Resonance properties of forced oscillations of particles and gaseous bubbles in a viscous fluid at small Reynolds numbers
研究了粘性流体中微粒子和气泡在正弦外力作用下围绕平衡态的微小振荡。精确解的积分微分方程包含斯托克斯和记忆积分阻力。本研究的主要目的是澄清的记忆积分拖曳力的影响，在小雷诺数的粘性流体中的振荡颗粒或气泡的共振特性。获得了这两种物体的谐振曲线（外力的振幅与频率的关系）以及相位-频率关系，并与仅受斯托克斯阻力的传统振子的相应关系进行了比较。
2017-10-07 physics.flu-dyn
Pattern Formation in Thermal Convective Systems: Spatio-temporal Thermal Statistics, Emergent Flux, and Local Equilibrium
我们讨论在两个独立的热对流系统的时空斑图形成。在第一个系统中，热液波（HTW）的数值模拟在一个环形通道。在通道上施加温差，这在流体的自由表面上引起表面张力梯度，导致朝向冷侧的表面流动。流型沿温度梯度轴向对称，具有小温差的内循环。这种轴向对称流（ASF）在超过给定的温差阈值时变得不稳定，并且随后，出现旋转振荡波或HTW。对于第二个系统，Rayleigh-Bénard对流（RBC）在非湍流区进行了实验研究。当液体的薄膜被加热时，粘性和浮力的竞争力引起对流不稳定性。这种对流不稳定性在流体膜的表面上产生时空不均匀的温度分布。表面温度统计研究在这两个系统作为“秩序”和“无序”相分离。虽然在这两种情况下，引起对流不稳定性的机制是不同的，我们发现在这些紧急结构的热分布的宏观性质的协议。
2022-01-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.AO
Experimental study of temperature fluctuations in forced stably stratified turbulent flows
本文对稳定分层强迫湍流中的温度脉动进行了实验研究。在有垂直温度梯度的实验中，湍流是由两个位于腔室侧壁附近的振荡格栅产生的。用粒子图像测速仪测量湍流场和平均速度场，用专门设计的带灵敏热电偶的温度探头测量温度场。我们发现，比例$\big[(\ell_x \nabla_x \bar{T})^2 + (\ell_y \nabla_y \bar{T})^2 + (\ell_z \nabla_z \bar{T})^2\big] / <θ^2 >$几乎是恒定的，是独立的网格振荡的频率，并具有相同的幅度，稳定和不稳定的分层湍流，其中$\ell_i$是沿$x, y, z$方向的湍流的积分尺度，$\bar{T}$和$θ$是流体温度的平均和湍流波动分量。我们证明了，对于大频率的网格振荡，温度场可以被认为是一个被动标量，而对于较小的频率的温度场的行为作为一个主动场。基于湍流动能、湍流位能（$\propto <θ^2 >)$）和湍流热通量收支方程的理论预测与实验结果符合较好。与先前在不稳定分层强迫湍流中获得的实验结果进行了详细的比较。
2012-11-27 physics.flu-dyn
Numerical study of experimentally inspired stratified turbulence forced by waves
用伪谱三阶周期模拟方法研究了类似于Coriolis平台（LEGI，Grenoble，France）\cite{Savaro2020}中得到的内波强迫的分层流动。实验强迫机制，包括在大的振动垂直面板是模仿的惩罚方法。时间和时空谱的分析表明，在实验中最强的强迫流是由两个叠加的大的和准定常的水平涡，在盒模式的内波和模式外的弱得多的波。空间谱和谱能量收支证实，非常小的水平弗劳德数$F_h$和浮力雷诺数$R$接近1的流动是在一个中间制度。由于强迫频率$ω_f$仅略小于Brunt-Väisälä频率$N$，因此存在向慢波和大涡旋的能量转移，这对应于水平方向上的高能量通量。另外两个实验可行的参数集进行了研究。更大的振幅强迫表明，对于小的$F_h$和10阶浮力雷诺数$R$，确实有可能在像科里奥利平台这样的大型装置中产生由波浪强迫的分层湍流。通过与$ω^{-2}$斜率一致的时间谱的弱非线性相互作用，迫使$ω_f = 0.40 N$的较慢波在$ω_f$和$N$之间留下空间用于"向下时间尺度"转移。然而，对于这组参数，大尺度的流动是强耗散的，并且没有下尺度的能量级联。
2022-10-06 physics.flu-dyn
