Scaling of locally averaged energy dissipation and enstrophy density in isotropic turbulence
使用直接数值模拟的各向同性湍流的周期性立方体的几种尺寸，最大的是$8192^3$产生的微尺度雷诺数$1300$，我们研究的压力拉普拉斯算子的性质，了解的惯性范围标度的涡度拟能密度和能量耗散的差异。尽管压力拉普拉斯算子是两个高度间歇的量之间的差，但它是非间歇的，并且基本上遵循柯尔莫哥洛夫标度，至少对于低阶矩。利用这一特性，我们表明，当地的平均耗散和涡度拟能的标度指数保持不平等，在所有有限的雷诺数，虽然似乎有一个\textit{very}弱的趋势，这种不平等，随着雷诺数的增加而减少。
2018-11-16 physics.flu-dyn
Strong Bow Shocks: Turbulence and An Exact Self-Similar Asymptotic
本研究证明强弓形激波头部湍流非普适，但下游存在普适稳态自相似解析解，并通过高分辨率模拟验证，可用于探测高速天体运动学及约束QPE模型光度。
2024-07-20 astro-ph.HE physics.flu-dyn
Scale Dependence of Multiplier Distributions for Particle Concentration, Enstrophy and Dissipation in the Inertial Range of Homogeneous Turbulence
湍流根据其停止时间或斯托克斯数优先集中惯性颗粒，这可导致颗粒浓度的显著空间变化。级联模型是用统计学术语描述这一过程的一种方法。在这里，我们使用均匀，各向同性湍流的直接数值模拟（DNS）数据集，以确定级联乘数的概率分布函数（PDF），它确定了一个属性被分割成子卷的比例，因为涡流被设想为衰减成更小的涡流。我们提出了一种技术，用于校正统计中的小粒子数的影响。我们确定乘数PDF粒子数，流耗散，拟能，所有这些都被证明是规模依赖。然而，粒子倍增器PDF崩溃时，与适当定义的局部斯托克斯数缩放。正如从早期的作品，耗散和拟能乘数PDF达到足够小的空间尺度的渐近线。根据DNS测量，我们推导出一个级联模型，该模型用于预测任意高雷诺数$Re$的径向分布函数（RDF），发现与Zaichik和Alipchenkov [New Journal of Physics 11，103018（2009）]的渐近无限$Re$惯性范围理论非常吻合。我们讨论了这些结果的影响，在惯性范围内的湍流聚类过程的统计建模的数值模拟无法访问的高雷诺数。
2017-03-17 physics.flu-dyn
Objective quantification of Particle Pair Diffusion in Homogeneous Isotropic Turbulence
湍流由相互作用的流动结构组成，覆盖了广泛的长度和时间尺度。一个长期存在的问题笼罩在粒子对扩散的紧密接近，即粒子对扩散在小的分离：什么范围的湍流长度尺度支配对扩散？在这里，我们试图回答这个问题，通过解决对扩散的精细尺度和较大尺度的相干结构，其中嵌入的精细尺度-我们必然会遇到的本地和非本地相互作用的组合与小和大的长度尺度。局部结构具有与粒子对间距$l$相同数量级的长度尺度，并且它们引起粒子对之间的强相对运动。然而，非局部结构，拥有的长度尺度远大于$l$，也诱导（通过Biot-Savart）显着的相对运动，在以前的研究中忽略的效果（基于Richardson-Obukhov R-O理论）。这从根本上改变了对扩散过程的解释，使对扩散率$K$标度为$K\sim l^{1.556}$ -在数据的$1\%$内一致。“R-O常数”$g_l$被证明不是一个常数，虽然被广泛认为是一个常数。然而，新的常数（代表对扩散率$G_K$和对分离$G_l$）被确定，我们显示在高雷诺数下渐近线到$G_K\approx 0.73$和$G_l\sim 0.01$。作为一个应用，我们表明，在喷雾中的水滴云的半径是较小的一个数量级相比，R-O理论。
2020-08-07 physics.flu-dyn
Out-of-equilibrium fluxes shape the self-organization of locally-interacting turbulence
该研究针对地球物理启发的二维局域相互作用流体，通过模拟与理论发现小尺度非平衡通量会约束大尺度流场，催生丰富相图并改变准地转流大尺度结构选择机制。
2025-05-08 nlin.CD physics.flu-dyn
