Forward and backward in time dispersion of fluid and inertial particles in isotropic turbulence
本文从理论和数值两方面研究了各向同性湍流中流体和惯性粒子对的时间向前（FIT）和时间向后（BIT）色散。已知流体粒子在三维湍流中比FIT更快地分离BIT，并且我们发现惯性粒子也是如此。然而，我们发现，在惯性粒子分散的不可逆性是在一般情况下比流体粒子强得多。例如，BIT与FIT均方间隔的比率对于惯性颗粒可以比对于流体颗粒大高达一个数量级。我们还发现，对于惯性粒子和流体粒子的不可逆性变得更强的规模，他们的分离减少。关于不可逆性的物理机制，我们认为，而流体粒子对分散的不可逆性可以理解的方向偏差所产生的能量转移过程中的湍流，惯性粒子的经验产生的不可逆性的额外来源的非本地贡献，其速度动力学，贡献消失在极限${St\to0}$，其中$St$是粒子斯托克斯数。对于每个给定的初始（最终，在时间向后的情况下）分离$\bm{r}^0$，存在分散不可逆性最强的最佳值$St$，因为这样的颗粒最佳地受到两种不可逆性源的影响。我们推导出分析表达式的位，均方分离的惯性粒子和比较的预测…
2015-07-22 physics.flu-dyn
Irreversibility-inversions in 2 dimensional turbulence
在本文中，我们考虑了最近的理论预测（布拉格\emph{et al.}，物理流体\textbf{28}，013305（2016）），对于2D湍流中的惯性粒子，当粒子惯性超过一定值时，粒子对色散的不可逆性的性质反转。特别地，当粒子斯托克斯数${\rm St}$低于某个值时，时间向前（FIT）色散应该比时间向后（BIT）色散快，但是对于高于该值的${\rm St}$，这应该反转，使得BIT变得比FIT色散快。这种非平凡的行为是由于两种物理上不同的不可逆性机制之间的竞争而产生的，这两种机制在${\rm St}$的不同状态下运行。在3D湍流中，这两种机制的作用是产生比FIT色散更快的BIT，但在2D湍流中，这两种机制具有相反的效果，因为能量通量从小尺度到大尺度。我们通过在短时间内推导出该效应的定量预测，补充了Bragg \emph{et al.}（Phys. Fluids \textbf{28}，013305（2016））给出的定性论证。我们确认的理论预测使用的结果，惯性粒子分散在一个直接的数值模拟的二维湍流。该分析的一个更普遍的发现是，在具有反向能量通量的湍流中，惯性粒子可能由于其非局部的时间动态而表现出动能的净下尺度通量。
2017-09-26 physics.flu-dyn
Dispersion of air bubbles in isotropic turbulence
气泡在许多自然和工业流动中的化学物质和营养物质的运输中起着重要作用。它们的分散对于理解这些流动中的混合过程至关重要。在这里，我们报告的分散毫米气泡在均匀和各向同性湍流雷诺数$\text{Re}_λ$从$110$到$310$。我们发现，在湍流中的气泡的均方位移（MSD）远远超过流体示踪剂。MSD显示了两种制度。在短时间内，它以弹道方式生长（$\propto τ^2$），而在更长时间内，它接近MSD $\propto τ$的扩散状态。引人注目的是，气泡从弹道向扩散的转变比流体早十年。我们发现，增强的分散和早期过渡到扩散制度可以追溯到非定常唤醒诱导运动的气泡。此外，气泡的扩散转变不是由湍流的积分时间尺度设定的（如对于流体示踪剂和微气泡那样），而是由上升气泡的涡流交叉的时间尺度设定的。目前的研究结果提供了一个拉格朗日的角度来理解混合湍流泡状流。
2018-06-30 physics.flu-dyn
Lagrangian dispersion in experimental stratified turbulence
Laboratoire des Ecoulements Geophysiques et Industriels (LEGI), Universite Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble-INP（地球物理和工业流动实验室）；Imperial College London（伦敦帝国理工学院）；Laboratoire de Mécanique et ses Interfaces, ENSTA Paris, Institut Polytechnique de Paris（力学及其界面实验室）
通过高浮力雷诺数和低弗劳德数的大规模实验，测量分层湍流中示踪粒子的拉格朗日弥散，发现垂直弥散受浮力尺度约束，速度谱呈1/f³衰减，小尺度呈现强非高斯统计。
2026-06-11 physics.flu-dyn
Dispersion and clustering of deformable droplets in turbulence
University of Washington（华盛顿大学）
本研究以航空喷雾燃烧为背景，采用HIT框架结合LPT方法，探究不同斯托克斯数液滴变形对湍流中分散与聚类的影响，发现变形影响依惯性 regime 变化，需考虑非稳态形状振荡以准确预测相关特性。
2026-08-14 physics.flu-dyn
Statistics of particle dispersion in Direct Numerical Simulations of wall-bounded turbulence: results of an international collaborative benchmark test
