刘，常;丹尼斯·盖姆。 过渡边界流的结构化投入产出分析。 （英语） Zbl 1481.76095号 J.流体力学。 927，论文编号A25，第26页（2021年）. 摘要：过渡河道水流的输入-输出分析已被证明是一种有价值的分析工具，可用于识别重要的水流结构和能量运动。传统方法将非线性项抽象为非结构化的作用力，因为这种作用力与动力学中的潜在非线性没有直接联系。相反，本文采用了一种基于结构奇异值的方法，该方法保留了非线性强迫函数的某些输入输出特性，以恢复通过过渡性河道水流的非线性分析、实验和直接数值模拟（DNS）确定的更大范围的关键流特征。将此方法应用于过渡平面Couette流和平面Poiseuille流，不仅可以识别通过传统输入输出方法预测的流向相干结构，还可以将斜流结构表征为诱导过渡所需能量最少的结构，符合DNS研究和非线性最优摄动分析。该方法还捕获了最近观察到的倾斜湍流带，这些湍流带与实验中的过渡和具有非常大通道尺寸的DNS有关。从DNS和两种流态的非线性分析中预测的流向变化结构的更大放大的识别能力表明，结构化方法允许人们保持与提升机制减弱相关的非线性效应，众所周知，提升机制主导线性算子。捕捉到这一关键的非线性效应，可以在分析输入-输出建模范式中预测更广泛的已知过渡流结构。 引用于2文件 MSC公司： 76E05型 水动力稳定性中的平行剪切流 第76天05 不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程 76F06型 过渡到湍流 76M99型 流体力学基本方法 关键词：过渡到湍流;剪切流稳定性;Navier-Stokes方程;直接数值模拟;切比雪夫离散化;傅里叶变换;Couette流量;泊肃伊勒流 软件：Matlab公司;差异矩阵套件;鲁棒控制工具箱 PDF格式BibTeX公司 XML格式引用 \textit｛C.Liu｝和\textit｛D.F.Gayme｝，流体力学杂志。927，论文编号A25，第26页（2021；兹bl 1481.76095） 全文： 内政部 arXiv公司 参考文献： [1] Balas，G.、Chiang，R.、Packard，A.和Safonov，M.2005鲁棒控制工具箱。用于Matlab。用户指南，第3版。 [2] Bamieh，B.和Dahleh，M.2001随机激励下河道水流的能量放大。物理学。流体13（11），3258-3269·Zbl 1184.76042号 [3] Barkley，D.2016管道湍流路径的理论观点。《流体力学杂志》803，P1·Zbl 1454.76047号 [4] Barkley，D.&Tuckerman，L.S.2007平面Couette流中湍流-层流模式的平均流量。《流体力学杂志》576、109-137·Zbl 1124.76018号 [5] Bottin，S.，Dauchot，O.，Daviaud，F.&Manneville，P.1998，过渡平面Couette流中流向涡作为有限振幅解的实验证据。物理学。液体10（10），2597-2607。 [6] Brandt，L.2014.升力效应：剪切流中过渡和湍流背后的线性机制。欧洲力学杂志。（B/液体）47、80-96·Zbl 1297.76073号 [7] Butler，K.M.&Farrell，B.F.1992粘性剪切流中的三维最优扰动。物理学。流体A4（8），1637-1650。 [8] Chapman，S.J.2002河道水流的次临界过渡。《流体力学杂志》451，35-97·Zbl 1037.76023号 [9] Cherubini，S.&De Palma，P.2013 Couette流中的非线性最优扰动：破裂和过渡。《流体力学杂志》716251-279·Zbl 1284.76135号 [10] Cherubini，S.&De Palma，P.2015最小能量扰动迅速接近库特流的边缘状态。《流体力学杂志》764，572-598。 [11] Chevalier，M.，Hœpffner，J.，Bewley，T.R.&Henningson，D.S.2006壁流系统中的状态估计。第2部分。湍流。《流体力学杂志》552167-187·Zbl 1134.76353号 [12] De Souza，D.、Bergier，T.和Monchaux，R.2020平面Couette流中的瞬态。