Reynolds-number dependence of the dimensionless dissipation rate in homogeneous magnetohydrodynamic turbulence
本文研究了在外力作用下，定常和非定常磁流体（MHD）湍流的无量纲耗散率$C_{\varepsilon}$的行为。结合前人对自由衰减MHD湍流的研究，本文得到了适用于均匀MHD湍流的最一般的$C_{\varepsilon}$模型方程，并对单位磁普朗特数下无量纲总能量耗散率随雷诺数的变化进行了全面的数值研究。我们进行了一系列中高分辨率的直接数值模拟机械强制固定MHD湍流，以验证模型方程的预测固定的情况下。此外，非普适性的问题进行了讨论的外力的影响，以及交叉和磁螺旋度的水平。渐近线$C_{\varepsilon,\infty}$的测量值位于自由衰变的$0.193 \leqslant C_{\varepsilon,\infty} \leqslant 0.268$之间，其中该值取决于交叉和磁螺旋度的初始水平。在平稳的情况下，我们测量$C_{\varepsilon,\infty} = 0.223$。
2017-01-04 astro-ph.CO astro-ph.SR physics.flu-dyn
Viscous tilting and production of vorticity in homogeneous turbulence
粘性涡量消耗是湍流的一个基本和众所周知的特性，它平衡了与涡拉伸机制相关的净涡量产生。然而，在这封信中，我们证明了粘性效应不仅限于一个单纯的破坏过程，但在涡度动力学中发挥着更复杂的作用，这与涡拉伸一样重要。基于粒子跟踪实验（3D-PTV）和均匀和准各向同性湍流的直接数值模拟（DNS）结果，我们发现涡量方程中的粘性项也可以局部诱导涡量的产生及其方向的改变（粘性倾斜）。
2010-02-08 physics.flu-dyn
Small Rarefaction, Large Consequences: Limits of Navier Stokes Turbulence Simulations
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
研究揭示了纳维-斯托克斯方程在湍流条件下因本构退化而出现的局限性，强调稀薄效应在剪切层中的主导作用，对高速气动学和行星探索有重要影响。
2026-02-09 physics.flu-dyn
Transition in pipe flow: the saddle structure on the boundary of turbulence
层流-紊流边界S是分离初始条件的集合，该初始条件从变得紊流的初始条件中平静地再层化。相空间轨迹在这个超曲面上的圆柱管流看起来是混乱的，并显示出连贯结构的反复出现的证据。一个通用的数值技术的开发，用于识别这些结构的方法，然后用于确定精确的相干解决方案本身。数值证据表明，S上的轨迹组织周围只有几个行波和它们的异宿连接。如果流被适当地约束到具有离散旋转对称性的子空间，则有可能找到嵌入S内的局部吸引行波。使用这种方法发现了四种新类型的行波。
2008-07-01 physics.flu-dyn
Emergence of Local Ordering and Mesoscale Giant Number Fluctuations in Active Turbulence
Indian Institute of Technology Hyderabad（印度理工学院海德拉巴分校）；Universitè Côte d’Azur, CNRS, Institut de Physique de Nice (INPHYNI)（蔚蓝海岸大学、法国国家科学研究中心、尼斯物理研究所）
该研究揭示了主动湍流中局部有序与混沌共存的相变机制，通过能量参数统一了活动性和不稳定性对模式形成的影响。
2026-03-12 physics.flu-dyn
A length scale for non-local multi-scale gradient interactions in isotropic turbulence
本文通过局部Betchov关系定义了一个约为湍流结构三倍的长度尺度，并表明各向同性级串模型可将涡拉伸与应变自放大统一为同一传递机制，无需区分二者。
2024-01-23 physics.flu-dyn
Scale locality and the inertial range in compressible turbulence
