槽道流中亚临界转捩的研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11572219
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0901.湍流与流动稳定性
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2019-12-31

项目摘要

Subcritical transition to turbulence in fluid motions remains one of the unsolved problems of physics, despite its importance in various fields of science and engineering ranging from aerodynamics to astrophysics. However, the past quarter century has seen numerous new developments for the understanding of chaotic behavior of turbulence and a promising dynamical framework to study turbulence has been proposed. .Most prominent contribution, among the new developments, is the discovery of invariant solutions to the Navier-Stokes equations, called the exact coherent states, which constitute, in a figurative way of speech, the skeleton of the turbulence. In other words, turbulence can be viewed as a walk through a forest of the exact solutions in the infinite-dimensional state space of the governing equations..The first discovery of the exact coherent state was made by the applicant in the system of plane Couette flow, the simplest shear flow with the linear velocity profile (Nagata, 1990)..Since then, numerous exact coherent states have been identified in both plane Couette flow and pipe flow and progress has been made towards the understanding of the subcritical transition, one of the most active research fields in fluid dynamics. It is now widely agreed that the spatial structures of the exact coherent states carrying a substantial share of the Reynolds stresses are important ingredients of shear turbulent flows, where they have led to applications such as improved control and drag reduction. .The same author that made the historical discovery of the exact coherent state in plane Couette flow proposes here a project on the study of subcritical transition in channel flow. In contrast to a large number of studies of plane Couette flow and pipe flow, known exact coherent states in channel flow remains relatively few. .Therefore, firstly we intend to gather a sufficient number of exact coherent states in channel flow. For this purpose, we use our other expertise on the method of Homotopy, whereby solutions in rotating channel flow (Wall & Darren, 2013) shall be continued to non-rotating case. We note that another Homotopy approach has been successfully conducted from plane Couette flow to channel flow by the applicant (Nagata & Deguchi, 2013)..Secondly, we address a classification of the exact coherent states by exploiting our expertise on symmetry identification procedure. We shall re-visit the nonlinear analysis on secondary flow in channel flow by Ehrenstein & Koch (1991), possibly adding the number of new solutions to theirs. The classification is a valuable tool to understand turbulent transition. The structures of the exact coherent states play a key role in the dynamics of fluid motions. The important components of structures that can organize the state-space dynamics of the disturbed flow can be described and thereby we can ultimately explain the sustenance of turbulence in channel flow, which is the goal of our current project.
亚临界转捩是航空航天等学科中重要的研究课题,在工程中也应用广泛,但其物理机制尚未解决。近25年来,对湍流混沌系统的理解给我们提供了一个湍流研究的新动力学框架。而寻找N-S方程精确相干态意义重大。申请人(Nagata, 1990)在线性稳定的平面库塔流中首次找到了其精确相干态。此后,在平面库塔流和管流中也相继找到了很多精确相干态。这加深了人们对亚临界转捩的理解。自由剪切湍流中,相干结构承载着相当大份额的雷诺应力,故被减阻等流动控制关注。但目前在对槽道流中的精确相干态研究很少,因此本项目主要研究槽道流的亚临界转捩。首先,我们拟寻找到大量的槽道流精确相干态,并用同伦方法把解从旋转槽道流(Wall & Darren, 2013)继续推广至无旋槽道流;其次,通过对称性分析,对这些相干态分类,将对Ehrenstein & Koch (1991)槽道流中的二次流问题重新进行非线性分析,以补充可能的新解。