在本文中，一个国际合作的测试情况下，相对于生产的直接数值模拟和拉格朗日粒子跟踪数据库的湍流颗粒扩散在低雷诺数的通道流的结果。本测试用例的目的是建立一个均匀的数据源，与壁边界湍流中颗粒弥散的一般问题相关。不同的数值方法和计算程序已被用来模拟颗粒负载的流动和计算已经进行了足够长的时间，以实现一个稳定的条件下的颗粒分布。在这样的固定制度，一个全面的数据库，包括后处理的统计数据和原始数据的流体和颗粒已经获得。完整的数据集可从网站http://cfd.cineca.it/cfd/repository/下载。在本文中，最相关的速度统计（两个阶段）和颗粒分布统计进行了讨论和基准不同的数值预测之间的直接比较。
2008-01-15 physics.flu-dyn
Lagrangian pair dispersion in upper-ocean turbulence in the presence of mixed-layer instabilities
海洋上层亚中尺度（尺度小于形变半径）的湍流对海洋与大气的热交换和海洋地球化学起着重要作用。其动力学应强烈依赖于季节循环和相关的混合层不稳定性。后者在冬季尤其重要，并且负责形成覆盖混合层整个深度的充满活力的小尺度。然而，对于了解海洋表面和内部动力学之间的耦合至关重要的海洋深处流动的输运特性的知识仍然有限。通过数值模拟，研究了考虑温跃层和混合层不稳定性的准地转模式系统中湍流的拉格朗日频散特性。结果表明，当混合层不稳定性存在时，分散制度是本地从表面到深度可比的界面与温跃层，而在他们的情况下，分散迅速成为非本地与深度。然后，我们确定了这种行为的起源，由于混合层不稳定性的存在下的精细尺度充满活力的结构。我们进一步讨论了垂直剪切对拉格朗日粒子扩散的影响，并讨论了表面和深度处的色散特性之间的相关性，这与评估从更容易到达的表面推断更深流动的动力学特征的可能性有关。
2021-02-04 physics.flu-dyn
Uncovering the multifractality of Lagrangian pair dispersion in shock-dominated turbulence
通过DNS研究随机强迫二维Burgers方程中的拉格朗日对扩散，发现粒子被困激波导致统计异于不可压缩湍流，提出推广的多重分形模型预测逃逸时间标度，与DNS吻合。
2023-11-12 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Wave turbulence in shallow water models
我们研究波浪湍流在浅水流动中的数值模拟使用两种不同的近似：浅水模型，和Boussinesq模型与弱色散。两种模型的方程均使用周期网格求解，网格最多包含$2048^2$点。在所有模拟中，弗劳德数在$0.015$和$0.05$之间变化，而雷诺数和弥散水平在更宽的范围内变化以跨越不同的区域。在所有情况下，系统中的大部分能量都保留在波中，即使在系统积分很长时间之后也是如此。对于浅水流，非线性波是非色散的，势能谱与$\sim k^{-2}$标度是相容的。对于较深的（Boussinesq）流动，从波和频谱（独立计算）直接测量的非线性色散关系显示出色散的特征，势能谱与弱湍流理论$\sim k^{-4/3}$的预测一致。在后一种情况下，非线性色散关系不同于线性色散关系，它有两个分支，我们用一个简单的定性论证来解释。最后，我们研究了表面高度的概率密度函数，发现在所有情况下，分布是不对称的。概率密度函数可以近似为偏态正态分布以及泰芬分布。
2014-06-13 physics.flu-dyn
Neural stochastic differential equations for particle dispersion in large-eddy simulations of homogeneous isotropic turbulence
本文提出耦合大涡模拟的神经随机微分方程，用神经网络建模颗粒所见流体速度的漂移与扩散项，显著提升不同惯性颗粒脉动动能和速度方差的预测精度。
2022-08-17 physics.flu-dyn
Multi-particle dispersion in fully developed turbulence
通过对三维均匀各向同性湍流的高分辨率直接数值模拟，研究了四粒子（四面体）分散拉格朗日集团的统计几何。我们给出了第一个证据的自相似制度的形状动力学的特点是几乎二维的，强烈拉长的几何形状。四点速度差的统计和方向的分析表明，惯性范围内的涡旋通常产生一个应变场与一个强的拉伸组件与伸长方向和弱的拉伸/压缩组件在正交平面对齐。
2005-03-31 nlin.CD physics.flu-dyn
Extreme events in the dispersions of two neighboring particles under the influence of fluid turbulence
本文对雷诺数Re \simeq 300时，三维不可压均匀各向同性湍流中点源的两粒子弥散进行了数值研究。示踪粒子从小于柯尔莫哥洛夫尺度的局部源中成束发射。我们报告的第一个定量的证据，支持一个前所未有的统计数据，从理查森的图片相对分散的偏差。偏差是由于极端事件的对分离速度比平均速度快得多，对保持密切的时间长。这两类事件是完全不同的物理学的指纹，前者由惯性子区和大尺度波动主导，而后者由耗散子区主导。代理白色的时间速度场的相对分离的比较，正确的粘性，惯性和积分尺度的属性，使我们能够评估的重要性，时间相关性沿示踪剂轨迹。
2012-05-21 nlin.CD physics.flu-dyn
Acoustic turbulence: from the Zakharov-Sagdeev spectra to the Kadomtsev-Petviashvili spectrum
本文综述了三维声学湍流研究，通过直接数值模拟证实了弱非线性下的Zakharov-Sagdeev谱（k^{-3/2}）与强非线性下的Kadomtsev-Petviashvili谱（k^{-2}），揭示了色散与非线性效应在湍流转变中的关键作用。
2025-04-25 physics.flu-dyn