我们使用粗粒化的方法来证明，在可压缩湍流的动能的尺度间传递是由本地相互作用。在这里，局部性意味着不同尺度之间的相互作用衰减的速度至少与尺度差异比的幂律函数一样快。特别是，我们的研究结果排除了动能从大尺度直接转移到耗散尺度，如进入冲击，在高雷诺数湍流的限制，是普遍认为。在任何马赫数下，对于任何状态方程，且不要求均匀性或各向同性，这些结果具有广泛的普遍性。我们在证明中对速度、压力和密度结构函数的标度所作的假设是很弱的，并且得到了令人信服的经验支持。在一个更强的假设压力膨胀共谱，我们表明，\emph{mean}动能和内能预算统计解耦超出过渡“转换”范围。我们的分析表明，存在一个随之而来的惯性尺度范围内，平均SGS动能通量成为常数，独立的规模。在这个惯性范围内，平均动能局部地以保守的方式级联，尽管不是不变量。
2010-12-30 physics.flu-dyn
Geometric Mechanics of Real-Space Energy Transfer in Turbulence
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）
该研究通过实空间能量级联的球几何分解湍流局地能量传递，结合直接数值模拟揭示其与流体微元变形动力学的纯力学联系，明确了应变自放大与涡旋拉伸的作用及级联边界。
2026-10-09 physics.flu-dyn
A parametrization of two-dimensional turbulence based on a maximum entropy production principle with a local conservation of energy
在二维（2D）湍流的情况下，我们应用最大熵产生原理（MEPP），通过强制执行本地能量守恒。这导致了一个方程的涡度分布，保持所有的卡西米尔，能量，并单调增加的混合熵（$H$ -定理）。此外，粗粒涡度方程单调耗散所有的广义拟能。这些方程可以提供2D湍流的参数化。它们一般不会向最大熵态弛豫。对于二维欧拉方程的任何定常状态，涡量流都为零。有趣的是，从MEPP得到的粗粒涡度方程原来是一致的，经过一些代数运算，与预期的涡度方法得到的。这表明了当局部地处理能量守恒时，这两种方法之间的联系。此外，新导出的方程，它包含了一个扩散项和漂移项，有一个很好的物理解释的选择性衰减原则。这为MEPP和预期涡度方法提供了新的思路。
2015-11-30 physics.flu-dyn
Structures and dynamics of small scales in decaying magnetohydrodynamic turbulence
采用直接数值模拟方法研究了衰减磁流体湍流中小尺度的拓扑和动力学特征。与速度和磁场相关的梯度量的不变量的联合概率密度函数（PDF）表明，在最大耗散时的结构和动力学依赖于大尺度初始条件。这是显而易见的，特别是从以下事实，即每个流具有不同的形状的联合PDF的不变量的速度梯度相比，通用的泪珠形状的流体动力学湍流。从不变量的分析中得出的一般情况是，高涡度区域与高应变率区域$\bm S$相关，这也与流体动力学湍流相反。磁应变主导区域也与高电流密度区域$\bm j$很好地相关。粘性耗散（$\propto \bm S^2$）以及欧姆耗散（$\propto \bm j^2$）存在于应变和旋转局部几乎平衡的区域。与速度梯度相关的结构具有与磁场梯度相关的结构不同的特征，后者局部更准二维。
2013-04-02 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Space-local Navier--Stokes turbulence
该研究通过修改涡量方程非线性项引入空间局域速度场，经直接数值模拟发现小尺度符合$E(k) \nRightarrow k^{-5/3}$能量级联标度，大尺度涡量放大受抑且呈保守涡量级联标度，验证了柯尔莫哥洛夫空间局域性假设。
2023-11-22 physics.flu-dyn
On the injection scale of the turbulence in the partially ionized very local interstellar medium
在部分电离的星际介质中，磁流体动力学（MHD）湍流级联受到离子中性碰撞阻尼和中性粘性阻尼的影响。通过研究在温暖的和部分电离的本地星际介质的阻尼效应，我们发现，星际湍流阻尼中性粘度在$\sim 261$ au和不能解释的湍流磁场波动探测到的旅行者1号和2号。Voyager在VLISM（very local星际介质）中测量到的MHD湍流应该在离子与中性粒子解耦的区域中局部注入，以使其级联在阻尼效应中幸存下来。在离子中性退耦条件和观测到的Kolmogorov磁能谱的强湍流条件下，我们发现VLISM中的湍流是亚Alfvénic的，其最大可能的注入尺度是$\sim 194$ au.
