Heavy Particle Clustering in Inertial Subrange of High--Reynolds Number Turbulence
本研究通过直接数值模拟发现高雷诺数均匀各向同性湍流中惯性粒子在惯性子区显著聚集，该聚集由优先浓度调制引起并表现为粒子数密度谱凸起，可用尺度相关斯托克斯数的有理函数建模。
2024-06-05 physics.flu-dyn
The non-equilibrium part of the inertial range in decaying homogeneous turbulence
我们使用两个相关的非定常函数作为尺度的均匀各向同性湍流的非平衡的程度的措施。这些函数的值表明在惯性范围的上端存在显著的非平衡。风洞数据证实了Lundgren（2002，2003）的预测，即二阶和三阶结构函数最接近其柯尔莫哥洛夫标度的两点分离$r$与泰勒长度标度$λ$成比例，并且在整个惯性范围内，随着$r$远离$λ$，两个结构函数与其柯尔莫哥洛夫平衡形式的距离逐渐增大。由于惯性范围的上端处于非平衡状态，与雷诺数无关，因此不可能根据柯尔莫哥洛夫平衡来证明泰勒-柯尔莫哥洛夫湍流耗散标度。
2019-10-10 physics.flu-dyn
A first coherent structure in elasto-inertial turbulence
在弹性惯性湍流区的FENE-P流体的二维通道流模拟揭示了不同的制度，从混沌到稳定的行波，它采取的箭头结构的形式。这种相干结构提供了新的见解，在聚合物/流动的相互作用驱动EIT，这是观察到在一组控制的数值实验和弹性和湍流动能之间的转移的研究。
2021-10-15 physics.flu-dyn
Disentangling inertial waves from eddy turbulence in a forced rotating turbulence experiment
我们提出了一个时空分析的统计平稳旋转湍流实验，旨在提取惯性波的签名，并确定它们可以被检测到的尺度和频率。该分析使用两点空间相关的时间傅立叶变换的速度场的时间分辨立体粒子图像测速测量在旋转框架。我们将湍流的各向异性程度量化为频率和空间尺度的函数。我们表明，这种时空相关的各向异性是很好地描述了线性惯性波在大尺度上的色散关系，而较小的尺度主要是由在较大尺度上的流体运动的波的扫描。这种扫掠效应主要是由于湍流的低频准二维分量，这是我们实验的一个突出特征，波动湍流理论没有考虑到这一点。这些结果的相关性的旋转湍流在实验室实验中，这是相关的大多数地球物理和天体物理流量的适度Rossby数的理论提出了质疑。
2015-04-09 physics.flu-dyn
Inertial spheroids in homogeneous, isotropic turbulence
本文研究了{ \it惯性}圆盘和杆在三维均匀各向同性湍流中的旋转动力学。特别是，我们展示了如何对齐和去相关的时间尺度，这样的球体依赖，关键是，在这两个水平的惯性和纵横比，这些粒子。这些结果说明了惯性的影响-这导致了局部流动几何形状的优先采样-对湍流中圆盘和杆的统计数据。我们的研究结果是重要的各种自然和工业环境中的不对称，球状惯性粒子的湍流运输是无处不在的。
2018-08-03 physics.flu-dyn
On the mechanism of elasto-inertial turbulence
弹性惯性湍流是在含有聚合物添加剂的流体中发现的一种新的湍流状态。从聚合物动力学和流动结构耦合的角度研究了由这些添加剂产生和控制的湍流动力学。直接数值模拟的通道流的雷诺数范围从1000到6000（基于体积和通道高度）被用来研究弹性不稳定性的形成和动力学及其对流动的影响。由此产生的聚合物动力学和流动之间的相互作用的机制有助于解决一个长期存在的争议，在聚合物减阻的理解，并解释了早期湍流的现象，或在较低的雷诺数比牛顿流，以前观察到的聚合物流的湍流发作。聚合物还指出了一个有趣的类比，即二维湍流中的前向和后向能量级联。
2013-01-17 physics.flu-dyn
Evidence of the Zakharov-Kolmogorov spectrum in numerical simulations of inertial wave turbulence
旋转湍流通常被认为是由地转涡主导的，地转涡沿着旋转轴是不变的，并经历逆级联。然而，它最近被证明可以维持完全三维的状态，并具有降尺度的能量级联。在这封信中，我们调查的三维旋转湍流的统计特性的直接数值模拟的手段，在一个三重周期的盒子，地转涡是专门阻尼。由此产生的湍流是一种惯性波湍流，其验证了Galtier（Phys. Rev. E，68，2003）解析导出的Zakharov-Kolmogorov谱，从而提供了三维各向异性波的波湍流理论的相关性的数值证明。最后，我们表明，相同的强迫导致无论是地转或波湍流取决于初始条件。因此，我们的研究结果带来了进一步的证据，双稳定性旋转湍流。
2020-11-10 physics.flu-dyn