Time persistency of floating particle clusters in free-surface turbulence
本文研究了湍流明渠中无剪切平面上漂浮的光的光的色散。这种配置模拟了当表面波浪和波纹平滑或不存在时水体中浮力物质（例如浮游植物、污染物或营养物）的运动。考虑不同的剪切雷诺数（Reτ = 171和509）和Stokes数（粘性单位为0.06 < St < 1），采用拉格朗日粒子追踪法对湍流进行了直接数值模拟。结果表明，颗粒浮力诱导集群，朝着一个长期的分形分布的时间比拉格朗日积分流体时间尺度长得多，这表明，这样的集群过的表面湍流结构，产生它们。我们量化集群动态，在自由表面流湍流建模时的分散至关重要，通过集群关联维数的时间演变。
2013-05-31 physics.flu-dyn
Single particle Lagrangian dispersion in Bolgiano turbulence
本文研究了二维湍流对流中Bolgiano-Obukhov区的单颗粒弥散。与显示经典K41现象的流中的色散不同，这里，对拉格朗日速度波动的主要贡献由最大的涡给出。这意味着对于时间间隔$t$中的典型速度波动，时间上的线性行为。局部涡（即具有$t$阶的特征时间）对拉格朗日速度波动的贡献，其空间/时间标度由Bolgiano-Obukhov理论决定，因此标准拉格朗日统计观测量无法检测到。为了解开的贡献所产生的大涡从本地涡，一个策略的基础上退出时间统计已成功地利用。因此，博尔基亚对流中的拉格朗日速度增量提供了一个与\emph{more than smooth}波动信号相关的物理示例。
2006-10-25 nlin.CD physics.flu-dyn
Intermittency and non-universality of pair dispersion in isothermal compressible turbulence
University of Oxford（牛津大学）；Indian Institute of Science（印度科学学院）；KTH Royal Institute of Technology（瑞典皇家理工学院）；Stockholm University（斯德哥尔摩大学）
研究等温可压缩湍流中偶极子散射的间歇性和非普遍性，发现倍增时间标度指数依赖马赫数和多分形模型，而减半时间标度指数则普遍且独立于搅拌性质。
2026-02-12 physics.flu-dyn
RANS solver for microscale pollution dispersion problems in areas with vegetation: Development and validation
我们提出了一个有限体积求解器的描述和验证，旨在解决微尺度城市流动的问题，植被存在。求解器基于大气边界层流动的五方程组的平均纳维-斯托克斯方程，并由k-ε湍流模型补充。植被被模拟为多孔区，植被的影响包括在动量和湍流方程。一个详细的干沉降模型被纳入污染物传输方程，允许城市植被的过滤性能的调查。求解器验证四个测试用例，以评估模型的组成部分：周围的二维山丘的流量和污染物扩散，上升的热气泡的时间演变，通过和周围的森林树冠层的流量，和一个绿篱过滤颗粒负载流。一般良好的协议与测量值或以前计算的数值解观察，虽然模型的一些不足之处被确定。这与所选择的湍流模型和植被特性的不确定性有关。
2016-09-12 physics.flu-dyn
Pair dispersion in inhomogeneous turbulent thermal convection
由于大尺度流动的不均匀性和温度的影响，热对流中的湍流小尺度结构仍然是一个活跃的研究领域，特别是考虑到复杂的拉格朗日统计。在这里，我们实验研究拉格朗日对色散（拉格朗日湍流的典型问题之一）在瑞利-贝纳德对流单体。在水平流体层上施加足够高的温差以观察湍流。我们进行拉格朗日跟踪的亚毫米粒子上的一个大的测量体积，包括大尺度环流（LSC）揭示了一些大的不均匀性的一部分。我们的研究为我们对湍流热对流的理解带来了一些新的见解：（i）通过将粒子拉格朗日动力学分解为LSC贡献和湍流涨落，我们突出了这两种贡献对色散的相对影响;（ii）使用相同的分解，我们从对统计估计欧拉二阶速度结构函数，并表明在去除LSC贡献后，其余的统计数据恢复通常的均匀和各向同性的行为，这是由当地的能量耗散率，以区别于传统的全球耗散率，以消除湍流热对流;和（iii）我们重温超扩散的Richardson-Obukhov制度的粒子分散，并提出了一个完善的估计的Richardson常数。
2019-07-01 physics.flu-dyn
Particle and particle pair dispersion in turbulence modeled with spatially and temporally correlated stochastic processes
本文提出了一个新的模型，用于模拟均匀各向同性湍流中颗粒的扩散和相对弥散。我们使用一个海森堡一样的哈密顿量，将流体粒子之间的空间相关性，这是由时间相关的随机过程建模。我们能够再现弹道制度的单粒子的均方位移和过渡到正常的扩散制度很长一段时间。对于粒子对的分散，我们发现一个$t^{2}$ -依赖的均方分离在短时间内和一个$t$ -依赖的长期的。对于中间时间，在某些情况下观察到Richardson $t^{3}$定律的指示。最后研究了实际粒子的惯性对色散的影响。
2012-08-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Effects of Reynolds Number and Stokes Number on Particle-pair Relative Velocity in Isotropic Turbulence: A Systematic Experimental Study