2022-11-08 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
On coherent structure in wall turbulence
本文提出了一种新的壁湍流相干结构理论。该理论是第一个预测包的发夹涡和其他结构的湍流，和他们的动态，基于分析的纳维-斯托克斯方程，假设的湍流平均剖面。湍流平均值的假设对可能的结构类起着限制作用。它示出的相干结构是一种表现形式，基本上是低维的流动动力学，所产生的临界层机制。使用McKeon & Sharma（J. Fluid Mech，658，2010）中提出的分解，从通过分析预测的响应模式的最小叠加重新创建复杂的相干结构，其采取径向变化的行波的形式。作为示例，提供了这些模式的简单组合，其预测发夹和调制的发夹包。相位相互作用还预测了文献中已知的重要偏斜度和相关性结果。它还表明，非常大规模的运动的行为，组织发夹状的结构，使他们共同定位与低流向动量的地区，通过局部变化的剪切剖面的机制。泰勒的假设和连贯性之间的关系进行了讨论，都被证明是本地化的关键层周围的响应模式的后果。一个令人愉快的链接是经典的层流无粘理论，从而基本机制的发夹涡被捕获的两个倾斜相互作用的开尔文-斯图尔特（猫眼）涡。根据实验、过渡流和湍流数值模拟文献中所报道的结构观察结果，提出了该理论的证据。
2013-06-17 physics.flu-dyn
Mathematics of Structure-Function Equations of All Orders
导出了任意阶速度结构函数与其他统计量之间的精确关系方程。“精确”是指除了假定纳维-斯托克斯方程和不可压缩性条件是精确的之外，不使用任何近似。精确的方程用于确定的结构函数方程的所有订单的局部均匀，但各向异性湍流以及局部各向同性的情况下。这些方程可用于研究局部均匀性和局部各向同性的方法，以及方程的平衡和标度范围的确定。
2016-11-18 physics.flu-dyn
Correlation and decomposition framework for identifying and disentangling flow structures: canonical examples and application to isotropic turbulence
本文提出结合相关度量与 Helmholtz 分解的流动结构识别解耦框架，并用于各向同性湍流，发现高动能射流主要由中间强度涡量非局域诱导。
2020-11-15 physics.flu-dyn
Fokker-Planck Kinetic description of small-scale fluid turbulence for classical incompressible fluids
扩展的统计方法提出了一个平行的文件\cite % {Tessarotto 2008-aa}，这项工作的目的是提出一个随机逆动力学理论的基础上引入一个合适的\textit{local phase-space probability density function}（pdf）的小尺度流体动力学湍流。特别是，我们提出的问题的建设福克-普朗克动力学模型的水动力湍流。这里采用的方法是基于所谓的IKT方法（逆动力学理论），由Ellero等人（2004-2008）开发的，其允许基于采用局部pdf的不可压缩流体的精确相空间描述。我们打算表明，对于规定的随机模型，本方法允许确定唯一的随机流体场的时间演化。随机平均的本地PDF服从动力学方程，虽然一般非马尔可夫，局部速度空间中可以近似通过一个合适的福克-普朗克动力学方程。作为副作用，相同的pdf被证明通常具有非高斯行为。
2008-06-30 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Scaling of conditional Lagrangian time correlation functions of velocity and pressure gradient magnitudes in isotropic turbulence
