Topological Stabilization and Dynamics of Self-propelling Nematic Shells
液体外壳（例如双重乳液、囊泡等）当脱离机械平衡时易受界面不稳定性和破裂的影响。这对基于液体壳的微机器的设计提出了重大挑战，其中目标是保持稳定性和动态控制与运动性相结合。在这里，我们提出了我们的解决方案，这个问题与可控的自推进液体壳，我们已经稳定使用软拓扑约束所施加的一种润滑油。我们证明，通过实验和模拟，各向异性的弹性可以抵消壳运动引起的粘性阻力的不稳定影响，并抑制破裂。我们分析了它们的推进动力学，并确定了一个特殊的曲折行为的拓扑和化学自发打破对称性的组合驱动。基于我们对这些对称性破缺机制的理解，我们提供了通过拓扑结构、化学信号和流体动力学相互作用来控制壳运动的途径。
2019-07-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Hydrodynamic diffusion in apolar active suspensions
本文采用active Fast Stokesian Dynamics模拟0.5%–55%体积分数下非自推进puller/pusher球形squirmer悬浮液，揭示其平移扩散非单调变化而旋转扩散随浓度增强的机制。
2024-07-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Simulations of propelling and energy harvesting articulated bodies via vortex particle-mesh methods
新的设计范式的出现和理解，利用流引起的机械不稳定性的推进或能量收集需要强大的和准确的流结构相互作用的数值模型。在这种情况下，我们开发了一种新的二维算法，结合了涡粒子网格（VPM）的方法和多体系统（MBS）求解器的被动和驱动的结构在流体中的模拟。的水动力和扭矩是通过一种创新的方法，这是至关重要的补充和扩展的投影和惩罚的方法Coquerelle等。和Gazzola等。由此产生的方法避免了耗时的计算在壁的应力恢复力的分布在复杂的变形形状的表面上。这一特征将所提出的方法与其他VPM公式区分开来。该方法进行了验证，对一些基准的结果，范围从一个二维圆柱体的沉降到一个被动的三个分段的结构，在一个圆柱体的尾流。然后，我们展示了这种方法的能力，通过研究的能量收集结构的放养过程中使用的阻尼元件建模。
2019-03-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Transition from dissipative to conservative dynamics in equations of hydrodynamics
我们表明，通过使用直接的数值模拟和理论，如何，通过增加的顺序耗散（$α$）的流体动力学方程，有一个从耗散到保守的系统的过渡。这个显著的结果，已经证明了渐近情况$α\to \infty$ [U. Frisch等人，物理修订版信函{ \bf 101}，144501（2008）]，现在被证明对于大于交叉值$α_{\rm crossover}$的任何大的但有限的$α$值是成立的。因此，我们提供了一个自洽的图片如何耗散系统，在某些条件下，开始表现得像保守系统，从而阐明平衡统计力学和平衡湍流之间的微妙联系。
2014-03-26 nlin.CD physics.flu-dyn
Motion of hydrodynamically interacting active particles
我们开发了一个通用的流体动力学理论，描述了一个系统的相互作用，积极推动颗粒悬浮在粘性流体中的任意形状。我们的模型的粒子运动的活动部分，使用规定的滑动速度，否则刚性粒子表面。我们介绍了粒子的旋转和平移的一般框架，通过应用洛伦兹倒易定理与任意表面滑移的移动粒子的集合。然后，我们开发了一个近似的理论，适用于广泛分离的领域，包括流体动力学相互作用的水平力四极杆。我们将我们的理论应用到一个一般的例子，涉及到一个规定的滑移速度，和一个具体的情况下，有关的自主运动的化学活性颗粒移动的扩散电泳由于自生的化学梯度。
2019-01-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Periodic Orbits of Active Particles induced by Hydrodynamic Monopoles