Inertial floaters in stratified turbulence
我们调查的动力学和统计的惯性颗粒分层湍流输送，在粒子密度的平均密度分布的流体中的中间的情况下。在这些条件下，颗粒倾向于在相应的流体等密度线周围形成薄层。所产生的层的厚度由浮力（将粒子吸引到等密度线上）和惯性（阻止它们精确地跟随它）之间的平衡决定。通过大量的数值模拟，我们探索了系统的参数空间，发现在一定的参数范围内，粒子在层内形成分形簇。
2017-12-07 physics.flu-dyn
Self-similar Subgrid-scale Models for Inertial Range Turbulence and Accurate Measurements of Intermittency
研究了一类基于自相似和可逆闭包的谱亚网格模式，其目的是减小亚网格尺度对充分发展湍流惯性范围的影响。以这种方式，我们提高了规模的扩展，其中异常指数测量的数量级大致为一个数量级，相比直接数值模拟或其他流行的次网格关闭在相同的分辨率。我们发现了第一个迹象表明，高阶矩的不稳定性是没有捕捉到的许多流行的唯象模型发展至今。
2019-07-18 physics.flu-dyn
Experimental study of the non-linear saturation of the elliptical instability: inertial wave turbulence versus geostrophic turbulence
本文对旋转流体中惯性波参数共振驱动的湍流饱和进行了实验研究。在我们的装置中，一个半米宽的充满水的椭球体被带到固体旋转，然后经历持续的谐波调制其旋转速率。这触发了一对惯性波的指数增长，通过一种称为振动驱动椭圆不稳定性的机制。一旦达到这种不稳定性的饱和，我们观察到一个湍流状态的能量注入到共振惯性波。根据旋转速率调制的幅度，观察到两种不同的饱和状态。在大强迫振幅下，饱和流主要由稳定的地转反气旋组成。当强迫振幅减小时，它的振幅消失，而保持在椭圆不稳定性的阈值以上。在这种二次跃迁之下，饱和流是惯性波的叠加，惯性波处于弱非线性共振相互作用中，这种状态可能渐近地导致惯性波湍流。除了是不稳定旋转流中波主导饱和的第一次实验观察外，本研究也是Le Reun et al，PRL（2017）模型的实验确认，他介绍了这两种湍流状态的可能性。最后讨论了这两个制度之间的过渡及其与地球物理应用的相关性。
2021-01-25 physics.flu-dyn
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
Vertical motions of heavy inertial particles smaller than the smallest scale of the turbulence in strongly stratified turbulence
本文研究了强分层湍流中惯性粒子垂直运动的统计特性。我们使用运动学仿真（KS）和快速失真理论（RDT）研究的平均位置和均方根的位置波动在垂直方向上。我们改变分层的强度和粒子的惯性特征时间。分层建模使用Boussinesq方程和解决RDT的限制。这里使用的近似值的有效性要求有：$\sqrt{{L}/{g}}<{2π}/{\mathcal{N}}<τ\_η$，其中$τ\_η$是柯尔莫哥洛夫时间尺度，$g$是重力加速度，$L$是湍流积分长度尺度，$\mathcal{N}$是布伦特-韦塞拉频率。我们引入了一个漂移弗劳德数$Fr\_{d} = τ\_p g / \mathcal{N} L$。当为$Fr\_{d} < 1$时，惯性粒子位移波动的rms与流体元件相同，即$\langle(ζ\_3 - \langle ζ\_3 \rangle)^2\rangle^{1/2} = 1.22\, u'/\mathcal{N} + \mbox{oscillations}$。然而，当$Fr\_{d} > 1$、$\langle(ζ\_3 - \langle ζ\_3 \rangle)^2\rangle^{1/2} = 267 \, u' τ\_p$ .也就是说，波动的水平是由粒子的惯性$τ\_p$而不是由浮力频率$\mathcal{N}$控制的。换句话说，惯性粒子似乎有可能保留垂直上限，同时失去对Brunt…
2017-08-25 physics.flu-dyn
Inertial Range Scaling in Rotations of Long Rods in Turbulence
我们测量了长度为$2.8 < l/η<72.9 $的中性浮力棒在湍流中的转动统计。对于在惯性范围内的长度的粒子，我们推导出的均方旋转速率，$< \dot{p}_i \dot{p}_i > \propto l^{-4/3}$的标度关系，并表明测量方法，这种缩放。从建议的缩放的偏差被解释为耗散范围尺度的效果。棒旋转速率的拉格朗日自相关的相关时间与棒的大小的涡流的翻转时间成比例。测量单根长杆的旋转动力学特性为研究不同长度尺度下流动的空间结构提供了一种新的途径。