《流体力学杂志》903，A33·Zbl 1460.76380号 [13] Deguchi，K.和Hall，P.2015剪切流中斜相干结构的渐近描述。《流体力学杂志》782、356-367·兹比尔1381.76088 [14] Doyle，J.1982具有结构不确定性的反馈系统分析。IEE程序。D-控制理论应用129（6），242-250。 [15] Duguet，Y.，Brandt，L.&Larsson，B.R.J.2010a过渡平面Couette流中的最小扰动。物理学。修订版E82（2），026316。 [16] Duguet，Y.，Monokrousos，A.，Brandt，L.&Henningson，D.S.2013平面Couette流的最小过渡阈值。物理学。流体25（8），084103。 [17] Duguet，Y.和Schlater，P.2013平面剪切流中的斜层流-湍流界面。物理学。修订稿110（3），034502。 [18] Duguet，Y.，Schlater，P.&Henningson，D.S.2010b平面Couette流过渡开始附近湍流模式的形成。《流体力学杂志》650、119-129·Zbl 1189.76254号 [19] Eckhardt，B.、Schneider，T.M.、Hof，B.和Westerweel，J.2007管道流动中的湍流过渡。每年。《流体力学评论》39（1），447-468·Zbl 1296.76062号 [20] Ellingsen，T.&Palm，E.1975线性流的稳定性。物理学。液体18（4），487-488·Zbl 0308.76030号 [21] Elofsson，P.A.和Alfredsson，P.H.1998平面Poiseuille流中倾斜过渡的实验研究。《流体力学杂志》358177-202。 [22] Farano，M.、Cherubini，S.、Robinet，J.C.和De Palma，P.2015平面Poiseuille流中的类发夹最优扰动。《流体力学杂志》775，R2·Zbl 1403.76022号 [23] Farano，M.、Cherubini，S.、Robinet，J.C.和De Palma，P.2016通过平面Poiseuille流中线性和非线性局部最优扰动的亚临界过渡场景。流体动力学。第48（6）号决议，061409·Zbl 1403.76022号 [24] Farrell，B.F.&Ioannou，P.J.1993线性化Navier-Stokes方程的随机强迫。物理学。流体A5（11），2600-2609·Zbl 0809.76078号 [25] Gustavsson，L.H.1991平面Poiseuille流中三维扰动的能量增长。《流体力学杂志》224，241-260·Zbl 0717.76044号 [26] Hashimoto，S.、Hasobe，A.、Tsukahara，T.、Kawaguchi，Y.和Kawamura，H.2009过渡河道水流中湍流成熟结构的实验研究。第六届湍流传热传质国际研讨会论文集。罗马。 [27] Hœpffner，J.，Chevalier，M.，Bewley，T.R.&Henningson，D.S.2005壁流系统中的状态估计。第1部分：。受扰层流。《流体力学杂志》534、263-294·兹比尔1134.76354 [28] Hof，B.、Juel，A.和Mullin，T.2003管道中湍流过渡阈值的标定。物理学。修订稿91（24），244502·Zbl 1049.76511号 [29] Hwang，Y.&Cossu，C.2010a湍流Couette流中相干条纹的放大：低雷诺数下的输入-输出分析。《流体力学杂志》643、333-348·Zbl 1189.76191号 [30] Hwang，Y.&Cossu，C.2010b紊流中谐波和随机强迫的线性非正态能量放大。《流体力学杂志》664、51-73·Zbl 1221.76104号 [31] Illingworth，S.J.2020 Couette和Poiseuille流中的流恒大尺度结构。《流体力学杂志》889，A13。 [32] Illingworth，S.J.、Monty，J.P.和Marusic，I.2018使用线性模型估算壁湍流中的大型结构。《流体力学杂志》842、146-162·Zbl 1419.76392号 [33] Jovanović，M.