Turbulent transport by diffusive stratified shear flows: from local to global models. Part I: Numerical simulations of a stratified plane Couette flow
正如Zahn（1974）所讨论的那样，剪切诱导的湍流在恒星辐射区的动量和化学物质的混合中起着重要的作用。在本文中，我们分析的分层平面Couette流的直接数值模拟的结果，在快速的热扩散的限制，测量的湍流扩散率和湍流粘度的函数的局部剪切和局部分层。我们发现，Zahn（1974）提出的稳定性判据，即梯度Richardson数和Prandtl数的乘积必须小于不稳定性的临界值$(J\Pr)_c$，充分地解释了流动中向湍流的转变，其中有$(J\Pr)_c \simeq 0.007$。该结果恢复并证实了Prat et al.（2016）的先前发现。湍流扩散率和粘性的Zahn模型（Zahn 1992），即混合系数应与热扩散率与梯度Richardson数之比成比例，当按原样应用时，不能令人满意地匹配我们的数值数据。它失败（如预期）在大分层的限制，其中理查森数超过上述阈值的不稳定性，但它也失败的限制，低分层的湍流涡尺度成为有限的计算域的大小。我们提出了一个修正的扩散分层剪切不稳定性的湍流混合模型，现在正确地解释了这两个限制，符合我们的数据令人满意，并恢复Zahn的1992年模型在大雷诺数的限制。
2016-10-14 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Experimental properties of continuously-forced, shear-driven, stratified turbulence. Part 1. Mean flows, self-organisation, turbulent fractions
我们研究了分层倾斜管道（SID）中的交换流的实验性质，这些交换流同时是湍流的，由平均垂直密度梯度强烈分层的，由平均垂直剪切驱动的，并且连续地由重力强迫。我们专注于核心剪切层远离管道壁，这些流量是优秀的实验可实现的近似规范双曲正切分层剪切层，其迫使允许平均和湍流特性达到准稳态。我们分析了国家的最先进的数据集的时间分辨密度和速度在三维子体积的管道在16个实验，涵盖了一系列的流态（霍姆波，间歇性湍流，全湍流）。在第1部分中，我们首先揭示了多维参数空间（雷诺数，体理查森数，速度密度层厚度比）中的允许区域，以及它们与实验可控参数的联系。哈罗德平均余额，然后揭示了微妙的动量强迫和耗散机制，在每一层中，扩大或锐化的密度接口，以及这些流量的流向非周期性的重要性。平均流量表明自相似的速度和密度分布的趋势，增加湍流，梯度理查森数统计支持以前的内部混合理论的平衡理查森数，边际稳定性和自组织临界。湍流体积分数拟能和翻转阈值的基础上量化不同制度之间的湍流的性质，同时突出了在时空间歇性流动中获得代表性统计数据的挑战。这些见解可能会刺激和协助发展的数值模拟与更高程度的实验现实主义。
2021-03-16 physics.flu-dyn
Lagrangian and Eulerian accelerations in turbulent stratified shear flows
采用直接数值模拟的方法研究了均匀剪切湍流和均匀稳定层结中流体质点的拉格朗日（LA）和欧拉加速度（EA）特性。Richardson数从对应于非分层剪切流的$Ri=0$变化到对应于强分层剪切流的$Ri=1$。LA和EA的概率密度函数（pdf）都具有拉伸指数形状，并且它们对Richardson数具有强烈且相似的影响。EA的极值比LA观察到的极值更强。几何统计学解释说，由于欧拉和对流加速度的相互抵消，EA的幅度大于其拉格朗日对应物，因为这两个矢量在统计上显示出反平行的偏好。一个基于小波的尺度相关分解的LA和EA进行。对于较小尺度的湍流运动，加速度pdf的尾部变得更重。因此，平坦度随着尺度的减小而增加，这表明在较小尺度下具有更强的不稳定性。LA和EA的联合PDF表明，随着理查森数的增加，在更大尺度的湍流运动的趋势更强的相关性。对纳维-斯托克斯方程中各项的考虑表明，LA主要由压力梯度项决定，而EA主要由非线性对流项决定。
2021-07-21 physics.flu-dyn
Stratified shear flow instabilities in the non-Boussinesq regime