The effect of spanwise heterogeneous surfaces on mixed convection in turbulent channels
采用直接数值模拟的方法研究了非均匀壁面槽道流动中的湍流混合对流。浮力和剪切效应之间的相对重要性，其特征在于散装理查森数$Ri_b$，是不同的，以涵盖强制，混合和自然对流，这是与不同的大规模流动组织的流态。非均匀表面由流向对齐的脊，这是已知的诱导二次运动的情况下，强制对流。光滑壁混合对流条件下出现的大规模流向卷显着的非均匀表面的影响和它们的外观是相当大的减少密集的脊间距。人们发现，由于脊引起的额外阻力，这些卷的形成需要比光滑壁更大的浮力。因此，对于展向非均匀表面，从强制对流结构到滚转的转变向更大的$Ri_b$延迟。混合对流的流动组织的非均匀表面的影响是特别明显的辊到细胞的过渡范围内，其中脊有利于过渡到对流细胞在显着较低的$Ri_b$。此外，对流单体被观察到垂直于脊排列，脊间距减小。我们将这种重组归因于这样一个事实，即平行于脊的流动比穿过脊的流动经历更少的阻力，这在能量上更有益。此外，我们发现，流向辊表现出非常缓慢的动态$Ri_b=1$和$Ri_b=3.2$时，脊间距是在辊的宽度的顺序。在这些情况下，辊的上升和下降气流在整个通道中缓慢移动，而不是像在光滑壁情况下观察到的那样固定在空间中。
2022-08-08 physics.flu-dyn
Experimental investigation of turbulence and turbulent thermal diffusion in strongly inhomogeneous and anisotropic forced convection
本研究通过实验探讨强不均匀和各向异性对流中湍流及湍流热扩散特性，发现温度梯度与粒子数密度分布存在反相关关系。
2025-10-13 physics.flu-dyn
Segregation of a liquid mixture by a radially oscillating bubble
提出了在声场中经历体积振荡的球形气泡周围液体二元混合物中压力梯度强制质量输运的理论公式。假设气泡壁对两种物质都是不渗透的，则由压力梯度驱动的扩散和经典的Fick扩散必须在气泡壁处抵消，使得在气泡附近出现振荡的浓度梯度。在典型的情况下，佩克莱数Pe通常较高，并且菲克扩散不能立即恢复平衡，使得渐近平均浓度分布可以在长时间内逐渐在液体中建立。这种行为让人想起所谓的整流扩散问题，导致在声场中振荡的气泡缓慢增长。Fyrillas & Szeri（1994）提出了一种求解后一问题的严格方法，本文将该方法用于求解本问题。它是基于分裂成一个光滑的部分和振荡的部分的问题。[...]对于驱动压力足够高，产生惯性振荡的气泡，振荡的问题预测在每次崩溃的气泡壁的最重的物种的周期性峰值过量浓度，徘徊在几十倍的气泡反弹的特征持续时间。这两种效应可能会竞争大分子和实际意义的这种偏析现象提出了各种过程中涉及声空化。
2018-10-11 physics.flu-dyn
The effects of nonlinearities on tidal flows in the convective envelopes of rotating stars and planets in exoplanetary systems
在紧密的系外行星系统中，潮汐相互作用在很长的时间尺度上驱动行星和恒星的轨道和自旋演化。在低质量恒星和巨型气态行星的对流包层中，潮汐惯性波（由科里奥利加速度恢复）在被激发和随后阻尼（例如通过粘性摩擦）时，特别是在系统生命的早期，对潮汐耗散有很大的贡献。已知这些波会受到非线性效应的影响，包括触发纬向流形式的差异旋转。在这项研究中，我们使用一个现实的潮汐体强迫激发惯性波，通过在波的动量方程中的平衡潮汐的剩余作用。通过在绝热不可压缩对流壳层中进行三维非线性流体动力学模拟，我们研究了非线性项的加入如何影响潮汐流的性质，以及能量和角动量的重新分布。特别是，我们确定并证明删除负责非物理的角动量演化在以前的数值研究中观察到的条款。在我们的新的设置，我们观察到建立强大的圆柱剪切纬向流，修改以前的线性理论预测的潮汐耗散率。我们证明，这种差异旋转波的影响整齐地解释了线性和非线性耗散率之间的差异，在我们的许多模拟。我们还强调了惯性波的共转共振和参数不稳定性的主要作用，这是观察到足够高的潮汐强迫振幅或低粘度，在影响潮流响应。
2022-07-26 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Order Out of Chaos: Slowly Reversing Mean Flows Emerge from Turbulently Generated Internal Waves