对团藻等活性粒子的地面实验涉及重力、扭矩和伴随的单极流体流动。考虑到这些，我们分析了一对自推进，自旋转的活性粒子之间的广泛分离的平行平面的动力学。忽略由平面反射的流动，取向和水平分离的动力学是辛的，具有精确确定极限环振荡的哈密顿量。在接近底部平面时，重力力矩衰减，反射流激励该振荡器，维持第二个极限环，该极限环可以与第一个极限环微扰相关。我们的工作为舞蹈团藻提供了一个理论，并强调了单极流在活性物质中的重要性。
2020-03-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Machine Learning for Conservative-to-Primitive in Relativistic Hydrodynamics
守恒型相对论流体力学方程的数值解需要求根算法，将守恒变量映射反演为原始变量映射。这些算法采用流体的状态方程，并且对于涉及复杂的微观物理模型的应用，例如在二元中子星的数值相对论模拟中计算精确的引力波信号所需的那些，在计算上要求很高。这项工作探讨了使用机器学习方法来加快恢复相对论流体动力学中的原语。人工神经网络的训练，以取代一个列表状态方程的插值或直接保守到原始的地图。这些神经网络简单的基准问题的应用表明，这两种方法改善了传统的根查找表状态方程和多维插值。特别是，保守到原始映射的神经网络在保持准确性的同时，比标准方法加速了一个数量级以上的变量恢复。因此，神经网络是一个有趣的选择，以提高相对论流体力学算法的速度和鲁棒性。
2021-11-12 astro-ph.IM physics.comp-ph physics.flu-dyn
High-Order Curvilinear Finite Element Magneto-Hydrodynamics I: A Conservative Lagrangian Scheme
磁流体力学是等离子体物理学中最重要的模型之一，在惯性约束聚变、天体物理学等领域有着广泛的应用。需要先进的数值方法来深入了解复杂的物理现象。经典的拉格朗日方法通常局限于低阶收敛，并且违反了磁场的无发散条件或不变量的守恒。本文是高阶非理想磁流体力学系列文章的第一部分，提出了一种基于曲线有限元的多维守恒拉格朗日方法。精确地满足了磁场发散为零的条件以及质量、动量、磁通量和总能量守恒。曲线元素可以防止计算网格纠缠并将其压印到溶液中。一个高阶保守的时间积分，其中任意阶的收敛性达到理想的磁流体力学问题。电阻性磁场扩散采用隐式格式求解。给出了该方法的描述，并进行了多个测试问题，证明该计划的属性。该方法的建设和未来可能的发展方向进行了讨论。
2022-03-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Machine-precision energy conservative reduced models for Lagrangian hydrodynamics by quadrature methods
Dartmouth College（达特茅斯学院）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
本文提出了一种基于四次方法的能量守恒降阶模型，用于压缩性欧拉方程的拉格朗日流体动力学，实现了高精度能量守恒和高准确性。
2026-03-05 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Stokesian Dynamics with odd viscosity
斯托克斯动力学是一种成熟的计算方法，用于模拟悬浮在传统被动流体介质中的许多颗粒的动力学。由具有破缺的时间反演对称性的自推进粒子组成的活性流体允许出现所谓的奇粘度。在这项工作中，我们扩展了传统的斯托克斯动力学形式主义，以纳入额外的流体动力学效应，由于奇数粘度，这使得模拟的集体行为的许多粒子悬浮在一个活跃的流体介质中的均匀粘度和奇数粘度。
2022-12-31 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A direct primitive variable recovery scheme for hyperbolic conservative equations: the case of relativistic hydrodynamics
在这篇文章中，我们开发了一个原始变量恢复计划（PVRS），以解决任何系统的耦合微分保守方程。该方法对守恒方程的时间项应用链式法则，直接求出原始变量。与此同时，传统的有限体积法的通量，以避免违反这两个，熵和“Rankine-Hugoniot”跳跃条件。然后使用前向有限差分格式计算时间演化。这种数值技术回避了原始向量的恢复，通过求解代数方程组，因为它是经常使用的，所以，它概括了标准的技术来解决这些耦合系统。本文提出铭记特殊相对论流体动力学数值方案，并在附录部分增加了教学观点，以便于理解PVRS。我们提出了标准的激波管问题的特殊相对论流体力学和图形可视化的误差使用的数值波动相对于精确的解析解的方法的收敛性。PVRS避免了有时由标准数值方法技术产生的繁重计算，该技术通过电荷的代数多项式获得所需的原始矢量解。
