化的转变，如第一个细胞和多细胞的出现，需要群体之间的合作。然而，合作的进化面临着挑战，在非结构化的“混合”人口，寄生虫迅速压倒合作者。假设群体结构以促进合作的模型设想这种结构来自空间“晶格”模型（例如表面结合的个体）或分区模型，通常实现为原始细胞。在这里，我们研究空间模型中的湍流运动的影响，并提出相干结构，即流动模式的陷阱流体和自然产生的湍流，可能会服务于许多与隔间相关的属性-共定位，分裂和合并-并认为在生命的起源和其他进化过渡中发挥了关键作用。这些结果表明，群体选择模型可能适用于更少的物理和化学限制比以前认为的，并适用于更广泛的水环境。
2020-05-04 physics.flu-dyn q-bio.PE
Coherent Organization of Passive Scalar from a Point-Source in a Turbulent Boundary Layer
本文研究湍流边界层中点源被动标量羽流的空间组织与蜿蜒破碎机制，通过Ac-PLIF和PIV同步测量揭示相干涡旋运动主导高浓度标量离壁输运，并提出基于相干结构的输运机制。
2025-04-14 physics.flu-dyn
Hybrid POD-FFT analysis of nonlinear evolving coherent structures of DNS wavepacket in laminar-turbulent transition
本文研究了Blasius边界层中层流湍流转捩波包的直接数值模拟（DNS）数据。这个波包分解成一组“模式”（跨越近似解空间的基础）可以通过多种方式实现。两个众所周知的工具是快速傅立叶变换（FFT）和适当的正交分解（POD）。为了协同这两种方法的优势，混合POD-FFT是开创性的，使用FFT作为解释POD模式的工具。POD-FFT自动识别流中的著名基波、次谐波和Klebanoff模式，即使它对底层物理是盲目的。此外，POD-FFT进一步将波包的次谐波内容分成三个相当不同的部分：类似于Lambda涡旋的正失谐模式、Craik型调谐模式和Herbert型正负失谐模式对，按能量降序排列。这种区别是不太广泛的认可，但它提供了一个可能的解释轻微的正失谐的次谐波模式经常在以前的实验和模拟中观察到。
2017-10-02 physics.flu-dyn
Coherent structures in Newtonian and viscoelastic turbulent planar jets
Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University（冲绳科学技术大学院大学）；Universidad Polit{é}cnica de Madrid（马德里理工大学）；Flow Matters Consultancy BV（Flow Matters咨询有限公司）
通过时空Koopman分解，研究了粘弹性平面射流中弹性湍流的触发与维持机制，发现近场弹性驱动条纹与聚合物拉伸结构是维持三维粘弹性射流弹性湍流的关键。
2026-04-29 physics.flu-dyn