我们证明，通过直接数值模拟，周期性的，振荡的平均流自发地发展从恶意产生的内波。我们考虑一个最小的物理模型，其中的流体自组织在一个对流层相邻的稳定分层的。内波由湍流对流运动激发，然后非线性地相互作用以产生在比波的周期长得多的时间尺度上反转的平均流。我们的研究结果首次表明，由于对流，波和平均流的三尺度动力学是通用的，因此可以发生在许多天体物理和地球物理流体。我们讨论了在简化模型中再现平均流的努力，其中湍流被绕过。我们表明，波的不稳定性，从混沌性质的对流，起着关键作用的平均流动力学，因此不能只使用二阶统计的湍流运动。
2018-06-18 physics.flu-dyn
Efficiency of tidal dissipation in slowly rotating fully convective stars or planets
湍流对流被认为是一种有效的粘性阻尼平衡潮汐流，驱动自旋和轨道演化的封闭对流双星系统。与混合长度预测相比，当潮汐频率$|ω_t|$超过占主导地位的对流涡旋的周转频率$ω_{cν}$时，这种粘度应该减少，但这种减少的效率一直存在争议。我们重新审视这一长期存在的争议，使用一个理想化的全球模型的直接数值模拟。我们模拟了在一个完整的球体中的热对流，并在外部强迫的平衡潮汐流，测量有效粘度$ν_E$作用于潮汐流时，$|ω_t|/ω_{cν} \gtrsim 1$。我们表明，$ν_E$的频率降低与（未扰动）对流的频谱。对于低于湍流叶栅（$|ω_t|/ω_{cν} \sim 1-5$）中的中频，频谱显示出反常的$1/ω^α$幂律，该幂律导致频率降低$ν_E \propto 1/|ω_t|^α$，其中$α< 1$取决于模型参数。然后，我们得到了$|ν_E| \propto 1/|ω_t|^δ$与$δ> 1$的较高频率，和$δ=2$的Kolmogorov湍流叶栅。一般的$|ν_E| \propto 1/|ω_t|^{2}$抑制下发现较高的频率内的对流耗散范围（但与负值）。我们的研究结果表明，更好地了解对流的频谱是必要的，以准确地预测的效率潮汐耗散在恒星和行星中产生这种机制。
2020-08-29 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Large Eddy Simulations of turbulent convective flow through a periodic groove channel
近几十年来，延伸表面的使用在用于实现传热增强的传热装置（如燃气轮机叶片冷却和核反应堆堆芯）中找到了广泛的应用。因此，了解基本的流动物理和传输现象的传热强化是本研究的目标。本文采用大涡模拟对周期性槽道内的湍流强制对流进行了数值计算。槽道的下壁提供恒定的热流，而上壁绝热。计算使用WMLES模型在LES公式中进行，该公式在基于有限体积的求解器ANSYS Fluent 19.2中实现。模拟是在不同的雷诺数范围内进行的3000-30000在不同的比率槽宽通道高度（B/H）在0.75-1.75的范围内。槽距比和槽深比分别保持在2和0.5的数量级。系统地进行了传热系数、相关摩擦损失和热增强幅度的估计，并与文献中报道的使用RANS框架获得的结果进行了比较。使用LES获得的结果表明，在传热率的合理幅度的45%的改善，而相关的摩擦损失减少了40%的平均幅度相比，使用RANS公式在上述范围内的Re。此外，使用LES对于0.75的B/H比实现了热增强因子的最大幅度64%的改善。在给定Re、Nu和（B/H）比的情况下，提出了两个计算摩擦因子和热增强因子的关联式，其R平方值分别为0.94和0.96。
2022-08-30 physics.flu-dyn
Where we observe that helical turbulence prevails over inertial waves in forced rotating flows at high Reynolds and low Rossby numbers
本文研究了在雷诺数Re~1* 10 ^5和Rossby数Ro~3*10^-3范围内存在固体旋转时螺旋湍流的谱律。强迫函数是一个完全的螺旋流，也可以看作是模仿大气对流运动的效果。我们测试了螺旋的情况下，以前开发的模型（Baerenzung等，2008年a）对直接数值模拟（DNS）的变体，使用的数据从运行的网格上的15363个点;我们还比较了其效率与频谱大涡模拟（LES）（Chollet和Leopold 1981），以及一个欠分辨率的DNS。该模型包括螺旋度的贡献的频谱涡耗散和涡噪声的行为最好，允许恢复的流量的统计特征。然后，使用DNS进行超出当今可行范围的参数空间探索。在固定的雷诺数，降低Rossby数会导致一个政权的波介导的惯性螺旋度级联到小尺度。然而，在固定的Rossby数，增加雷诺数导致系统的主导湍流能量交换的惯性波的作用是削弱直接级联的能量，同时加强大尺度。我们发现，一个有用的参数划分的数据是NC = ReRo = U2 rms/[nu Ω]，与Urms，nu和Ω的均方根速度，粘度和旋转速率分别。决定多少能量级联是直接的或反向的参数，在这种情况下，级联到小尺度主要是螺旋度与Ro有关。