斜压扭矩对波传播的影响通常被忽略的Boussinesq近似下，在这里进行了研究，特别关注的相关后果的剪切不稳定性所产生的一对涡传播波之间的相互作用的机械解释。为了说明和阐明修改波传播的物理效应，我们考虑三个例子的复杂性增加：波传播支持的均匀背景流;波传播支持的分段线性基本状态具有一个跳跃;和不稳定问题的分段线性基本状态具有两个跳跃，这支持剪切不稳定的可能性。我们发现，非Boussinesq效应引入了一个偏好的波的传播方向，这取决于该地区的剪切波的支持的符号。这反过来又会影响波的锁相，这对剪切不稳定性的机械解释至关重要，并且在这里被认为具有内在的稳定趋势。
2015-07-22 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Unbalanced instabilities of rapidly rotating stratified shear flows
本文研究了在强旋转和层化条件下，旋转、分层、无粘的槽道水平面Couette流的线性稳定性。能量参数被用来表明，不稳定的扰动必须有大的波数。这促使使用的WKB方法，在第一种情况下，提供了一个近似的色散关系的各种波，可以在流中传播。这些是开尔文波，被困在通道壁附近，惯性-重力波有或没有转折点。虽然，波相速度被发现是真正的Rossby数的所有代数订单，我们建立的流量，无论是气旋或反气旋，是无条件不稳定的。这是具有相反符号的波动量的波之间的线性共振的结果。我们得到渐近估计的不稳定增长率，这是指数小的Rossby数，并确认它们通过数值计算。我们的结果扩展了Kushner等人（1998）和Yavneh等人（2001）的结果，突出了在地球物理流体动力学中广泛使用的所谓平衡模型的局限性，该模型滤除了开尔文波和惯性重力波，从而预测了库埃特流的稳定性。它们也与泰勒-库埃特流和天体物理吸积盘的稳定性有关。
2006-11-06 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A statistical mechanics approach to mixing in stratified fluids
预测当一定量的能量注入Boussinesq流体时发生多少混合是分层湍流中的一个长期问题。在这些过程中涉及的大量的自由度使得确定性的方法非常困难的问题。在这里，我们提出了一个统计力学的方法产生的累积，全球混合效率作为一个全球理查森数和背景浮力剖面的函数预测。
2016-10-27 physics.flu-dyn
Turbulent Prandtl number and characteristic length scales in stably stratified flows: steady-state analytical solutions
在这项研究中，湍流普朗特数（$Pr_t$）的稳定性依赖的量化通过一个新的和简单的分析方法。基于方差和通量收支方程，首先提出了一种混合长度尺度公式，并建立了它与已知长度尺度的函数关系。其次，利用这些长度尺度的比值导出$Pr_t$和梯度理查森数之间的显式关系。此外，还对几个关键湍流变量进行了理论预测（例如，耗散率，归一化通量）。从我们提出的方法的结果进行比较，对其他竞争的配方，以及公布的数据集。总的来说，不同的方法之间的协议是相当不错的，尽管他们不同的理论基础和假设。
2021-09-13 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Layer formation in horizontally forced stratified turbulence: connecting exact coherent structures to linear instabilities
我们认为湍流分层的“Kolmogorov”流，驱动水平剪切的正弦体强迫的形式中存在一个强加的背景线性稳定分层在第三个方向。这种流动结构允许对相干结构的形成进行受控调查，相干结构在这里通过随着分层强度的增加而使背景切变倾斜来将流动组织成水平层。通过数值收敛精确的稳定状态从直接数值模拟的混沌流，我们表明，第一次，一个强大的连接线性理论预测不稳定性从无穷小扰动的强大的有限振幅非线性分层状态中观察到的湍流。我们调查所观察到的垂直长度尺度是如何与主要的线性不稳定性，并与先前考虑的剪切不稳定性导致在其他水平剪切流层形成的例子进行比较。
2017-09-11 physics.flu-dyn
Long-wave instabilities of sloping stratified exchange flows
本文在倾斜分层交换流中发现三种新的长波不稳定性，它们可在强分层背景流中增长并诱发湍流混合，揭示了一条新的能量交换路径。
2023-09-18 physics.flu-dyn