在一种新型的均质各向同性湍流室内，利用新近发展的平面四帧粒子跟踪技术，系统地研究了雷诺数和斯托克斯数对粒子对相对速度（RV）的影响。
2017-11-06 physics.flu-dyn
The Diffusion Approximation in Turbulent Two-Particle Dispersion
我们解决了流体粒子对统计的逆问题：我们表明，时间序列的概率密度函数（PDF）的分离可以精确地再现通过求解扩散方程与适当的时间依赖性扩散。扩散率张量由条件拉格朗日速度结构函数的时间积分给出，由PDF的比率加权。流体动力学湍流的物理假设（扫描，短记忆，平均场）产生更简单的积分公式，包括一个Kraichnan和Lundgren。我们评估后者使用时空数据库从数值Navier-Stokes解驱动湍流。这种扩散理论再现PDF的以及在均方根分离，但增长率的均方色散是高估由于忽略了记忆效应。更一般的应用，我们的方法勾勒。
2013-06-27 physics.flu-dyn
Developments and difficulties in predicting the relative velocities of inertial particles at the small-scales of turbulence
在本文中，我们使用我们最近开发的湍流中惯性粒子的时间向后（BIT）相对分散理论（Bragg \emph{et al.}，Phys. Fluids 28，013305，2016）来开发Pan \& Padoan（J. Fluid Mech. 661 73，2010）的各向同性湍流中惯性粒子相对速度的理论模型。我们专注于最困难的政权建模，耗散范围，并发现修改后的Pan \& Padoan模型（使用BIT色散理论）可以导致显着改善预测的相对速度相比，直接数值模拟（DNS）的数据。然而，当颗粒分离距离$r$小于柯尔莫哥洛夫长度尺度$η$时，修改后的模型过度预测DNS数据。我们解释了这些overpredictions如何产生从两个假设在BIT分散理论，一般不满意时，BIT分散颗粒的最终分离是$<η$。然后，我们证明了失败的原始和修改版本的Pan \& Padoan模型预测正确的尺度不变形式的惯性粒子的相对速度结构功能的耗散制度。它示出了这种失败，这也是目前在其他模型中，是如何与我们目前无法正确地预测不仅定量，而且定性行为的径向分布函数的耗散范围时，$St=\mathcal{O}(1)$
2016-09-13 physics.flu-dyn
Observation of nonlinear dispersion relation and spatial statistics of wave turbulence on the surface of a fluid
本文报道了流体表面重力-毛细波湍流的实验研究。使用光学方法在时间和空间上同时测量波的振幅。完整的时空功率谱表明，波能量在波矢频率空间中的几个分支上是局域化的。分支的数量取决于波内注入的功率。测量的非线性色散关系被发现是很好地描述了一个法律，这表明参与波湍流的能量传递机制不仅限于纯粹的共振之间的相互作用非线性波。的幂律缩放的空间谱和概率分布的波振幅在一个给定的波数也进行了测量和比较的理论预测。
2010-09-06 cond-mat.other nlin.CD physics.class-ph
Chaotic and turbulent dispersion of heavy inertial particles
利用有效扩散率和分布混沌的概念，研究了被动重惯性粒子在具有Ekman阻力的均匀二维湍流中的混沌和湍流弥散。最近的直接数值模拟的结果已被用于这一目的。本文还简要地讨论了斯托克斯数对这些概念在被动重惯性粒子弥散中的适用性的影响。
2019-05-29 physics.flu-dyn
Clustering of Rapidly Settling, Low-Inertia Particle Pairs in Isotropic Turbulence. I. Drift and Diffusion Flux Closures
在这两个部分的研究中，我们提出了一个随机理论的发展和分析表征的相对位置的单分散，低惯性粒子对，迅速解决均匀各向同性湍流。在小Stokes数和Froude数使得$Fr \ll St_η\ll 1$的限制下，给出了对相对位置的概率密度函数（PDF）方程中漂移通量和扩散通量的封闭式.该理论着重于湍流耗散区中颗粒对的相对运动，即，对于小于柯尔莫哥洛夫长度尺度的对分离。在这种情况下，理论近似的流体速度场在参考系以下的主要粒子作为局部线性。
2018-08-15 physics.flu-dyn
Multi-particle Lagrangian statistics in homogeneous rotating turbulence
地球物理流动通常是湍流，并受到旋转。这种旋转改变了湍流的结构，因此预计会明显影响其拉格朗日性质。在这里，我们调查的相对色散和几何的对，三元组和四元组在均匀旋转湍流，通过使用直接数值模拟在不同的旋转速率。对分散被证明是在垂直方向上（沿旋转轴）比在水平方向上更快。在很长的时间内，在泰勒状态下，这是由于与水平速度分量相比，垂直速度分量的去相关较慢。在短时间内，在弹道制度，这一结果可以通过考虑对不同的方向在释放时间来解释，是欧拉二阶函数的各向异性的签名。旋转也增强了在均匀和各向同性湍流中也存在的三元组和四元组的畸变。特别是，在长时间内，四分体的扁平化随着旋转速率的增加而增加。的最大尺寸的三分体和四分体示出优先与旋转轴对齐，与我们的观察对。
2023-02-24 physics.flu-dyn
Do Sweeping Effects Suppress Particle Dispersion in Synthetic Turbulence?