2013-04-19 physics.flu-dyn
Near-wall turbulence modulation by small inertial particles
我们使用界面分辨模拟研究近壁湍流调制的小惯性粒子，密度比流体，在稀/半稀条件下。我们考虑了三种散装固体质量分数，$Ψ=0.34\%$，$3.37\%$和$33.7\%$，只有后两个显示湍流调制。在$Ψ=3.37\%$处阻力增加很大，但在脱附情况下阻力增加很小。实际上，出现了两种不同的湍流调制机制：对于较小的质量分数，湍流统计的影响很弱，近壁颗粒的积累增加了阻力，因此在略高的雷诺数下，流动表现为单相流动。相反，在较高的质量分数，颗粒调制整个流的湍流动力学，和相间耦合变得更加复杂。在这种情况下，流体雷诺应力衰减，但惯性粒子动力学通过相关的速度波动增加阻力，导致整体阻力增加。因此，我们的结论是，虽然在高质量分数的颗粒减少流体湍流阻力，固相惯性动力学可能仍然会增加总阻力。然而，在体积分数为零但质量分数为有限的双向耦合极限中对流向动量预算的检查表明，在更高的颗粒负荷下，这种趋势可能会逆转。
2021-07-16 physics.flu-dyn
Inertial range scaling of inhomogeneous turbulence
针对非均匀性对湍流动能谱$k^{-5/3}$惯性区标度的影响，提出弱统计非均匀时能谱含平衡谱与$k^{-7/3}$标度的扰动项，并通过三维Kolmogorov流直接数值模拟评估该预测。
2023-07-26 physics.flu-dyn
Elasto-inertial turbulence
湍流在自然界中是普遍存在的，但即使是像水这样的普通牛顿流体，我们对这种现象的理解也是有限的。然而，许多具有实际重要性的液体更复杂（例如血液、聚合物熔体或油漆），它们表现出弹性和粘性特性，并且应力和应变之间的关系是非线性的。在这里，我们证明了这样的复杂流体的模型系统，在高剪切速率湍流不是简单地修改以前认为，但它被抑制和取代的一种新类型的无序运动，弹性惯性湍流（EIT）。研究发现，EIT发生在比牛顿湍流低得多的雷诺数下，并且动力学性质显着不同。特别是阻力大大减少，所观察到的摩擦缩放解决了非牛顿流体力学中关于所谓的最大减阻渐近线的性质的一个长期存在的难题。理论上的考虑意味着EIT将出现在复杂的流体，如果拉伸粘度足够大。
2012-12-27 physics.flu-dyn
Friction dynamics of elasto-inertial turbulence in Taylor-Couette flow of viscoelastic fluids
在Taylor-Couette几何中研究了弹性惯性湍流的动力学特性。EIT是在不可忽略的惯性和粘弹性的基础上发展的混沌流动状态。直接流动可视化和扭矩测量的组合允许验证与纯惯性不稳定性（和惯性湍流）相比EIT的早期发生。本文首次讨论了具有惯性和弹性的伪Nusselt数的标度。摩擦系数，时间频谱和空间功率密度谱的变化突出了EIT在过渡到其完全发展的混沌状态之前经历了中间行为，该混沌状态需要高惯性和弹性。在此过渡期间，二次流对整体摩擦动力学的贡献是有限的。这对于在低阻力和低但有限的雷诺数下实现有效混合的目标是非常有意义的。
2023-01-05 physics.flu-dyn
Experimental observation of the origin and structure of elasto-inertial turbulence
如果速度和惯性力足够大，剪切流中一般会产生紊流.与此形成鲜明对比的是，粘弹性流体即使在惯性消失的情况下也能表现出无序运动。在这些情况之间的中间，一种新的混沌运动状态，“弹性惯性湍流”（EIT），已被观察到在一个狭窄的雷诺数区间。我们在这里确定的起源EIT在实验中，并表明，特征EIT结构可以检测到在一个意想不到的宽范围的参数。接近发病的人字形条纹图案出现在线性理论非常一致。然而，不稳定性可以追溯到远低于理论允许的雷诺数。由于惯性的增加，二次失稳引起由倾斜的近壁条纹和剪切层组成的壁模。这种模式持续到所谓的"最大减阻极限"，并且发现总体EIT在雷诺数超过三个数量级的粘弹性流动中占主导地位。
2021-02-26 physics.flu-dyn
Re-picturing viscoelastic drag-reducing turbulence by introducing dynamics of elasto-inertial turbulence
近年来，粘弹性减阻湍流（DRT）的本质，特别是最大减阻（MDR）状态，成为人们争论的焦点。它一直被认为是聚合物调制的惯性湍流（IT），但最近提出的概念的弹性惯性湍流（EIT）的挑战。本文通过对平行平板通道中从DR开始到EIT的一系列流型的统计和预算分析，引入EIT动力学，重新描绘了平行平板通道中的DRT。在此基础上，提出了一种新的DRT能量自维持过程（SSP）。数值结果表明，在低雷诺数（Re）下，随着弹性系数的增加，EIT相关SSP形成前，流动进入层流状态;而在中等雷诺数下，EIT相关SSP可以参与并从再层化中幸存下来。这在某种程度上解释了为什么在小Re下观察到再层化，而在中等Re下流动直接进入MDR和EIT。此外，提出的能量图像，可以很好地解释新发现的现象，流向的速度脉动滞后于壁法线方向。重新描绘的SSP当然证明，随着弹性的增加，IT性质逐渐被DRT中的EIT性质所取代。