Extreme vertical drafts as drivers of Lagrangian dispersion in stably stratified turbulent flows
本研究利用数值模拟探讨了极端垂直气流对稳定分层湍流中拉格朗日粒子对相对扩散的加速作用，并量化了其与经典Richardson标度的偏差，对大气海洋混合及污染物输运具有重要意义。
2025-09-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
The evolution of localized vortex in stably stratified flows
在Boussinesq近似下，利用流体冲量概念分析了稳定分层流中局部涡的演化。描述流体脉冲的时间发展的方程组具有积分-微分特征，其中表示分层效果的项出现为流体脉冲的分量的卷积积分和时间依赖的“记忆”函数。这些功能的情况下，外部的平行剪切流只在重力的方向上变化，并受到本地化的二维和三维扰动计算。从演化方程的解可以看出，在这两种情况下，都有一个理查森数的范围，其中与扰动相关的流体冲量呈指数增长。对于二维和三维情况，该范围的上限为Ri ~ 1.23和Ri ~ 0.89。这两种情况的特征还在于Richardson数的临界值（两种情况下约Ri ~ 0.3），超过该值，解表现出振荡行为。事实上，这种振荡行为已经在湍流中观察到，正如本研究所示，它是嵌入稳定分层剪切流中的非波动局部涡的固有特征。这篇论文写于2001年，现在出版，没有任何修改和新的补充。
2021-12-12 physics.flu-dyn
Anisotropy of emergent large-scale dynamics in forced stratified shear flows
Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics（应用数学与理论物理系）；University of Cambridge（剑桥大学）
研究揭示了强迫层化剪切流中大尺度动力学的各向异性，通过数值模拟发现剪切层半深度收敛至有限值，并观察到大尺度流结构的形成。
2025-10-28 physics.flu-dyn
A wave interaction approach to studying non-modal homogeneous and stratified shear instabilities
Holmboe（1962）假设，在理想化（折线剖面）、均匀或密度分层的无粘剪切层中，两个或多个渐进线性界面波之间的共振相互作用产生指数增长的不稳定性。在本文中，我们推广了Holmboe的线性剪切不稳定性的机制图片（i）最初没有指定波的类型，（ii）通过提供非正常增长的选项。我们提出了一个纯粹的运动学模型，由两个线性的，多普勒频移，渐进的界面波在相反的方向移动，线性剪切不稳定性背后的机制。此外，我们已经找到了一个必要和充分（N&S）的条件存在的指数增长的不稳定性在理想化的剪切流。这两个界面波，从任意初始条件开始，最终锁相和共振（指数增长），提供了N&S条件得到满足。在达到稳定状态之前发生的不稳定机制是非模态的，有利于快速瞬态增长。我们的波相互作用模型的理论基础类似于两个耦合谐振子之间的同步。我们提出的模型是用来研究三个著名的类型的剪切不稳定性-瑞利/开尔文-亥姆霍兹，Holmboe和泰勒-考菲尔德。我们表明，N&S条件为每种不稳定类型提供了一系列不稳定波数，并且该范围与基于规范正模的线性稳定性理论的预测相匹配。
2014-06-30 physics.flu-dyn
Short-wavelength secondary instabilities in homogeneous and stably stratified shear flows
我们提出了一个数值研究三维，短波长的线性不稳定性的Kelvin-Helmholtz（KH）涡在均匀和分层的环境。使用二维数值模拟产生的基流的特征在于基于初始一维速度和浮力剖面定义的雷诺数和理查森数。局部稳定性方程，然后解决封闭的流线在涡基流，这是假定准定常。对于非层结的情况下，椭圆形不稳定性的涡核占主导地位，在被接管的涡边缘的双曲线不稳定性。对于分层的情况下，早期的不稳定性包括一个占主导地位的椭圆形不稳定性的核心和双曲线不稳定性的强烈影响的分层在涡边缘。在中间时间，当地的方法显示了一个新的分支的不稳定性（对流分支），出现在涡核，随后向涡边缘移动。更多的对流不稳定分支出现在涡核处并远离，然后在大部分时间合并形成涡外围内最不稳定的区域。从本地的方法的主导不稳定性特征被证明是在良好的定性一致性与结果从全球不稳定性研究均质和分层的情况下。分区分析，然后用来阐明剪切和分层上确定的不稳定性的作用。浮力的作用被证明是至关重要的主要KH不稳定饱和后，与占主导地位的对流不稳定发生在最强的静态不稳定分层的区域。最后，我们强调了潜在的洞察力的作用，当地的方法可以提供在其他流量的二次不稳定性的理解。