2018-03-27 astro-ph.HE gr-qc physics.comp-ph
Approaches to conservative Smoothed Particle Hydrodynamics with entropy
针对传统SPH仅适用于正压流体的局限，提出多种含熵守恒型SPH方法，通过泊松约化等推导方程，保留能量守恒等特性，还扩展实现双曲型热传导建模。
2024-06-20 math-ph math.MP physics.flu-dyn
A conservative Godunov-type mesh-free hydrodynamics scheme for weakly compressible multiphase flows
Technical University of Munich (TUM)（慕尼黑工业大学）；Munich Institute of Integrated Materials, Energy and Process Engineering (MEP), Technical University of Munich (TUM)（慕尼黑工业大学集成材料、能源和工艺工程研究所）
提出一种保守型Godunov类无网格格式，通过二阶重构、HLLC求解器及界面切向松弛机制，实现弱可压缩多相流的高精度模拟，并在多个基准测试中验证了其有效性。
2026-09-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Frequency-dependent higher-order Stokes singularities near a planar elastic boundary: implications for the hydrodynamics of an active microswimmer near an elastic interface
流体环境中的自驱动活性粒子的新兴领域最近引起了生物物理学和生物工程界的极大兴趣，因为它们具有广阔的未来生物医学和技术应用前景。这些微泳者通过水介质自主移动，在现实情况下，他们遇到了过多的外部刺激和限制表面具有特殊的弹性特性。基于远场流体动力学模型，我们提出了一个分析理论来描述的物理相互作用和流体动力学耦合之间的自推进的主动微型游泳器和弹性界面，具有抗剪切和弯曲。我们建模的活性剂作为高阶斯托克斯奇点的叠加，并阐明了附近的弹性边界引起的相关的平移和旋转速度。我们的研究结果表明，速度可以分解为剪切和弯曲相关的贡献，接近无滑移刚性壁在稳定极限的活性剂的速度。的瞬态动力学预测，由于弯曲阻力的microswimmer的速度的贡献一般比剪切阻力更明显。我们的研究结果提供了深入了解的控制和指导的人工和合成的自我推进的主动microswimmer弹性约束附近。
2019-09-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Exact phoretic interaction of two chemically-active particles
我们研究了两个各向同性的化学活性粒子的非平衡相互作用，同时考虑了精确的近场化学相互作用以及流体动力学相互作用。我们确定在参数空间中的区域，其中描述的两个粒子的动力学系统可以有一个固定点-一种现象，不能被捕获下的远场近似。我们发现，由于近场效应，粒子可能会达到一个稳定的平衡，在一个非零的间隙大小，或使一个复杂的，可以在足够强的噪声的存在下解离。我们明确地表明，近场效应起源于一个自我生成的邻居反射的化学梯度，类似于一个自推进的电泳粒子和一个平坦的基板的相互作用。
2020-04-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
CRKSPH - A Conservative Reproducing Kernel Smoothed Particle Hydrodynamics Scheme
提出一种守恒再生核SPH（CRKSPH）格式，通过重新表述流体方程实现质量、动量和能量严格守恒，并利用高精度梯度限制人工粘性，优于传统SPH及两种现代SPH方法。
2016-12-28 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.comp-ph