&Bamieh，B.2001使用线性化的Navier-Stokes方程对流量统计进行建模。第40届IEEE决策与控制会议记录，第4944-4949页。电气与电子工程师协会。 [34] Jovanović，M.R.2004空间分布式系统的建模、分析和控制。加州大学圣巴巴拉分校博士论文。 [35] Jovanović，M.R.2021从旁路过渡到流量控制和数据驱动湍流建模：输入-输出观点。每年。《流体力学评论》53（1），311-345·Zbl 1459.76072号 [36] Jovanović，M.R.&Bamieh，B.2004超临界河道水流中的不稳定模式与非正常模式。2004年美国控制会议记录，第2245-2250页。电气与电子工程师协会。 [37] Jovanović，M.R.&Bamieh，B.2005河道水流中的组件能量放大。《流体力学杂志》534145-183·Zbl 1074.76016号 [38] Kalur，A.、Mushtaq，T.、Seiler，P.和Hemati，M.S.2021使用二次约束估计过渡流的吸引区域。IEEE控制系统。第6部分，482-487。 [39] Kalur，A.，Seiler，P.&Hemati，M.S.2020使用二次约束的非线性和非正态系统的稳定性和性能分析。AIAA科学技术2020论坛，第0833页。 [40] Kalur，A.、Seiler，P.和Hemati，M.S.2021b使用二次约束对过渡流进行非线性稳定性分析。物理学。流体版本6（4），044401。 [41] Kanazawa，T.2018平面槽道流动中局部湍流的寿命和增长过程。大阪大学博士论文。 [42] Kerswell，R.R.2018非线性非模态稳定性理论。每年。《流体力学评论》50（1），319-345·兹比尔1384.76022 [43] Kerswell，R.R.，Pringle，C.C.和Willis，A.P.2014一种分析非线性稳定性的优化方法，以流体中向湍流的过渡为例。代表程序。《物理学》77（8），085901。 [44] Kreiss，G.、Lundbladh，A.和Henningson，D.S.1994亚临界剪切流阈值振幅界限。《流体力学杂志》270175-198·Zbl 0813.76024号 [45] Landahl，M.T.1975波浪破碎和湍流。SIAM J.应用。数学28（4），735-756·Zbl 0276.76023号 [46] Liu，C.&Gayme，D.F.2019湍流通道流中涡度波动的对流速度：输入-输出方法。第十一届湍流和切变流现象国际研讨会论文集，英国南安普顿。 [47] Liu，C.&Gayme，D.F.2020a湍流通道中基于输入-输出的对流速度分析。《流体力学杂志》888，A32·兹比尔1460.76478 [48] Liu，C.&Gayme，D.F.2020b用于过渡壁面剪切流允许扰动幅度的输入-输出启发方法。物理学。版次E102（6），063108。 [49] Lundbladh，A.、Henningson，D.S.和Reddy，S.C.1994河道水流过渡的阈值振幅。《过渡中的湍流和燃烧》（编辑M.Y.Hussaini、T.B.Gatski和T.L.Jackson），第309-318页。斯普林格。 [50] Madhusudanan，A.，Illingworth，S.J.&Marusic，I.2019线性化Navier-Stokes方程的相干大尺度结构。《流体力学杂志》873，89-109·Zbl 1419.76321号 [51] Mckeon，B.J.2017（壁）湍流背后的引擎：尺度相互作用的观点。《流体力学杂志》817，第1页·Zbl 1383.76239号 [52] Mckeon，B.J.&Sharma，A.S.2010A湍流管道流的临界层框架。《流体力学杂志》658，336-382·Zbl 1205.76138号 [53] Mckeon，B.J.、Sharma，A.S.和Jacobi，I.2013壁湍流的实验操作：系统方法。物理学。流体25（3），031301。 [54] Mellibovsky，F.&Meseguer，A.2009管道流量过渡临界阈值。菲尔翻译。R.Soc.伦敦。A367（1888），545-560·Zbl 1221.76096号 [55] Monokrousos，A.