Thomson & Devenish（TD）（2005）批评了欧拉湍流的合成模型，如所谓的“运动学模拟”（KS），他们认为在这种模型中，广泛的去相关效应抑制了对色散。我们推导了平均速度为零的情况下，由高斯随机场模拟的欧拉湍流的解析结果。我们的出发点是一个精确的积分微分方程的粒子对分离分布。当粒子位置的记忆时间很短时，马尔可夫近似导致Richardson型扩散模型。我们得到了一个形式为$K_{ij}(r,t)=S_{ij}(r)τ(r,t)$的扩散系数张量，其中$S_{ij}(r)$是结构-功能张量，$τ(r,t)$是速度增量的有效关联时间。这被发现是三个时间的最小值：分离时的固有周转时间$τ_{eddy}(r)$ $r$，总演化时间$t,$和扫描时间$r/v_0$，其中$v_0$为均方根速度。我们用蒙特卡罗方法对扩散模型进行了数值研究。与温和的惯性范围，如在当前KS中实现的，我们的模型被发现重现$t^{9/2}$幂律对TD预测和KS中观察到的色散。然而，对于更长的范围内，我们的模型表现出三个不同的对色散规律的惯性范围内：一个Batchelor $t^2$制度，其次是$t^1$扩散制度，然后$t^6$制度。最后，在惯性范围之外，还有另一个$t^1$区域，粒子经历独立的泰勒扩散。这些缩放是完全相同的TD预测KS与大的平均速度，我们认为也为KS与零平均速度。我们的研究结果支持的基本结论，…
2012-08-16 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Particle-Pair Relative Velocity Measurement in High-Reynolds-Number Homogeneous and Isotropic Turbulence Using 4-Frame Particle Tracking Velocimetry
湍流中悬浮颗粒间的径向相对速度对液滴的碰撞和长大起着关键作用。我们提出了一种简单而准确的方法，RV测量在各向同性湍流平面4帧粒子跟踪测速仪-使用常规PIV硬件。本研究证明了使用常规硬件精确测量RV的可行性，并首次通过实验验证了路径历史和惯性过滤对大颗粒分离时颗粒对RV的影响。
2017-12-20 physics.flu-dyn
Taylor dispersion in two-dimensional bacterial turbulence
通过对拉格朗日方程进行数值积分，反演了细菌湍流的虚拟拉格朗日轨迹，并对细菌湍流的单颗粒扩散进行了分析。高阶位移函数的情况下，计算和没有平均速度的影响。通过实验确定了短期和长期演化的两种状态幂律行为，并通过拉格朗日积分时间将其分开。对于平均速度效应的情况，实验Hurst数分别为$0.94$和$0.97$。对于没有平均速度效应的情况，数值为$0.88$和$0.58$。此外，检测到非常弱的双折射校正。所测得的Hurst数均在正常扩散值$1/2$以上，证实了活体流体的超扩散行为。这种行为增加了细菌获得食物的效率。
2018-09-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Are Lagrangian stochastic models at odds with statistical theories of relative dispersion?
在一篇关于湍流相对弥散的统计建模的文章中，Franzese & Cassiani（2007，第402页）对拉格朗日随机模型进行了评论，并报告了对湍流弥散的统计和随机建模之间一致性的一些担忧。在这篇简短的文章中，对这两种方法进行了比较。就模型对湍流常数的依赖性而言，这两种理论方法是完全一致的，排除了一切可能的顾虑。
2013-07-06 physics.flu-dyn
Three-Dimensional Acoustic Turbulence: Weak Versus Strong
本文通过直接数值模拟研究了三维声学湍流的弱与强regime，发现在弱湍流中存在Zakharov-Sagdeev谱及窄锥形射流，而在强非线性下则转变为具有Kadomtsev-Petviashvili谱的随机激波系综。
2024-07-11 nlin.CD physics.flu-dyn physics.geo-ph
Two-time Lagrangian velocity correlation function for particle pairs in two-dimensional inverse energy-cascade turbulence
本文数值研究了二维能量反级联湍流中粒子对的两次拉格朗日速度关联函数。我们利用不完全相似性来考虑关联函数的自相似性。在这个框架下，我们提出了一个自相似形式的关联函数，其标度指数不能确定，仅仅使用基于Kolmogorov的唯象的维数分析。结果，关联函数的标度律可以依赖于初始分离。这种初始分离依赖性经常在实验室实验和直接数值模拟中观察到的相对色散，这是直接相关的关联函数，在中等雷诺数。通过对二维能量逆叶栅湍流的直接数值模拟，我们对自相似形式进行了数值验证。所涉及的标度指数和有限雷诺数效应的依赖关系是根据经验确定的。然后，我们考虑了关联函数的标度律对相对色散的影响，即Richardson-Obukhov $t^3$律。我们的结果表明，在无限雷诺数下，Richardson-Obukhov $t^3$定律可能无法恢复。
2022-07-05 physics.flu-dyn
Reynolds number dependence of Lagrangian dispersion in direct numerical simulations of anisotropic magnetohydrodynamic turbulence
大尺度磁场穿过行星际和星际介质、恒星内部和其他天体物理等离子体的导电物质，产生具有高雷诺数湍流区域的各向异性流。通常遇到由强度近似等于均方根磁波动的磁场构成的湍流。在这项工作中，直接数值模拟的各向异性磁流体动力学（MHD）湍流的影响，这样的磁场进行了一系列的情况下，具有相同的分辨率，并增加网格尺寸高达$2048^3$。结果是一系列雷诺数从1，400到21，000的非常相似的模拟。我们从拉格朗日的观点，通过跟踪流体粒子和计算单粒子和双粒子统计来研究雷诺数的影响。讨论了这些统计量中Alfvénic涨落和基本各向异性对MHD湍流的影响。单粒子扩散曲线表现出温和的superdiffusive行为，不同的方向对齐的磁场和方向垂直于它。竞争对齐过程影响的分散的粒子对，特别是在开始的惯性子范围的时间尺度。可以观察到，雷诺数越大，惯性子区中的相对弥散越明显，其比例比Richardson预测的要陡。
