Annual Review of Fluid Mechanics

▪ Abstract  Interest in novel forms of marine propulsion and maneuvering has sparked a number of studies on unsteadily operating propulsors. We review recent experimental and theoretical work identifying the principal mechanism for producing propulsive and transient forces in oscillating flexible bodies and fins in water, the formation and control of large-scale vortices. Connection with studies on live fish is made, explaining the observed outstanding fish agility.

Reliable full-scale prediction of drag due to rough wall-bounded turbulent fluid flow remains a challenge. Currently, the uncertainty is at least 10%, with consequences, for example, on energy and transport applications exceeding billions of dollars per year. The crux of the difficulty is the large number of relevant roughness topographies and the high cost of testing each topography, but computational and experimental advances in the last decade or so have been lowering these barriers. In light of these advances, here we review the underpinnings and limits of relationships between roughness topography and drag behavior, focusing on canonical and fully turbulent incompressible flow over rigid roughness. These advances are beginning to spill over into multiphysical areas of roughness, such as heat transfer, and promise broad increases in predictive reliability.

An aerodynamic instability known as stall occurs in axial compressors as the mass flow rate is reduced and the blade loading reaches its limit. At this limiting condition, an easily recognizable flow breakdown process, known as spike-type stall inception, is observed in most modern compressors. This article begins by examining measurements from both low- and high-speed compressors to explain the characteristic features of spike-type stall. This is followed by a review of past work on compressor stability and an assessment of recent advances in this field. Included here is a study of the three-dimensional flow features that typify spike formation and its eventual growth into a mature stall cell. We also consider the formation criteria for spike-type stall and the means for early detection and possible control. On the computational side, a possible mechanism for spike formation is identified from three-dimensional studies of the flow in the rotor tip region. This mechanism involves tip-clearance backflow at the blade's trailing edge in combination with forward spillage of tip-leakage flow at the leading edge. This flow pattern implies that a successful stall-control technology will have to rely on an effective means of suppressing tip-clearance backflow and forward spillage.

Humans are faced with a potentially disastrous global problem owing to the current emission of 32 gigatonnes of carbon dioxide (CO₂) annually into the atmosphere. A possible way to mitigate the effects is to store CO₂in large porous reservoirs within the Earth. Fluid mechanics plays a key role in determining both the feasibility and risks involved in this geological sequestration. We review current research efforts looking at the propagation of CO₂within the subsurface, the possible rates of leakage, the mechanisms that act to stably trap CO₂, and the geomechanical response of the crust to large-scale CO₂injection. We conclude with an outline for future research.

The formation of an arterial aneurysm is believed to be a multifactorial and predominantly degenerative process, resulting from a complex interplay between biological processes in the arterial wall and the hemodynamic stimuli on the vessel's wall. Once an aneurysm forms, the repetitive pressure and shear stresses exerted by the blood flow on the weakened arterial wall generally, but not always, cause a gradual expansion. As the wall geometry, composition, and strength progressively degrade through the enlargement process, the aneurysm ruptures when the wall of the distended artery fails to support the stresses resulting from the internal blood flow. This review surveys recent progress in this area and provides a critical assessment of the contribution made by hemodynamics studies to the current understanding of the pathogenesis of the disease and to its clinical management.

▪ Tóm tắt  Chúng tôi xem xét sự phát triển của các mô hình giao diện rải trong động lực học chất lỏng và ứng dụng của chúng cho một loạt các hiện tượng giao diện. Các mô hình này đã được áp dụng thành công cho những tình huống trong đó các hiện tượng vật lý quan tâm có quy mô chiều dài tương ứng với độ dày của vùng giao diện (ví dụ: các hiện tượng giao diện gần tới hạn hoặc các dòng chảy quy mô nhỏ như những gì xảy ra gần các đường tiếp xúc) và các dòng chất lỏng có sự biến dạng giao diện lớn và/hoặc thay đổi hình thái (ví dụ: các sự kiện phá vỡ và hợp nhất liên quan đến các tia chất lỏng, giọt nước, và sóng biến dạng lớn). Chúng tôi thảo luận về các vấn đề liên quan trong việc thiết lập các mô hình giao diện rải cho chất lỏng đơn thành phần và hai thành phần. Các ứng dụng và tính toán gần đây sử dụng các mô hình này được thảo luận trong từng trường hợp. Hơn nữa, chúng tôi đề cập đến các vấn đề bao gồm phân tích giao diện sắc nét liên quan những mô hình này đến bài toán biên tự do cổ điển, các phương pháp tính toán mô tả các hiện tượng giao diện và các mô hình của các chất lỏng hoàn toàn hòa trộn.

▪ Tóm tắt Bài viết này tổng hợp những kết quả và phát hiện cơ bản về rung động do xoắn lối (VIV), đã được thực hiện trong hai thập kỷ qua, nhiều trong số đó liên quan đến việc khám phá khối lượng và độ hút rất thấp, cùng với các kỹ thuật tính toán và thí nghiệm mới mà trước đây chưa có. Chúng tôi tập hợp những khái niệm và hiện tượng mới có tính chất chung đối với các hệ thống VIV, và đặc biệt chú ý đến động lực học xoáy và chuyển giao năng lượng dẫn đến các chế độ rung động, tầm quan trọng của khối lượng và độ hút, khái niệm khối lượng quan trọng, mối quan hệ giữa lực và độ xoáy, và khái niệm "độ đàn hồi hiệu quả", giữa những điểm khác. Chúng tôi trình bày các chế độ dòng xoáy mới, thường trong khuôn khổ của một bản đồ các chế độ xoáy được biên soạn từ các nghiên cứu rung động cưỡng bức, một số trong đó gây ra rung động tự do. Một số cuộc thảo luận tập trung vào các chủ đề đang gây tranh cãi hiện nay, như sự phân tích lực, sự liên quan của dòng chảy mô hình của một hình trụ được gắn đàn hồi đối với các hệ thống phức tạp hơn, và mối quan hệ giữa rung động cưỡng bức và rung động tự do.