、Bottaro，A.、Brandt，L.、Di Vita，A.和Henningson，D.S.2011非平衡热力学和剪切流中湍流的最佳路径。物理学。修订稿106（13），134502。 [56] Morra，P.，Nogueira，P.A.S.，Cavalieri，A.V.G.&Henningson，D.S.2021湍流河道流动预解分析中强迫统计的颜色。《流体力学杂志》907，A24·Zbl 1461.76283号 [57] Mullin，T.2011管道中湍流过渡的实验研究。每年。《流体力学评论》43（1），1-24·兹比尔1210.76005 [58] Nogueira，P.A.S.，Morra，P.，Martini，E.，Cavalieri，A.V.G.和Henningson，D.S.2021预解分析中的强制统计：在最小湍流Couette流中的应用。《流体力学杂志》908，A32·Zbl 1492.76070号 [59] Orszag，S.A.1971 Orr-Sommerfeld稳定性方程的精确解。《流体力学杂志》50（4），689-703·Zbl 0237.76027号 [60] Packard，A.&Doyle，J.1993复杂结构奇异值。自动化29（1），71-109·Zbl 0772.93023号 [61] Paranjape，C.S.2019平面Poiseuille流中湍流的开始。奥地利科学技术研究所博士论文。 [62] Paranjape，C.S.，Duguet，Y.&Hof，B.2020河道水流的斜条解决方案。流体力学杂志，897，A7·Zbl 1460.76398号 [63] Peixinho，J.&Mullin，T.2007管道流量过渡的有限振幅阈值。《流体力学杂志》582169-178·Zbl 1114.76304号 [64] Philip，J.、Svizer，A.和Cohen，J.2007平面Poiseuille流亚临界转变的标度定律。物理学。修订稿98（15），154502。 [65] Prigent，A.，Grégoire，G.，Chaté，H.&Dauchot，O.2003湍流剪切流的长波长调制。《物理学》D174（1-4），100-113·Zbl 1036.76023号 [66] Prigent，A.、Grégoire，G.、Chaté，H.、Dauchot，O.和Van Saarloos，W.2002湍流剪切流中的大尺度有限波长调制。物理学。修订稿89（1），014501·Zbl 1036.76023号 [67] Pringle，C.C.T.&Kerswell，R.R.2010使用非线性瞬态增长构建剪切流湍流的最小种子。物理学。修订稿105（15），154502。 [68] Pringle，C.C.T.，Willis，A.P.&Kerswell，R.R.2012剪切流湍流的最小种子：使用非线性瞬态增长接触混沌边缘。《流体力学杂志》702，415-443·Zbl 1248.76075号 [69] Rabin，S.M.E.，Caulfield，C.P.&Kerswell，R.R.2012在平面Couette流中有效触发湍流。《流体力学杂志》712，244-272·Zbl 1275.76091号 [70] Reddy，S.C.和Henningson，D.S.1993粘性河道水流中的能量增长。《流体力学杂志》252209-238·Zbl 0789.76026号 [71] Reddy，S.C.、Schmid，P.J.、Baggett，J.S.和Henningson，D.S.1998关于平面河道水流中顺流条纹的稳定性和过渡阈值。《流体力学杂志》365269-303·兹比尔0927.76029 [72] Reetz，F.，Kreilos，T.&Schneider，T.M.2019精确不变解揭示了自组织斜湍流-薄层条纹的起源。《国家公法》第10卷（1），第2277页。 [73] 雷诺兹，O.1883XXIX。对决定水的运动是直线运动还是曲折运动的环境以及平行河道中阻力定律的实验研究。菲尔翻译。R.Soc.Lond.174935-982。 [74] Romanov，V.A.1973平面平行Couette流的稳定性。功能。分析。应用7（2），137-146·Zbl 0287.76037号 [75] Safonov，M.G.1982对角摄动多变量反馈系统的稳定裕度。