结项摘要

流动转捩在科学和工程学的各个领域中都很重要,但其仍然是物理学尚未解决的问题之一。在过去的十年中,对高维系统中混沌动力学的理解为研究湍流带来了新的发展,包括发现了Navier-Stokes方程的不变解,即精确相干态,它构成了湍流的“骨架”。.本项目的研究路径为获得无法被普通的DNS方法获得的不稳定非线性状态。我们通过沿流向/展向的傅里叶级数和沿壁面法线方向的切比雪夫多项式来表达有限振幅扰动。将它们代入Navier-Stokes方程组后,通过牛顿法对所得的扰动幅值二次方程进行数值求解。此外,我们利用扰动空间形式的对称性分析,基本流或二次流的线性稳定性分析所产生的本征模态被视为要获得的非线性解的对称性的主要组成部分。我们还使用同伦方法,从其他系统中的已知解决方案继续引入新的非线性解决方案。我们的分析还辅以DNS方法。.本项目在理解亚临界/超临界到湍流过渡方面已经取得了如下进展:.1.该项目通过总结和汇集了由同伦分析获得的平面库埃特流和管道流(Nagata,2016)中的精确相干结构, 指出了湍流转捩可以在不存在线性不稳定的情况下发生,因此基本层流状态到“突然“非线性亚临界转捩是可能的。.2.该项目开始于旋转平面库埃特流,阐明了小旋转速率下各种三维流的分叉结构。特别是,从理论上证明了倾斜涡旋结构的存在。.3. 我们的工作就Ehrenstein&Koch(1991)在槽道流转捩的开创性论文进行了重大的修正。与他们的结论相反,我们证明在二维最小雷诺数以下,没有任何三次流存在。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Exact Coherent Structures in Shear Flows. Part 3. Rectangular duct and pipe flows (Another challenge)
剪切流中的精确相干结构。
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Journal of Japan Society of Fluid Mechanics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Nagata M
  • 通讯作者:
    Nagata M
Exact Coherent Structures in Shear FlowsPart 1. Search for a nonlinear three-dimensional steady solutionin plane Couette flow (challenge and failure)
剪切流中的精确相干结构第 1 部分:搜索平面 Couette 流中的非线性三维稳态解(挑战和失败)
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    JOURNAL OF JAPAN SOCIETY OF FLUID MECHANICS
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    M.Nagata
  • 通讯作者:
    M.Nagata
Exact Coherent Structures in Shear Flows. Part 4. Homotopy continuation analysis on exact coherent structures between plane Couette flow and Hagen Poiseuille flow
剪切流中的精确相干结构。
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Journal of Japan Society of Fluid Mechanics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Nagata M
  • 通讯作者:
    Nagata M
Exact Coherent Structures in Shear FlowsPart 2. Search for a nonlinear three-dimensional steady solutionin plane Couette flow (rewarded efforts)
剪切流中的精确相干结构第 2 部分:搜索平面 Couette 流中的非线性三维稳定解(奖励努力)
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    JOURNAL OF JAPAN SOCIETY OF FLUID MECHANICS
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    M.Nagata
  • 通讯作者:
    M.Nagata
Homotopy between exact coherent structures in shear flows
剪切流中精确相干结构之间的同伦性
  • DOI:
    10.1007/s11012-016-0518-8
  • 发表时间:
    2016-08
  • 期刊:
    Meccanica
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    M.Nagata
  • 通讯作者:
    M.Nagata

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其他文献

光沢知覚における輝度分布の2階微分成分の役割
亮度分布的二阶微分分量在光泽感中的作用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2009
  • 期刊:
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    永田雅人;岡嶋克典;大住雅之
  • 通讯作者:
    大住雅之
光沢知覚における輝度分布の形状復元と2階微分
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2008
  • 期刊:
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  • 作者:
    永田雅人;岡嶋克典;大住雅之
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    大住雅之
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    2009
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    --
  • 作者:
    永田雅人;岡嶋克典;大住雅之
  • 通讯作者:
    大住雅之
中心周辺拮抗型受容野フィルタを用いた光沢の検出と制御
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    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    永田雅人;岡嶋克典
  • 通讯作者:
    岡嶋克典
高速流体力学
高速流体力学
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    --
  • 发表时间:
    2010
  • 期刊:
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    小野頌太;島弘幸;落合芳博,早川雄太;Osamu Watanabe;大河内徹;永田雅人
  • 通讯作者:
    永田雅人

其他文献

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永田雅人的其他基金

精确相干态在转捩和完全发展湍流中对湍流结构生成和发展的作用研究
  • 批准号:
    91752113
  • 批准年份:
    2017
  • 资助金额:
    96.0 万元
  • 项目类别:
    重大研究计划

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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