2022-05-13 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.comp-ph
The $Re$-number dependence of the longitudinal dispersion in a turbulent channel flow
在泰勒理论中，在长时间尺度上，湍流管流中的纵向弥散接近于具有恒定扩散率$K_L$的扩散行为，其取决于雷诺数$Re$的\emph{empirically}。我们表明，依赖于$Re$可以确定从湍流能谱。利用壁面湍流中摩擦因子与纵向弥散之间的密切联系，我们预测了二维湍流中不同湍流级联下$K_L(Re)$的不同渐近标度律。我们还探讨了数值计算的$K_L(Re)$依赖于光滑和粗糙壁面的湍流槽道流动使用格子玻尔兹曼方法。
2016-02-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Lagrangian studies in convective turbulence
我们提出了高分辨率的直接数值模拟湍流三维瑞利-贝纳德对流的拉格朗日性质的流动的重点。该体积是一个笛卡尔板，纵横比为4，由顶部和底部的自由滑动平面和周期性的侧壁界定。湍流在垂直方向上是不均匀的。这体现在不同的横向和垂直的两个粒子的分散和分散的初始示踪剂的位置上的短期和中期的依赖性。类似于均匀各向同性湍流，色散特性取决于另外的初始对分离，并产生一个短程Richardson样的缩放制度的初始分离接近Kolmogorov耗散长度的两粒子色散。Richardson常数大约是均匀各向同性湍流值的一半。多粒子统计非常接近均匀各向同性的情况。四个拉格朗日示踪剂的集群显示出明显的趋势，形成平坦的，几乎共面的对象在长时间限制和偏离高斯预测。已经采取了重大的努力，以解决正确的四阶加速度分量的统计。我们发现，垂直加速度比横向的间歇性少。垂直加速度与当地对流和传导热通量的联合统计表明，上升和下降的热羽流与最大的加速度幅度无关。事实证明，在拉格朗日框架中计算的努塞尔数在时间上缓慢地收敛到标准欧拉数。
2009-05-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Relative dispersion and eddy diffusivity in laboratory experiments of $β$-plane turbulence
University of St Andrews（圣安德鲁斯大学）；University of Glasgow（格拉斯哥大学）；Aix Marseille Univ, CNRS, Centrale Med, IRPHE（艾克斯-马赛大学、法国国家科学研究中心、中央马赛学院、IRPHE）；Department of Geosciences, University of Oslo（奥斯陆大学地球科学系）
该研究给出纬向地转流态下快速旋转湍流中相对扩散和湍流扩散的首次实验测量，通过合成拉格朗日轨迹计算相关统计量，揭示了不同区域转变，还能据此测量湍能耗散率和湍流扩散率，测量结果与相关理论大致相符。
2026-07-14 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Universal alignment in turbulent pair dispersion
本研究揭示了湍流粒子对扩散中相对速度与位置向量间存在普适且尺度不变的对齐关系，其平均角度为湍流普适常数，该几何范式超越了经典Richardson理论，为理解输运与混合过程提供了新框架。
2023-06-22 physics.flu-dyn
Rotation Rate of Particle Pairs in Homogeneous Isotropic Turbulence
了解颗粒在湍流中的动力学在许多环境和工业应用中是重要的。本文对均匀各向同性湍流中颗粒对取向的统计特性进行了数值研究，泰勒微尺度雷诺数为300。结果表明，Kolmogorov标度不能准确地预测观测到的对旋转速率和高阶矩的概率密度函数（PDF）。因此，多重分形形式主义，以包括间歇性的行为，被忽略的柯尔莫哥洛夫图片。在给定的角速度下，对于小的相对分离，找到对的PDF揭示了具有拉伸尾部和高峰度值的极端事件。此外，PDF被发现是不那么间歇性的，并遵循互补的误差函数分布较大的分离。
2015-07-01 physics.flu-dyn
Turbulent pair separation due to multi scale stagnation point structure and its time asymmetry in two-dimensional turbulence
Goto和Vassilicos的对分离模型（S Goto和J C Vassilicos，2004，New J.Phys.，6，p.65）被重新访问，并放置在一个健全的数学基础。本文用一个具有逆能量级联和k^{-5/3}幂律的二维均匀各向同性湍流的直接数值模拟方法研究了二维湍流中电子对分离的性质。一个特别的焦点在于观察到的向前和向后分离之间的时间不对称性。本模型的应用，这一数据受到有限的惯性范围的影响，因此，有条件的平均尺度，而不是时间已被用来获得理查森常数和它们的比率的值。前向和后向情形的Richardson常数分别为（1.066 +/-0.020）和（0.999 +/-0.007）。因此，前后两种情况下的Richardson常数之比为g_b/g_f =（0.92 +/-0.03），因此表现出与三维湍流中的对分离不同的性质，其中g_b > g_f（J Berg et al.，2006，Phys.Rev.E，74（1），p.016304）。这表明，以前提出的解释这种时间不对称的应变张量特征值的基础上是不足以描述这种现象在二维湍流。我们提出了一个替代的定性解释的基础上的时间不对称性与反向与正向能量级联。在二维湍流中，这种不对称性表现在由于逆级联而产生的合并涡中，从而导致观察到的理查森常数比。
2009-01-08 physics.flu-dyn
Analysis of the forward and backward in time pair-separation PDFs for inertial particles in isotropic turbulence