IEE程序。D控制理论应用129（6），251-256。 [76] Schmid，P.J.2007非模态稳定性理论。每年。修订版《流体机械》第39129-162页·Zbl 1296.76055号 [77] Schmid，P.J.&Henningson，D.S.1992涉及一对斜波的快速跃迁新机制。物理学。流体A4（9），1986-1989。 [78] Schmid，P.J.&Henningson，D.S.2001剪切流中的稳定性和过渡。施普林格科技与商业媒体·Zbl 0966.76003号 [79] Shimizu，M.&Manneville，P.2019过渡河道水流紊流的分叉。物理学。流体版本4（11），113903。 [80] Song，B.&Xiao，X.2020使用移动力技术在通道流中的低雷诺数处直接触发湍流带。《流体力学杂志》903，A43·Zbl 1460.76403号 [81] Symon，S.、Illingworth，S.J.和Marusic，I.2021湍流通道流动中的能量传递和预解建模的影响。《流体力学杂志》911，A3·Zbl 1461.76184号 [82] Tao，J.J.、Eckhardt，B.和X.M.2018扩展的局部结构和河道水流中湍流的开始。物理学。流体版本3（1），011902。 [83] Tillmark，N.和Alfredsson，P.H.1992平面Couette流过渡实验。《流体力学杂志》235、89-102。 [84] Trefethen，L.N.2000 MATLAB中的光谱方法。SIAM公司·Zbl 0953.68643号 [85] Trefethen，法律公告，Trefethern，A.E.，Reddy，S.C.&Driscoll，T.A.1993无特征值的水动力稳定性。《科学》261（5121），578-584·Zbl 1226.76013号 [86] Tsukahara，T.，Seki，Y.，Kawamura，H.&Tochio，D.2005极低雷诺数下湍流通道流动的DNS。第四届湍流和剪切流现象国际研讨会论文集，美国威廉斯堡。 [87] Tuckerman，L.S.&Barkley，D.2011过渡平面Couette流的模式和动力学。物理学。流体23（4），041301·Zbl 1308.76135号 [88] Tuckerman，L.S.、Chantry，M.和Barkley，D.2020壁面剪切流的模式。每年。Rev.流体力学52（1），343-367·Zbl 1439.76032号 [89] Tuckerman，L.S.、Kreilos，T.、Schrobsdorff，H.、Schneider，T.M.和Gibson，J.F.2014平面Poiseuille流中的湍流-层流模式。物理学。流体26（11），114103。 [90] Vadarevu，S.B.、Symon，S.、Illingworth，S.J.和Marusic，I.2019湍流通道流线性脉冲响应中的相干结构。《流体力学杂志》8631190-1203·Zbl 1415.76366号 [91] Weideman，J.A.C.&Reddy，S.C.2000A MATLAB微分矩阵套件。ACM事务处理。数学。Softw.26（4），465-519。 [92] Xiao，X.和Song，B.2020低雷诺数下通道流中湍流带的增长机制。《流体力学杂志》883，R1·Zbl 1430.76322号 [93] Xiong，X.，Tao，J.，Chen，S.和Brandt，L.2015中等雷诺数下平面泊肃叶流中的湍流带。物理学。流体27（4），041702。 [94] Zare，A.，Jovanović，M.R.&Georgiou，T.T.2017湍流颜色。《流体力学杂志》812，636-680·Zbl 1383.76303号 [95] Zhou，K.，Doyle，J.C.&Glover，K.1996鲁棒最优控制。普伦蒂斯·霍尔·Zbl 0999.49500 此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配，可能包含数据转换错误。在某些情况下，zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献，而不要求完整或完全匹配。