Interaction between a Rising Bubble and a Stationary Droplet Immersed in a Liquid Pool using Ternary Conservative Phase-Field Lattice Boltzmann Method
当浸没在液池中的静止气泡和静止液滴彼此接触时，它们形成气泡-液滴聚集体。它的平衡形态和稳定性在很大程度上取决于不同组分的表面张力的组合，称为铺展因子。在这项研究中，我们着眼于上升的气泡和静止的液滴之间的相互作用，以更好地了解聚结和上升的动力学以及气泡-液滴聚集体的形态变化。系统地研究了不同气泡尺寸和铺展因子下的相互作用过程。目前的模拟框架包括三元守恒相场格子玻尔兹曼方法（LBM）的界面跟踪和速度-压力LBM的流体力学，这是验证的基准情况下，如液体透镜和寄生电流周围的静态液滴与几个流行的表面张力公式。我们进一步测试我们的LBM的形态变化的两个液滴最初接触各种铺展因子，并描绘了最终的形态在相图。通过系统地改变扩散因子的符号，可以复制分离的、部分吞没的和完全吞没的形态。上升的气泡和静止的液滴相互作用的基础上，通过施加一个假想的浮力上升的气泡在静止条件下获得的最终形态进行了模拟。结果表明，与部分吞没形态的聚集体相比，具有双乳液形态的气泡-液滴聚集体可以最大限度地减少气泡-液滴聚集体的扭曲，并获得更大的终极速度。
2022-09-08 physics.flu-dyn
Adaptive near-contact repulsion in conservative Allen-Cahn phase-field lattice Boltzmann multiphase model
Roma Tre University（罗马第三大学）；Pontifícia Universidade Católica do Paraná（巴拉那天主教大学）；Istituto per le Applicazioni del Calcolo, Consiglio Nazionale delle Ricerche（意大利国家研究委员会计算应用研究所）；Center for Life Nano- & Neuro-Science, Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia（意大利理工大学基金会生命纳米与神经科学中心）；PoreLab, Department of Physics, Norwegian University of Science and Technology（挪威科技大学物理系孔隙实验室）
本文提出一种自适应近接触排斥方法，用于解决多相流扩散界面模拟中的薄液膜动力学问题，通过局部排斥流实现抑制虚假合并，保持计算效率和并行计算能力。
2026-08-12 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Towards high-order consistency and convergence of conservative SPH approximations
本文提出反向核梯度修正（RKGC）公式，解决守恒SPH近似的高阶一致性问题，显著提升拉格朗日和欧拉SPH方法的精度，并缓解自由表面流模拟的高耗散问题。
2024-05-28 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Numerical solution of the non-linear Schrodinger equation using smoothed-particle hydrodynamics
我们制定了一个光滑粒子流体动力学数值方法，传统上用于欧拉方程的流体动力学在天体物理模拟的背景下，解决非线性薛定谔方程的马德隆制定。波函数的概率密度被离散为运动粒子，其性质通过核函数平滑。传统的流体压力被取代的量子压力张量，一个新的，强大的离散found. We展示了我们的数值方法上的各种数值测试问题，涉及简谐振子，玻色-爱因斯坦凝聚体，坍缩奇点，和暗物质晕由Gross-Pitaevskii-Poisson方程。我们的方法是保守的，适用于无界域，并自动适应其分辨率，使其非常适合研究问题的崩溃解决方案。
2016-11-08 astro-ph.CO astro-ph.IM physics.comp-ph
A Physical-Constraint-Preserving Finite Volume WENO Method for Special Relativistic Hydrodynamics on Unstructured Meshes
