[论文解读] Wave Particle Turbulent Simulation of Spatially Developing Round Jets Using a Non Equilibrium Transport Model with a Mixing Length Characteristic Time Closure

Xiaojian Yang, Kun Xu|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2026

Particle Dynamics in Fluid Flows被引用 0

一句话总结

本文提出 WPTS，一种耦合波与粒子分量的动力学非平衡湍流模型，在粗网格上使用基于混合长度的特征时间闭合来模拟射流流动，以在 Re=5,000 和 20,000 下再现射流相似性和湍流特征。

ABSTRACT

In this paper, the wave-particle turbulent simulation (WPTS), a recently developed multiscale, non-equilibrium turbulence modeling approach, is coupled with a turbulence characteristic-time closure derived from Prandtl mixing-length hypothesis and applied to spatially developing round jets. In WPTS, fluid elements in strongly turbulent regions are represented by Lagrangian particles that travel a finite distance before interacting with the background flow field represented in a wave-like (Eulerian) form. This mechanism bears conceptual similarity to the discrete fluid parcels invoked in the Prandtl mixing-length picture. WPTS differs from conventional mixing-length-based turbulence models in two key respects. First, particle evolution follows a non-equilibrium transport mechanism, rather than the equilibrium assumptions typically embedded in eddy-viscosity closures. Second, WPTS advances the wave and particle components in a coupled manner, with the particle fraction governed primarily by the modeled turbulence characteristic time, enabling laminar and turbulent regimes to be represented within a unified framework. Because spatially developing jets provide a canonical test case with well-established similarity behavior, they are used here for evaluation. Specifically, this work (1) develops a mixing-length-based characteristic-time model tailored to jet flows and (2) incorporates it into WPTS to assess predictive performance. The resulting WPTS framework accurately reproduces the jet similarity solution and other characteristic features at Reynolds numbers of 5,000 and 20,000, demonstrating the promise of WPTS as a practical tool for turbulence modeling and simulation.

研究动机与目标

• 开发一个基于混合长度的湍流特征时间模型（tau_t），针对空间发展圆形射流进行定制。
• 将 tau_t 闭合整合到 Wave-Particle Turbulent Simulation (WPTS) 框架中。
• 在中等雷诺数下评估 WPTS 的预测与射流相似性行为的一致性。
• 证明在粗网格上的 WPTS 能再现关键射流特征和过渡行为。

提出的方法

• 使用一个基于动系统BGK的方程来表示带有耦合波（欧拉描述）和粒子（拉格朗日描述）的流体单元分布。
• 在单元界面通过带五阶 WENO-AO 重构的气体动理学（GKS）计算波通量。
• 使用随机粒子来表示未解析的湍流，其传输由非平衡松弛时间 tau_n = tau + tau_t 控制。
• 以 Prandtl 的混合长度假说建模 tau_t 为 tau_t = rho nu_t / p，且 nu_t = (C_ml l)^2 |S|、l = sqrt(D x) + b_ml。
• 以耦合方式推进波与粒子分量；粒子在传播时间 t_f 后被移除，其守恒量返回到波场。
• 通过粒子采样提供湍流产生，并通过粒子运动跟踪流信息的非局部传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 嵌入 WPTS 的基于混合长度的 tau_t 闭合是否能够在 Re = 5,000 与 20,000 时再现关键射流相似性特征？
• RQ2 在粗网格上，WPTS 的非平衡波-粒子耦合相较 DNS/LES 基准对空间发展圆形射流的表现如何？
• RQ3 tau_t 在多大程度上影响粒子分布以及射流芯部和外部径向区域的湍流统计量？
• RQ4 在所提出的闭合下，WPTS 是否能恢复层流到湍流的转变以及自相似射流轮廓？

主要发现

• 在粗网格上，带有基于混合长度的 tau_t 模型的 WPTS 能在 Re = 5,000 与 20,000 下再现射流相似性行为及关键湍流特征。
• 所建模的混合长度随下游距离 x 增大而增大，tau_n 在下游和径向上呈现下降趋势，与预期的射流湍流结构相一致。
• 粒子集中在中心的更湍流区域，并在下游以及向外的层流区域减弱，使得依据 WPTS 的设计可以实现流场的层流回归。
• 该框架展示了通过剩余粒子实现的流信息非局部传输，体现了模型的固有多尺度特性。
• 研究确认 WPTS 作为在分辨率不足网格上的实用湍流建模工具，在典型射流流动中具有潜力。