2021-08-10 physics.flu-dyn
Shortcut to geostrophy in wave-driven rotating turbulence: the quartetic instability
我们报告的实验室实验波驱动旋转湍流。一组造波机产生的惯性波束在安装在旋转平台上的水箱的中心区域非线性地相互作用。因此，强迫只将能量注入惯性波。对于中等的强迫振幅，强迫惯性波的能量的一部分被转移到亚谐波，通过标准的三重共振不稳定性。这第一步大体上符合弱湍流理论。然而，令人惊讶的是，较强的强迫并不导致惯性波湍流制度。相反，大部分的动能凝聚成垂直不变的地转流，即使后者是非强迫的。我们表明，共振四重惯性波可以触发不稳定性-“四重不稳定性”-导致这种自发出现的地转。在本实验中，这种不稳定性作为经典三元不稳定性的次级不稳定性而出现。
2020-03-02 physics.flu-dyn
Self-similar geometries within the inertial subrange of scales in boundary layer turbulence
湍流尺度的惯性子区通常由集合统计中的幂律特征反映，例如能谱和结构函数-无论是在理论上还是从观测中。尽管在湍流中的分形几何的主题有希望的发现，有没有被接受的图像的物理流的功能对应于这个统计签名的惯性子范围。本研究使用边界层湍流测量来评估速度等值面的自相似几何特性，并调查它们对速度信号统计的影响。流向速度等值面的分形维数，表示沿每个等值面的“皱纹”的大小的统计自相似性，被证明是恒定的尺度的惯性子范围内。对于惯性子范围和生产范围之间的过渡，据推断，最大的皱纹变得越来越局限于大规模的相干速度区域，如均匀动量区的整体尺寸。等值面的自相似性在随后的一维统计中产生幂律趋势。例如，结构函数的理论2/3幂律指数可以通过考虑大量等值面水平集的集体行为来恢复。结果表明，惯性子区涡的物理存在表现在等值面的自相似皱纹。
2022-05-05 physics.flu-dyn
Two-dimensional dynamics of elasto-inertial turbulence and its role in polymer drag reduction
本研究的目标是：（i）证明弹性惯性湍流（EIT）中的弹性惯性不稳定性的二维性质，（ii）确定三维EIT流中的二维不稳定性的作用，（iii）建立小弹性尺度在自持EIT机制中的作用。在二维和三维通道中进行FENE-P流体流动的直接数值模拟。雷诺数设置为$\mathrm{Re}_τ= 85$，对于2D流动，该数值为亚临界，但对于3D流动，该数值超过过渡。聚合物的性质对应于那些典型的稀聚合物溶液和两个中等的Weissenberg数，$\mathrm{Wi}_τ= 40, 100$，被认为是。模拟结果表明，在二维亚临界流动中可以观察到持续的湍流，证实了二维弹性惯性不稳定性的存在。在牛顿和弹性惯性湍流结构共存的3D模拟中也观察到相同类型的不稳定性。取决于Wi数，一种类型的结构可以主导并驱动流动。对于大的Wi值，弹性惯性不稳定性往往占上风的牛顿湍流。这一说法得到以下事实的支持：（i）不存在典型的牛顿近壁涡;（ii）当考虑较大的Wi数时，二维和三维流动之间有很强的相似性。通过在高分子双曲型输运方程中引入全局人工扩散，研究了弹性小尺度的作用。研究结果表明，在系统中引入大的聚合物扩散强烈阻尼的重要部分的弹性尺度，这是必要的饲料湍流，最终导致流动层流。足够高的施密特数是允许自持湍流稳定所必需的。
2017-10-03 physics.flu-dyn
Experimental Study of Energy Transfer by Inertial Waves During the Build up of Turbulence in a Rotating System
本文研究了旋转水筒中流体从静止到湍流的转变。我们表明，能量，注入在一个给定的高度，通过流体体积的惯性波包传输。这些波的传播速度与线性化理论计算的速度一致，即使它们具有很大的振幅。一个明确的“前”的能量功率谱的时间演变被检测到，定义了一个时间尺度的能量传输在系统中的线性波速度。模式之间的非线性能量传递由不同的时间尺度控制，该时间尺度可以比线性时间尺度长得多。这些观察结果表明，在旋转湍流场的能量分布和统计驱动的间歇性能源可能是不同的二维湍流中的逆能量级联所描述的。
2008-11-13 physics.flu-dyn
Mechanisms for the clustering of inertial particles in the inertial range of isotropic turbulence