本文利用理论和直接数值模拟（DNS）研究了各向同性湍流中惯性粒子对分离的时间向前（FIT）和时间向后（BIT）概率密度函数（PDF）。与我们早期的研究一致（Bragg等人，Phys. Fluids 28，013305（2016）），其中我们比较了FIT和BIT均方分离，我们发现惯性粒子分离BIT比FIT快得多，不可逆性的强度取决于粒子对的最终/初始分离及其斯托克斯数$St$。然而，我们也发现，不可逆性在完整PDF的行为中以微妙的方式出现，而在均方分离中则没有。在理论中，我们得到新的预测，包括预测的BIT/FIT PDF的${St\geq O(1)}$，并最终/初始分离的耗散制度。预测表明，在耗散范围内的粒子相对速度的焦散如何影响对分离PDF的缩放，导致PDF与代数衰减的尾巴。预测的PDF的功能行为是普遍的，因为它不依赖于底层湍流的不稳定性水平。我们还分析了流体粒子在短时间内的成对分离PDF，并使用多重分形形式主义来描述流体相对速度分布，构建理论预测。理论和数值结果都表明，小尺度下惯性粒子对色散的极端事件主要是由它们与湍流速度场的非局域相互作用所决定的，而不是由于湍流本身的强耗散范围不稳定性。
2017-08-14 physics.flu-dyn
Two-Particle Dispersion in Weakly Turbulent Thermal Convection
本文对Prandtl数在1附近的流体的Rayleigh-Bénard对流弱非线性区域中的粒子弥散进行了数值研究，其中存在理想的直对流卷和弱湍流之间的双稳定性，其形式为螺旋缺陷混沌.虽然拉格朗日对统计已成为一种常用的工具，研究充分发展的湍流在高雷诺数，我们表明，质量传输的关键特征也可以在对流系统中发现，没有或弱湍流。具体来说，在短时间内，我们发现理查森一样的$t^3$缩放对色散。我们解释我们的研究结果定量与模型，捕捉平流和扩散的相互作用。很长一段时间，我们观察到粒子的扩散式分散，它变得独立于单个粒子的随机运动。传播速率依赖于时空混沌的程度。
2015-11-20 nlin.PS physics.flu-dyn
Extreme vertical drafts as drivers of Lagrangian dispersion in stably stratified turbulent flows
本研究利用数值模拟探讨了极端垂直气流对稳定分层湍流中拉格朗日粒子对相对扩散的加速作用，并量化了其与经典Richardson标度的偏差，对大气海洋混合及污染物输运具有重要意义。
2025-09-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Richardson's pair diffusion and the stagnation point structure of turbulence
DNS和实验室实验表明，均质各向同性三维湍流中应变驻点的空间分布具有维数Ds = 2的分形结构。在运动学模拟中，Richardson定律中的时间指数γ与分形维数D_s之间的关系为γ = 6/D_s。理查森常数被发现是一个增加的函数的数量的应变滞止点的协议与对duffffeiring发生在突发时，对满足这些点在流动中。
2002-07-26 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Particle dispersion and clustering in surface ocean turbulence with ageostrophic dynamics
本文通过数值模拟研究非地转运动对表层海洋拉格朗日粒子对扩散与聚集的影响，发现非地转分量主要促成临时粒子聚集体且强度随Rossby数增大，粒子优先聚集于气旋性锋面区域。
2023-11-08 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Anomalous dispersion of Lagrangian particles in local regions of turbulent flows revealed by convex hull analysis
在湍流中出现的局部区域的异常粒子弥散和间歇性事件可以极大地影响流的全局统计描述。这些局部行为可以通过比较拉格朗日示踪粒子的相邻凸包的生长来识别和分析。虽然在我们对均匀湍流的模拟中，凸壳的大小通常会增加，但在定义凸壳的拉格朗日粒子开始分散之后，我们的分析揭示了拉格朗日粒子的凸壳收缩的短时间段，这表明粒子不是简单地分散的。收缩可能与各向异性流动有关，因为它最常发生在平均磁场或热对流存在的情况下。我们比较了广泛的统计均匀和固定的湍流，从均匀各向同性的Navier-Stokes湍流在不同配置的磁流体动力学湍流和Boussinesq对流之间的分散。
2014-08-25 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Chaotic Lagrangian models for turbulent relative dispersion
引入并讨论了确定性多尺度动力系统作为稳态、均匀和各向同性湍流中相对弥散的原型模型。与随机扩散模型不同，这里的轨迹传输和混合特性完全由拉格朗日混沌控制。异常的“清扫效果”，一个已知的缺点常见的运动学模拟，被删除由于使用准拉格朗日坐标。通过计算离散度标度特性的最佳度量--拉格朗日尺度李雅普诺夫指数（FSLE），精确地分析了模型的拉格朗日离散统计量。FSLE标度指数提供了一个严格的测试，以确定模型模拟是否与理论预期和/或观察一致。我们的数值实验的结果涵盖了广泛的“雷诺数”，并表明混沌确定性流可以是非常有效的，数值低成本，模型的湍流轨迹在静止，均匀和各向同性条件。该模型的数学计算相对简单，在地球物理方面，潜在的应用可能涉及大气环流模型、混合层和/或边界层湍流模型以及拉格朗日可预测性研究中的小尺度参数化问题。
2017-04-18 nlin.CD physics.flu-dyn
Nonequilibrium statistical mechanics for stationary turbulent dispersion