本文提出了一种高鲁棒的三阶精度有限体积加权本质不振荡（WENO）方法。我们严格证明了所提出的方法是物理约束保持（PCP），即始终保持压力和静止质量密度的正性以及流体速度的亚光速约束。该方法是建立在一个高效的紧凑WENO重建非结构化网格，一个简单的PCP限制器，证明PCP的Harten-Lax-van Leer通量的属性，和三阶强稳定性保持时间离散。由于相对论效应，原始变量（即，静止质量密度，速度和压力）是高度非线性的隐函数的保守变量，使我们的方法的设计和分析非平凡。为了解决强非线性所带来的困难，我们采用了一种新的准线性技术的PCP属性的理论证明。三个可证明的收敛保证迭代算法也介绍了从可容许的保守变量的原始量的鲁棒恢复。我们还提出了一个轻微的修改现有的WENO重建，以确保非线性权重的标度不变性，从而容纳的演化算子的同质性，导致修改后的WENO重建的优势，解决多尺度波结构。大量的数值例子来证明所提出的方法的鲁棒性，预期的精度和高分辨率。
2022-07-19 astro-ph.IM cs.NA math.NA
Hydrodynamic Nambu Brackets derived by Geometric Constraints
提出了一种推导理想二维流体力学Nambu括号的几何方法。推导是基于两种形式的消失积分在一个周期性的域，并与所产生的动力学约束的正交条件。结果，以涡量为动力变量的二维流体动力学成为一个通用模型，其守恒律可以解释为涡度拟能和能量泛函。广义形式，如表面准地转和分数泊松方程的流函数也包括从推导的结果。以Rayleigh-Bénard对流为例，将该方法推广到与二自由度耦合的流体动力系统.该系统是重新制定的本构守恒定律与两个添加剂括号，代表个人的过程：第一个代表无粘二维流体力学，第二个代表流体力学和热力学之间的耦合。结果可用于制定保守的数值算法，可以采用，例如，前沿和奇点的研究。
2015-10-16 math-ph math.MP physics.ao-ph
Active suspensions of bacteria and passive objects: a model for the near field pair dynamics
近场流体动力学相互作用是必不可少的，以确定许多重要的新兴行为观察到的主动悬浮液，但尚未成功地建模至今。在这项工作中，我们提出了一个有效的模型，能够有效地捕捉近场流体动力相互作用的本质，数值验证的教学模型系统组成的E。大肠杆菌和球形示踪剂。所提出的模型有效地捕捉所有的细节，近场流体动力学通过只有一个张量系数的阻力，这是根本不同的，因此不能被取代，一个有效的相互作用的保守性。在一个关键的测试情况下，研究散射角的细菌示踪剂对动力学，计算的基础上提出的模型揭示了一个区域的参数空间中的细菌被困的球形示踪剂，一种现象，经常在实验中观察到，但不能解释任何现有的模型。
2020-02-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Globally time-reversible fluid simulations with smoothed particle hydrodynamics
本文描述了一种能量守恒、全局时间可逆的弱可压缩光滑粒子流体动力学（SPH）程序。我们不添加任何额外的动力学的Monaghan的原始SPH计划在常微分方程的水平，但我们展示了如何离散的方程，通过使用一个正确的表达密度和调用辛积分。此外，为了实现时间上的全局可逆性，我们必须修正初态，实现保守的流体-壁面相互作用，并使用不动点算法。虽然数值方案在时间上是全局可逆的（在恢复初始条件的同时可以在时间上向后求解），但我们观察到粒子速度的热化和玻尔兹曼熵的增长。换句话说，当我们没有看到所有可能的细节时，就像玻尔兹曼熵那样，它只取决于单粒子分布函数，我们观察到热力学第二定律（不可逆行为）从纯粹的可逆动力学中出现。
2022-04-19 cs.NA math.NA math.SG
Provably convergent Newton-Raphson methods for recovering primitive variables with applications to physical-constraint-preserving Hermite WENO schemes for relativistic hydrodynamics
针对相对论流体力学方程原始变量难以显式求解导致物理约束易被破坏的问题，提出了三种可证明收敛且保持物理约束的Newton-Raphson方法，并据此构建了高阶PCP HWENO格式，有效保障了模拟的稳健性与高分辨率。
2023-05-24 astro-ph.IM cs.NA math.NA