本文研究了各向同性湍流惯性区中惯性粒子成团的物理机制。我们分析的准确，但不封闭，方程的径向分布函数（RDF）和比较的机制，它描述了集群的耗散和惯性范围。我们证明，在限制${St_r\ll1}$，其中$St_r$是斯托克斯数的基础上的涡流周转时间尺度分离$r$，在惯性范围内的聚类可以理解为由于优先采样的粗粒度的流体速度梯度张量在该尺度。当使用${St_r\gtrsim\mathcal{O}(1)}$时，此机制让位于非本地群集机制。这些发现表明，惯性范围内的聚集机制与我们为耗散机制确定的机制类似（参见\emph{New J. Phys.} \textbf{16}：055013，2014）。此外，我们讨论了我们在惯性范围内识别的聚类机制与Coleman \& Vassilicos开发的“扫杆”机制之间的相似性和差异（Phys. Fluids 21：113301，2009）。我们认为，当${St_r\ll1}$的扫杆机制是相当于我们的机制在惯性范围内，如果粒子悬浮在Navier-Stokes湍流，但扫杆机制打破了${St_r\gtrsim\mathcal{O}(1)}$。该论点还解释了为什么扫杆机制是无法预测的运动学模拟中的粒子聚类。然后，我们考虑Zaichik \& Alipchenkov（Phys. Fluids. 19：113308，2007），并使用它，与我们的分析结果一起，来预测…
2014-11-26 physics.flu-dyn
The effect of turbulence on mass and heat transfer rates of small inertial particles
研究了湍流对小惯性重粒子（HIP）与包埋流体之间传质传热的影响。确定了两个影响。第一种效应是由于流体和颗粒之间的相对速度造成的，并给出了相对速度的模型。第二种效应是由于颗粒的聚集，其中由于致密颗粒簇内消耗的物质的快速耗尽而抑制了传质速率。这最后的效果是相关的大达姆科勒数，它可以完全控制的达姆科勒数大于1的传质速率。一个模型，描述了这种效果应该如何纳入现有的粒子模拟工具。
2017-01-17 physics.flu-dyn
Quantitative experimental observation of weak inertial-wave turbulence
本文报道了旋转湍流弱惯性波湍流区的定量实验观测。我们产生一个统计稳定的均匀湍流，由非线性相互作用的惯性波，使用粗糙的顶部和底部边界，以防止出现的地转流。随着强迫振幅的增加，时间谱从一组离散的峰值演变成一个连续谱。的速度场的双相干的地图确认这样一个逐渐过渡的离散波之间的相互作用在弱强迫振幅，弱湍流理论（WTT）所描述的制度，为更强的强迫。在前一种情况下，双相干图显示出接近零的背景水平，以及与离散共振相关的尖锐的局部峰。相比之下，在后一种情况下，双相干是一个光滑的函数，其取值为Rossby数的量级，符合WTT的无限域和随机相位假设。空间谱则表现出幂律行为，在高雷诺数和低Rossby数下，谱指数和谱级均由WTT准确预测。
2020-10-29 physics.flu-dyn
Restricted Euler dynamics along trajectories of small inertial particles in turbulence
小颗粒在湍流中的命运很大程度上取决于周围流体的速度梯度特性，如旋转和应变率。对于非惯性（流体）粒子，限制欧拉模型提供了一个简单的，低维的动力系统表示的拉格朗日演化的速度梯度在流体湍流，至少在短时间内。在这里，我们推导出一个新的限制欧拉动力系统的速度梯度演化的惯性粒子，如固体颗粒在气体或液滴和气泡在湍流液体流动。该模型是在小（亚柯尔莫哥洛夫尺度）粒子和低斯托克斯数的限制。该系统表现出有趣的不动点，稳定性和不变性质。与直接数值模拟的数据比较表明，该模型预测的趋势，如增加应变沿重粒子轨迹旋转的趋势，并为轻粒子，如气泡，减少自拉伸的应变率的趋势。
2016-08-08 physics.flu-dyn
Decay and Eigenvalue Problems in Isotropic Turbulence
基于三维不可压流体中的Karman-Howarth方程，提出了一种新的各向同性湍流尺度演化方程及其相关理论进展。结果表明，能量级联过程与量子力学中同调振子的确定性构造规则具有显著的相似性。
2016-06-21 physics.flu-dyn
A unified view of elastic and elasto-inertial turbulence in channel flows at low and moderate Reynolds numbers
本文通过跨越四个数量级雷诺数的全分辨三维数值模拟，揭示平行流中弹性湍流与弹惯性湍流在低惯性条件下具有相似动力学特性，从而提出统一视角。
2024-12-09 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