2009-12-17 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Nonlinear evolution of tidally forced inertial waves in rotating fluid bodies
我们执行的第一个研究潮汐激发的惯性波的非线性演化在均匀旋转的流体体，探索一个简化的模型的流体包络的行星（或太阳型恒星的对流包络）的引力潮汐扰动的轨道伴侣。我们的模型包含一个完全刚性的球形核心，这是由不可压缩的均匀密度流体的包络包围。相应的线性问题进行了研究，在以前的论文中，这项工作延伸到非线性制度，在中等埃克曼数（粘性的科里奥利加速度的比率）。通过进行高分辨率的数值模拟，使用伪谱和谱元素的方法相结合，我们调查的非线性，这导致时间依赖性的流量和相应的耗散率的影响。角动量的沉积是不均匀的，导致在最初均匀旋转的流体中产生显著的差动旋转，即物体不会像简单的固体旋转体那样朝着同步方向发展。这种差异旋转修改潮汐激发的惯性波的属性，改变了流的耗散特性，并最终变得不稳定的二次剪切不稳定，只要埃克曼数是足够小的。我们的主要结果是，包括非线性最终修改的流动和由此产生的耗散从线性计算将预测，这对流体中的潮汐耗散具有重要意义。最后，我们讨论了我们的简化模型的一些局限性，并提出了未来的研究，以更好地了解旋转行星和恒星的潮汐演化的途径。
2014-01-03 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Experimental Investigation of Tidally-Forced Internal Wave Turbulence at High Reynolds Number
本文在大型实验室波槽中模拟潮汐流经海脊地形，利用背景导向纹影法实验研究高雷诺数下内波湍流的完整能量级联路径，揭示了三波共振不稳定性驱动的次谐波生成、频率反向级联与垂直波数正向级联，并强调了局域三波相互作用的重要性。
2024-08-10 physics.flu-dyn
A numerical investigation on turbulent convective flow characteristics over periodic grooves of different curvatures
本文通过在周期性凹槽通道尖角处引入曲率，利用ANSYS Fluent 19.2中的k-epsilon(RNG)模型进行湍流强制对流数值模拟，发现曲率可使整体传热提升12%，传热强化幅度增加5%。
2024-02-14 physics.flu-dyn
An Experimental Framework to Study Turbulence Induced Particle Mobilization
该研究开发了一个实验框架，通过振荡翼型产生可控湍流扰动，研究大而重颗粒在湍流载相中的迁移起始，发现颗粒迁移与载相大尺度流动结构相关。
2025-08-25 physics.flu-dyn
Three-dimensional turbulence generated homogeneously by magnetic particles
三维湍流的实验研究通常采用大尺度的空间局部化强迫（例如通过旋转叶片或振荡网格），通常采用确定性的方式。在这里，我们报告了一种原始技术，其中流体被迫在体积，随机的空间和时间，使用远程驱动的小磁性粒子。这种强迫几乎不产生平均流，并且更接近于各向同性均匀湍流的直接数值模拟。我们计算的能量谱和结构函数使用本地和时空流速测量。能量耗散率也以五种不同的方式进行了一致的评估。我们的实验结果证实了这种湍流的稳定性，均匀性和各向同性的功能，特别是Tennekes'模型的Tennekes'常数的实验估计。
2021-10-25 nlin.CD physics.class-ph physics.flu-dyn
Multi-scale energy budget of inertially driven turbulence in normal and superfluid helium