本文提出了一个从非平衡统计力学的角度研究湍流输运问题的统一框架。结合Krarichnan的湍流热化假设和Ruelle最近关于流体非平衡统计力学设置的工作，我们证明了粘性流体方程可以看作是受不同恒温器扰动的非正则Hamilton系统.这允许粘性流体和非平衡热传导模型之间的类比，其中傅立叶模式可以被视为“粒子”。在这个框架下，我们重新制定的拉格朗日粒子在湍流中的分散作为一个非平衡传输问题。我们还分别利用路径积分技术和Mori-Zwanzig方程导出了拉格朗日粒子的第一和第二广义涨落耗散关系。所得的理论结果可以用来预测一般非平衡状态下拉格朗日粒子的色散。
2021-06-14 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
On the role of initial velocities in pair dispersion in a microfluidic chaotic flow
混沌流驱动流体的混合和有效传输，以及我们从日常生活经验中熟悉的相关美丽复杂模式。从理论和工程的角度来看，在小尺度下产生这种流动是非常具有挑战性的。这可以通过引入极少量的长柔性聚合物来克服，从而产生称为\textit{elastic turbulence}的混沌流。其研究的理论框架的基础在于一个空间平滑和随机的时间速度场的假设。以前对弹性湍流的测量仅限于二维。使用一种新的三维粒子跟踪方法，我们进行了微流控实验，使我们能够探索弹性湍流的角度来看，颗粒随流动。我们的研究结果表明，平滑假设已经打破规模小于十分之一的系统大小。此外，我们提供了确凿的实验证据表明，\textit{ballistic}分离盛行的动力学对示踪剂在很长的时间和距离，表现出记忆的初始分离速度。弹道弥散具有普遍性，但在小尺度混沌流中却一直被忽视。
2017-10-06 nlin.CD physics.flu-dyn
Spatial and temporal distribution of stratospheric turbulence from global high-resolution radiosonde data
University of Hawai’i at Manoa（夏威夷大学马诺阿分校）
本文利用2014年10月至2025年12月全球370个站点的高分辨率探空数据，基于里奇蒙数方法估算平流层湍流扩散率，发现其广泛分布且受稳定但强剪切条件影响，识别出可能促进平流层气溶胶注入的局部最大值，并发现2015-2025年间扩散率显著增加。
2026-04-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Turbulence Generation by Shock Interaction with a Highly Non-Uniform Medium
初始平面激波在非均匀密度介质中传播时会受到扰动，导致激波后速度扰动的产生。利用数值模拟，我们研究了这种现象的情况下，高度非均匀密度（有序统一归一化方差，$σ_ρ/\overlineρ \sim 1$）和强冲击（冲击马赫数$\overline{M}_s \gtrsim 10$）。这导致了一个高度破碎的冲击和湍流后冲击流。我们模拟这种相互作用的冲击驱动器和初始密度配置的范围内，旨在模仿那些目前可能在实验中实现。理论上的考虑导致标度关系，这是合理的预测激波后的湍流特性。湍流速度色散和湍流马赫数被发现依赖于预激波密度色散和激波速度的方式与线性Richtymer-Meshkov不稳定性预测一致。我们还显示了依赖的湍流产生的密度扰动的规模。激波后的压力和密度，这可以大大减少相对于未扰动的情况下，被发现是合理的预测由一个简化的分析，把扩展的激波过渡区作为一个单一的正常冲击。
2022-05-31 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Full rotational dynamics of plastic microfibers in turbulence
本研究针对海洋中微塑料运动受旋转动力学调控的问题，对略大于Kolmogorov长度尺度的细长弯曲塑料微纤维开展光学拉格朗日实验，获得其自旋与翻滚速率的均匀数据并结合湍流特征解释，为微塑料输运研究提供支撑。
2024-08-01 physics.flu-dyn physics.geo-ph
CFD simulations of turbulent dust dispersion in the 20 L vessel using OpenFOAM
粉尘爆炸是影响处理颗粒固体的工业设施的最危险的事故之一。描述粉尘云的严重性参数是粉尘爆炸安全管理和风险评估的关键。根据ASTM E1226或UNE 14034标准，在20 L球形容器中通过实验确定这些参数。由于它们的再现性取决于与尘埃云相关的湍流水平，因此使用多相（气-固）流的计算模型来模拟具有开源CFD代码OpenFOAM的分散过程。该模型成功地验证了从文献和商业CFD代码的数值结果的实验测量。此外，本研究考虑了颗粒尺寸对载相湍流的影响，表明颗粒衰减了其湍流强度。此外，该模型很好地预测了双涡流型的形成，这对d<=100 μ m的含颗粒流的分布有负面影响，因为大多数颗粒集中在近壁区域。相反，对于供给较大颗粒（d=200 μ m）的情况，观察到改善的尘埃云均匀性，因为这些颗粒的增加的惯性允许它们进入再循环区域。
2021-12-08 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Numerical investigation of kinetic turbulence in relativistic pair plasmas I: Turbulence statistics
我们描述了在无碰撞，磁化，相对论对等离子体驱动湍流的粒子模拟的结果。这一物理机制为研究动力学湍流的基本性质提供了一个简单的环境，并与脉冲星风、星云和天体物理喷流等高能天体物理系统有关。在本文中，我们调查的湍流起伏的统计模拟格子上的$1024^3$细胞和包含多达$2 \times 10^{11}$粒子。由于在我们的模拟中没有冷却机制，湍流能量耗散在几个动力学时间内将磁化参数降低到有序统一，导致湍流运动成为亚相对论。在发展阶段，我们的结果与磁流体动力学湍流现象学在惯性尺度上的预测一致，包括指数接近$-5/3$的幂律磁能谱，由临界平衡描述的涨落的尺度相关各向异性，粒子密度和内能密度的对数正态分布（与$4/3$绝热指数相关，如对超相对论性理想气体所预测的），以及不稳定性的存在。我们还提出了可能的签名的动力级联通过测量幂律谱的磁，电，和密度波动在次拉莫尔尺度。
2017-09-14 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