Turbulence via intermolecular potential: A weakly compressible model of gas flow at low Mach number
在我们最近的工作中，我们提出了一个通过分子间势的平均场效应的惯性气流湍流理论。我们发现，在惯性流中，湍流确实是从层流初始条件自发发展起来的，正如在自然界和实验中所观察到的那样。然而，我们也发现，在我们的惯性流模型的密度和温度的行为不切实际。当前工作的目标是证明在低马赫数下模拟可压缩湍流的技术可能性，在低马赫数下，密度和温度都以更真实的方式表现。在这里，我们专注于一个新的治疗的压力变量，这构成了可压缩，不可压缩和惯性流之间的妥协。与不可压缩流类似，所提出的压力变量方程是人工的，而不是直接从动力学公式推导出来的。然而，与不可压缩流不同的是，我们的压力方程只阻尼速度的发散，而不是直接将其设置为零。我们发现，湍流的发展在我们的弱可压缩模型很像它在惯性流模型，但密度和温度的行为更现实。
2022-09-26 physics.flu-dyn
Energy and enstrophy spectra and fluxes for the inertial-dissipation range of two-dimensional turbulence
本文利用Pao的猜想[Y.- H. Pao，Phys. Fluids 11，1371（1968）]，我们导出了延伸到惯性范围之外的二维（2D）强迫湍流的动能和拟能的谱和通量的表达式。在这些表达式中，通量和光谱包含指数形式的附加因子。为了验证这些模型的预测，我们进行数值模拟的二维湍流与外力施加在$k=k_f$在中间范围。除了$k<k_f$的能量通量和涡度拟能通量有明显的波动外，数值结果与模式的预测相吻合。我们表明，这些波动出现由于在小波数的流动的非定常性质。对于$k<k_f$，使用数值数据计算的壳到壳的能量传递显示相邻壳之间的向前能量传递，但其他壳的向后能量传递。
2019-08-20 physics.flu-dyn
A modified Lin equation for the energy balance in isotropic turbulence
本文给出了各向同性湍流中能量平衡的著名的Lin方程的一种新形式，它考虑了用于解决尺度佯谬的过滤分区转移谱。有人认为，这种新的公式为理论和数值方法提供了一个新的起点，这可能会更好地理解湍流中的潜在能量过程。
2020-07-27 physics.flu-dyn
Dependence of decaying homogeneous isotropic turbulence on initial conditions
我们对Krogstad & Davidson（2011）提供的数据进行了仔细分析，结果表明他们的数据并不支持他们的结论。根据他们发表的数据，他们的衰减近似均匀的各向同性湍流总是明显不同于Saffman湍流;并且在他们的常规网格和他们的多尺度交叉网格产生的远下游湍流行为之间存在非常明显的差异。
2011-06-03 physics.flu-dyn
Role of correlation integrals in helical isotropic turbulence
结果表明，相关积分（不变量）发挥重要的，在一定条件下占主导地位，在螺旋各向同性均匀湍流的惯性和近耗散范围内的作用。直接数值模拟和最近的实验室实验与多尺度网格的结果已被用于这一目的。本文还简要地讨论了反射对称性自发破缺的可能性。
2019-08-29 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
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
Analytic derivation of the inertial range of compressible turbulence
采用定常湍流分析模型，得到了可压缩湍流的惯性范围功率谱。我们假设，对于均匀湍流，时间尺度控制的能量注入在一个给定的波数从所有较小的波数，每个空间分量是相等的。然而，纵向分量能量被转移到压缩中，因此通过湍流粘性将能量转移到所有较大波数的控制率降低。由此产生的惯性范围是指数为-2的幂律。事实上，这样的功率谱在各种天体物理环境和数值模拟中也被观察到。
2021-05-29 astro-ph.GA physics.flu-dyn
Thermal Fluctuations in the Dissipation Range of Homogeneous Isotropic Turbulence
利用波动流体力学，我们调查的均匀，各向同性湍流的耗散范围内的热波动的效果。模拟证实了理论预测，这些波动的长度尺度相当于柯尔莫哥洛夫长度的能量谱占主导地位。我们还发现，在远耗散范围内的Kraichnan预测的极端不稳定性取代高斯热均分。
2021-09-17 physics.flu-dyn
Distributed chaos and inertial ranges in turbulence