本文提出了一种新的流体动力学实验，使用液体$^4$ He。流被惯性地强迫由正则振荡网格使用其正常（He~I）或超流（He~II）相，产生统计上稳定的湍流。我们利用二维拉格朗日粒子跟踪技术对空心玻璃微球表面的湍流特性进行了研究。正如对示踪粒子所预期的那样，粒子位置上的Voronopartite镶嵌在He~I和He~II相中都没有显示出与随机泊松过程的显著偏离。粒子的位置跟踪具有高的时间分辨率，允许解决在积分和惯性尺度的速度波动，同时适当地评估噪声的贡献。此外，我们区分粒子的位置（通过与高斯核的卷积），以获得小尺度的量，如加速度。使用这些测量的量和经典的均匀各向同性湍流（HIT）的形式主义，以执行跨尺度的能量预算，我们提取的能量注入率在大尺度上，通过惯性尺度级联的能量通量，下降到小尺度，它被耗散。我们发现，在这种惯性驱动的湍流，无论正常或超流体状态的流体，在不同尺度的能量估计是相互兼容的，并与文献中报道的正常流体振荡网格湍流结果一致。最大的差异出现在小尺度上，其中信噪比更难控制，并且其中2D测量被流动的3D性质污染。这促使未来的实验项目集中在小尺度，低噪声和3D测量上。
2020-11-24 physics.flu-dyn
Compressible turbulent mixing: Effects of Schmidt number
研究了Schmidt数对受迫可压缩湍流中被动标量输运的影响。在惯性对流范围内，标量谱遵循k^{-5/3}幂律。对于Sc >> 1，在粘性对流范围内出现k^{-1}幂律，而对于Sc << 1，在惯性扩散范围内发现k^{-17/3}幂律。速度-标量增量混合三阶结构函数的标度常数在Sc上增大，压缩性的影响使其小于经典的4/3值。在小振幅下，标量波动的PDF崩溃高斯分布，而在大振幅下，它衰减得比高斯更快。在大尺度下，标量增量的概率密度函数表现为标量涨落的概率密度函数，而在小尺度下，则表现为标量梯度的概率密度函数。由于分子扩散系数较低，当Sc >> 1时，标量场卷起并充分混合。然而，当Sc << 1时，标量场由于高分子扩散率而失去了小尺度结构，只保留了大尺度的云状结构。在Sc >> 1和Sc << 1两种流动中，标量平流和耗散的谱密度都遵循k^{-5/3}标度。这表明，在可压缩湍流中，除标量-膨胀耦合外，对流和耗散过程都服从Kolmogorov图象。结果表明，在高波数时，Sc >> 1和Sc << 1流的谱相干性的幅度衰减得比不可压缩流的理论预测值k^{-2/3}快。最后，与不可压湍流结果的比较表明，Sc=1的可压缩湍流中标量在其谱中没有明显的凸点结构，但在耗散范围内更加断续。
2015-05-17 physics.flu-dyn
Streamwise oscillation of spanwise velocity at the wall of a channel for turbulent drag reduction
通过DNS研究了槽道流动的定常壁面强迫，以评估其降低湍流摩擦阻力的能力。壁面强迫由沿流向交替变化的展向速度的固定分布组成。强迫背后的想法建立在现有的展向壁面振荡技术的基础上，并利用流动的对流性质来实现与湍流的非定常相互作用。该分析利用了等效层流，通过解析求解该等效层流，以表明强迫的能量成本不受湍流的影响。在一个湍流，交替强迫被发现表现类似的振荡壁，特别是一个最佳的波长被发现，产生最大的减少湍流阻力。能量性能得到显着改善，在大强度的强迫下，最大摩擦节省了50%以上，而在较小强度下，净能量节省了23%。这种稳定的、基于壁面的强迫可以为被动地与湍流相互作用铺平道路，以通过设计成激发选定的流向波长的适当粗糙度分布来实现阻力减小。
2009-10-31 physics.flu-dyn
Numerical study of Lagrangian velocity structure functions using acceleration statistics and a spatial-temporal perspective
School of Aerospace Engineering, Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院航空航天工程学院）；Schools of Aerospace Engineering and Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院航空航天与机械工程学院）
本文通过直接数值模拟研究湍流中拉格朗日速度结构函数的标度特性，探讨高雷诺数下加速度自相关对速度结构函数的影响，并分析时空视角下的卷积和局部贡献。
2026-03-20 physics.comp-ph physics.flu-dyn