通过量化各向同性湍流中速度梯度和压力梯度的关联函数及其特征时间尺度，研究了它们的拉格朗日统计量。已经发现，拉格朗日时间相关的速度和压力梯度张量和矢量元素的规模与本地定义的Kolmogorov时间尺度，定义从箱平均耗散率和粘度。在这项工作中，我们研究的拉格朗日时间相关的速度和压力梯度的绝对值。我们探索适当的时间尺度，目的是实现崩溃的关联函数。本研究中使用的数据是从网络服务可访问的公共湍流数据库（http：//www.example.com）中采样的。turbulence.pha.jhu.edu该数据库存档了泰勒尺度雷诺数为433的强迫各向同性湍流的伪谱直接数值模拟，并支持数据库内部的空间微分和空间/时间插值。分析表明，绝对值的自相关的时间演变不是由当地的Kolmogorov时间尺度，而是由当地的涡旋翻转时间尺度。然而，相当大的散射仍然存在，并且似乎只有在引入$(r/L)^χ$形式的进一步（不均匀性）校正因子后才减少，其中$L$是湍流积分尺度。指数$χ$因变量而异。然而，对于绝对值的关联函数的崩溃不如对于更快速衰减的应变率张量元素关联函数观察到的崩溃令人满意。
2009-12-17 physics.comp-ph physics.flu-dyn
On self-similarity properties of isotropic turbulence in numerical simulations of the compressible Euler equations
我们提出了数值计算的参数$C_ν$，$C_ε$和$C_κ$与常见的封闭湍流的产生，耗散和扩散。在均匀和各向同性湍流的情况下，这些参数预计是统计尺度不变的惯性子范围内。为了仔细研究这个猜想，我们利用了一个概括的Germano过滤形式主义，这是适用于可压缩流以及。对马赫数在$\sim 0.1...1$范围内的强迫各向同性湍流进行三维直接数值模拟，然后对这些数据进行滤波，得到与不同长度尺度有关的闭合参数值。结果表明，尽管在我们的模拟中$432^{3}$网格单元的分辨率不足以清楚地建立标度不变性，但闭合参数对于亚音速或中等跨音速流动几乎是通用的。此外，人们发现，一个动力学普朗特数约为1的梯度扩散封闭的习惯假设是有缺陷的，由于湍流通量和湍流能量的梯度之间的错位。然而，声音的相关性可以实现，如果通量的大小，而不是通量矢量是局部匹配。这一结论对基于湍流能量方程的亚网格尺度模式族特别有用。此外，还用动力学方法计算了生成参数$C_ν$.因此，验证了与具有恒定$C_ν$的涡粘性闭合相比，模型化和明确评估的湍流应力之间的优越一致性。
2004-06-04 astro-ph physics.flu-dyn
Demonstration of the rotational viscosity transfer across scales in Navier-Stokes turbulence
本研究扩展了自旋角动量守恒的Navier-Stokes方程，通过二维自由衰减湍流的谱分析，验证了旋转粘性能够将小尺度结构向大尺度转移，揭示了Navier-Stokes湍流中秩序跨尺度传播的新机制。
2025-07-30 math-ph math.MP physics.class-ph
Stochastic receptivity analysis of boundary layer flow
本文利用外力线性化的纳维-斯托克斯方程研究了转捩前边界层对持续随机激励源的感受性。随机强迫是用来模拟自由流湍流的影响，进入在不同的壁正常的位置和波动动力学进行了研究，通过线性化模型，从本地平行和全球的角度来看。与广泛使用的预解式分析，量化的放大确定性干扰在给定的时间频率，我们的方法研究的稳态响应随机激励是不相关的时间。除了随机强迫与身份协方差，我们利用均匀各向同性湍流的空间谱模型的自由流湍流的影响。即使局部并行分析不占空间不断变化的基流的效果，我们证明，它捕获的基本机制和占主导地位的长度尺度在随机强迫边界层流。另一方面，全球分析，占空间演变性质的边界层流，预测放大的级联流向尺度整个流向域。我们表明，可以从模态分解的速度协方差矩阵中提取的流结构，可以密切捕获进行本地并行分析在不同的流向位置和不同的壁平行波数对。我们的方法不依赖于昂贵的随机模拟，它提供了洞察扰动增长的机制，包括缓慢变化的基流与条纹和Tollmien-Schlichting波的相互作用。
2019-06-03 math.AP math.DS physics.flu-dyn
Universal constants and equations of turbulent motion