结果表明，惯性范围的尺度的外观，相邻的分布式混沌范围，结果在绝热不变性的能量相关积分的各向同性均匀湍流和浮力驱动的湍流（稳定或不稳定的分层，包括瑞利-泰勒混合区）。由该绝热不变量控制的分布混沌速度场的功率谱具有展宽的指数形式$\propto \exp(-k/k_β)^{3/5}$。最近的直接数值模拟的结果已被用来支持这些结论。
2016-10-06 nlin.CD physics.flu-dyn
Evolution of inertial particle clustering in decaying turbulence
Institut universitaire de France (IUF)（法兰西学院）
该研究通过直接数值模拟发现，衰减湍流中惯性粒子的优先聚集不仅依赖瞬时斯托克斯数，还受流动历史影响，由瞬时流动状态与初始状态共同决定。
2026-09-01 physics.flu-dyn
On the role of the history force for inertial particles in turbulence
历史力是作用于在流体中运动的粒子的流体动力之一。它是对粒子运动的全部时间历程的积分，并且显著地使运动方程复杂化（因此它经常被忽略）。在这里，我们提出了一个研究的影响，这个力的颗粒在湍流中移动，为广泛的颗粒参数。结果表明，历史力的大小是很重要的，它可以有相当大的影响，颗粒的滑移速度，加速度，优先浓度和碰撞率。我们还研究了这些影响的强度的参数依赖性。
2015-01-20 physics.flu-dyn
The influence of Reynolds and Froude number on the motion of settling, bidisperse inertial particles in turbulence
利用直接数值模拟（DNS）方法，研究了Taylor Reynolds数$R_λ$和Froude数$Fr$对各向同性湍流中双分散惯性颗粒沉降运动的影响。粒子的加速度在双分散粒子的相对运动中起着关键作用，我们发现，减少$Fr$导致的加速度的增强，但抑制其不稳定性。对于斯托克斯数$St>1$，重力增强了$R_λ$对加速度的影响，因为沉降导致颗粒加速度受到更大范围的流动尺度的影响。粒子相对速度的概率密度函数（PDF）的结果表明，对于双分散粒子，减小$Fr$会导致它们在垂直（平行于重力）和水平方向上的相对速度的增强。重要的是，我们的研究结果表明，即使当颗粒沉降非常快，湍流继续发挥关键作用，在他们的垂直相对速度，并越来越多的$R_λ$是增加。出现这种情况是因为，虽然沉降速度可能比湍流的典型速度大得多，但由于不稳定性，存在湍流对颗粒运动的贡献与重力沉降的贡献相同的流动区域。
2018-08-04 physics.flu-dyn
Area rule of velocity circulation in two-dimensional instability-driven turbulence beyond the inertial range
College of Mechanics and Engineering Science and State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems, Peking University（力学与工程科学学院湍流与复杂系统国家重点实验室，北京大学）
本文研究了二维不稳定驱动湍流中超越惯性范围的涡量循环面积规则，证明其推导可推广至所有尺度，但经典惯性范围湍流无法满足该规则。
2026-01-05 physics.flu-dyn
Transition between advection and inertial wave propagation in rotating turbulence
在受到强背景旋转的湍流中，湍流的平流机制被惯性波的传播所取代，因为旋转的影响变得占主导地位。虽然这一机制已在实验中得到证实，但这两种机制之间的过渡条件尚不清楚。我们解决这个问题的实验跟踪湍流前远离固体壁射流进入一个否则静止的流体。在没有背景旋转的情况下，该装置产生湍流锋，其位移恢复了经典的振荡网格获得的$z(t)\sim t^{1/2}$定律，并且我们进一步建立了相关传输机制的尺度独立性。当设备以垂直于流体注入的壁的恒定速度旋转时，不仅湍流前沿变得主要由惯性波传输，而且平流本身也由于这些波的传播引起的局部动量不足而被抑制。湍流锋位移的逐尺度分析表明，平流和传播之间的过渡在空间和光谱上都是局部的，并且发生在基于所考虑尺度的Rossby数为1时，或者等价地，当惯性波的尺度相关群速度与局部平流速度相匹配时。
2019-12-23 physics.flu-dyn
Inertial range scaling of the scalar flux spectrum in two-dimensional turbulence
研究了具有均匀标量梯度的二维统计定常各向同性湍流。维数参数预测的惯性范围缩放的湍流标量通量谱的逆级联范围和拟能级联范围为小和团结施密特数。尺度预测检查直接数值模拟和良好的协议观察。