在1926年普朗特猜想的精神，湍流在高雷诺数，我们提出了一个类比与气体的动力学理论，与偶极子制成的准刚性和'打扮'涡流管作为无摩擦，不可压缩，但可变形的准粒子。它们的运动受局部应用的Helmholtz基本涡旋规则支配。接触相互作用或“碰撞”导致轨迹的随机散射或导致形成两个同样旋转的、基本上不稳定的漩涡，形成围绕其几乎静止的质心缓慢旋转的耗散片。该方法预测冯卡门常数为1/sqrt（2 pi）= 0.399，含能时间和长度尺度的时空动力学控制湍流混合[Baumert 2009]。到目前为止，与湍流光谱的联系还没有找到。本文表明，如果耗散斑块从两个同样旋转的涡旋开始，局部地演变成Herrmann [1990]意义上的空间填充轴承，即演变成“阿波罗齿轮”，则上述随机涡旋偶极运动的图像与Kolmogorov湍流谱是相容的。它的部件和零件是不可压缩的和柔性变形的涡管，除了零尺寸的耗散尺度外，是无摩擦的。对于稳定和局部均匀条件，我们的方法预测三维欧拉波数谱中的无量纲前因子为[（4 pi）^2/3]/3 = 1.8，拉格朗日频谱中的无量纲前因子为2。我们的推导依赖于几何学、多粒子物理学的方法和基本守恒定律。
2011-09-28 math-ph math.MP nlin.CD
Exact coherent structures as building blocks of turbulence on large domains
School of Mathematics and Maxwell Institute for Mathematical Sciences, University of Edinburgh（爱丁堡大学数学学院与麦克斯韦数学科学研究所）
研究通过小域解的空间铺砌，揭示了湍流中精确相干结构作为构建块的作用，并展示了如何通过优化方法识别动态相关的湍流轨迹。
2026-01-29 nlin.CD nlin.PS physics.flu-dyn
Connecting the time evolution of the turbulence interface to coherent structures
湍流/非湍流界面（TNTIs）的表面积通过拉伸和曲率/传播效应不断产生和破坏。在这里，负责TNTI面积的增长和破坏的机制进行了研究，在湍流与不稳定分层通过时间演化方程的TNTI面积。我们表明，这两个条款有广泛的分布，并可能在当地有助于生产或销毁。然而，平均而言，面积增长是由拉伸驱动的，这与曲率/传播项的破坏大致平衡。为了研究不同长度尺度对这些过程的贡献，我们对数据进行了空间滤波。在这样做时，我们发现，拉伸和曲率/传播项的平均值在TNTI皱纹的空间尺度上平衡，这种尺度平衡与附近相干涡旋的尺度不变性相一致。通过条件分析，我们表明，TNTI区生产（破坏）定位在前（李）边缘的旋涡结构在接口附近。最后，我们表明，虽然基本的机制保持不变，增加分层降低TNTI表面积的生产率，以及销毁。我们提供的证据表明，这种减少在很大程度上是连接到多尺度几何的界面，这往往是在所有的有效长度尺度的TNTI在壁法线方向变平的变化。
2020-05-25 math.DS physics.flu-dyn
On the exact solutions of (magneto)hydrodynamic systems and the superposition principles of nonlinear helical waves
本文用统一意义上的螺旋表象系统地阐述了几种流体力学模型的任意振幅圆偏振波的限制叠加原理。结果表明，只有单波长同手征Beltrami模和一维二分量分层涡模（我们称之为XYz流/波）满足任意振幅叠加以消除一般非线性的一般模式;同时，对于某些特定情况，还有其他特殊的叠加原理。我们试图评论与地球和/或天体物理流体和磁流体动力学湍流问题的可能联系，如旋转湍流，发电机和太阳大气湍流，特别是与引入局部冻结在一些（随机分布）时空区域的无序。最近关于霍尔和完全双流体磁流体力学的精确解的分歧也解决了这样的治疗。这项工作的补充，通过研究模式，完全杀死三元相互作用或非线性，以前的研究热化纯粹从三元相互作用，反过来又提供了替代的视角的非线性。
2014-07-31 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