2010-09-01 nlin.CD physics.flu-dyn
Chaotic quasi-point vortices and inertial range in two-dimensional turbulence
利用分布混沌的概念研究了准点涡对均匀二维湍流（经典和量子）惯性尺度范围的影响。衰减湍流、具有小尺度强迫的湍流和球体上的湍流热对流的直接数值模拟结果，以及全球大气采样计划（GASP）在山区地形对流层和平流层湍流（小尺度强迫）中的测量结果已被用于此目的。本文利用HVBK和Gross-Pitaevskii模型的直接数值模拟结果和实验室实验结果讨论了超流和玻色-爱因斯坦二维湍流。对Ginsburg-Landau模型也作了简要的讨论。
2022-07-12 cond-mat.quant-gas physics.flu-dyn
Inertial particle acceleration in strained turbulence
本研究通过直接数值模拟轴对称膨胀均匀湍流应变流，探究应变对湍流中被动与惯性粒子加速度的影响，推导了相关近似与表达式，并结合可比流动背景讨论了结果的物理意义。
2015-04-09 physics.flu-dyn
Distributed chaos in the Hamiltonian dynamical systems and isotropic homogeneous turbulence
结果表明，简单Hamilton（保守）动力系统中的分布混沌，如Nose-Hoover振子和双振子，可以模拟均匀各向同性湍流中的分布混沌。本文还讨论了随机初始条件下经典Toda晶格和非线性薛定谔方程（孤子湍流）的直接数值模拟。分布混沌的这些性质与哈密顿系统的分析性质有关。平滑度的降低导致动力系统和湍流的幂律谱，而不是分布混沌的拉伸指数谱。
2019-02-25 physics.flu-dyn
Transition route to elastic and elasto-inertial turbulence in polymer channel flows
通过二维FENE-P流体直接数值模拟，发现弹性湍流和弹惯性湍流共享Ruelle-Takens过渡路径，由聚合物扩散不稳定性触发，经大尺度次级不稳定性最终分岔至两种混沌状态。
2024-08-21 physics.flu-dyn
Temporal decorrelations in compressible isotropic turbulence
利用时空相关理论和直接数值模拟方法研究了可压缩各向同性湍流的时间去相关性。对于非线性元件建立了扫频模型，而对于螺线管元件建立了经典的随机扫频模型。扫描波模型表明，时间去相关的湍流波动是由两个物理过程：随机扫描和波的传播。这些模型得到可压缩各向同性湍流直接数值模拟的支持，在这个意义上，不同波数的归一化时间相关的所有曲线崩溃成一个单一的使用归一化时间间隔。扫波模型进一步扩展到占恒定的平均速度。
2013-03-12 physics.flu-dyn
Helicity statistics in homogeneous and isotropic turbulence and turbulence models
本文研究了充分发展的均匀各向同性湍流和一类湍流壳模型的直接数值模拟中螺旋度的统计特性。我们认为关联函数的基础上的涡量和速度增量的组合是不不变的镜像对称。我们还研究了高阶结构函数的标度性质的基础上的时刻的速度增量投影在一个子集的模式，无论是积极的或消极的螺旋（手征）。我们表明，镜像对称恢复在小尺度，即，手征项是次引导的，并且它们很好地被维度变元加上反常校正捕获。这些发现也支持高雷诺数的螺旋壳模型与相同的手征对称性的纳维-斯托克斯方程的研究。
2017-02-02 physics.flu-dyn
Inertial range statistics of the Entropic Lattice Boltzmann in 3D turbulence
我们提出了一个定量分析的惯性范围统计的熵格子玻尔兹曼方法（ELBM）在三维均匀和各向同性湍流的背景下产生的。ELBM是一个有前途的介观模型，特别是有趣的充分发展的湍流的研究，因为它的内在的可扩展性和无条件的稳定性。在流体动力学极限下，ELBM等效于具有额外涡动粘性项的纳维-斯托克斯方程[1]。从这个宏观配方，我们已经推导出一个新的流体动力学模型，可以实现为一个大涡模拟（LES）封闭。该模型不是正定的，因此，能够再现能量从次网格转移到分辨尺度的后向散射事件。基于ELBM方法的介观和宏观熵模型的统计比较和验证完全解决直接数值模拟（DNS）。此外，我们提供了ELBM与著名的Smagorinsky闭包的第二个比较。我们发现，ELBM是能够扩展的能量谱标度范围，同时保持模拟的稳定性。关于高阶的统计，惯性距离可观的，ELBM的精度被证明是可比的与其他方法，如Smagorinsky模型。
2021-06-10 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