2018-02-14 physics.flu-dyn
Stability Boundaries and Sufficient Stability Conditions for Stably Stratified, Monotonic Shear Flows
在剪切流和密度的光滑严格单调剖面的假设下，研究了无粘、平行、稳定分层剪切流的线性稳定性，使得局部Richardson数处处为正。通过求解一个单参数的Sturm-Liouville问题族，系统地找到了系统的边缘不稳定模态，这比直接求解Taylor-Goldstein方程更有效地确定了系统的稳定边界.通过论证不存在边缘不稳定模式，我们得到了新的稳定性充分条件，推广了非分层剪切流的Rayleigh-Fjørtoft准则。
2016-01-28 physics.flu-dyn
Optimal excitation of two dimensional Holmboe instabilities
当密度分层集中在剪切层的一个小区域时，高度分层的剪切层即使在高度分层时也会由于Holmboe不稳定性而变得不稳定。这些不稳定性可能导致高度分层环境中的混合。然而，这些不稳定性发生在有限的频带中的参数空间。我们进行广义稳定性分析的二维扰动动力学的无粘Boussinesq分层剪切层，并表明，Holmboe不稳定性在高理查森数可以激发其伴随的振幅是数量级大于最初引入的不稳定模式本身。我们还确定了最佳的增长，获得的参数，没有不稳定性。我们发现，无论背景流是否是指数稳定的或不存在的大的瞬态增长的潜力和Holmboe不稳定的特征结构渐近出现作为一个持久的准模式的参数值的流量是稳定的。
2011-04-20 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Linking dissipation, anisotropy and intermittency in rotating stratified turbulence
分析一个大的数据库的高分辨率的三维直接数值模拟的衰减旋转分层流，我们发现，异常混合和耗散，显着的各向异性，和强烈的不连续性都同时观察到在一个中间政权的参数，其中波和涡非线性相互作用。由分层控制的临界行为发生在Richardson数为1阶时，并且流动接近于不稳定状态。这证实了中央动力学的作用，在旋转分层湍流，大规模的不稳定性，这发生在垂直速度和温度波动，作为一种调整机制的能量转移中存在的强波。
2019-10-05 physics.flu-dyn
Second Moment Closure Modeling and DNS of Stratified Shear Layers
浮力剪切层在许多工程和环境应用中都会遇到，几十年来研究人员一直在实验和建模的背景下进行研究。通常，这些流动具有高雷诺数和理查森数，这导致DNS或LES建模的显著/棘手的时空分辨率要求。另一方面，在这些系统中的许多重要的物理机制，如应力各向异性，尾流稳定性，和政权过渡，固有地呈现涡动粘度为基础的RANS建模不合适。因此，我们追求二阶矩闭合（SMC），即，完整的雷诺应力/通量/方差建模，适用于中等雷诺数的非分层和分层剪切层，DNS是可能的。一系列的子模型的复杂性追求的扩散应力，密度通量和方差，压力应变和混乱，和耗散。这些子模型的评估方面，以及如何以及他们所代表的DNS相比，精确的雷诺平均条款，以及如何以及他们的影响，以及完整的RANS封闭的准确性。对于非分层的情况下，SMC模型预测的剪切层的增长率和雷诺剪应力分布准确。应力各向异性和预算只定性捕获。比较DNS的精确和建模的条款，观察到的模型性能和假设的不一致，包括不准确的预测的个人统计，不可忽略的压力扩散，和耗散各向异性。对于分层的情况下，剪切层和梯度理查森数的增长率，应力，通量和方差衰减率，被捕获的准确性低于相应的流量参数在非分层的情况下。这些研究导致了几个模型改进的建议。
2021-07-24 physics.flu-dyn
Linear Inviscid Damping for Couette Flow in Stratified Fluid
研究了具有指数分层密度的Couette流的无粘阻尼。对于具有最小正则性的一般扰动，得到了速度场和密度的最优衰减率。对于Boussinesq近似模型，我们得到的衰变率与文献中的结果一致。我们还研究了分层流体的全欧拉方程的衰减率，这是以前没有研究过的。对于这两种模型，衰减率以非常相似的方式依赖于理查森数。此外，我们还研究了无切变时由于指数分层引起的频散衰减。
2017-10-10 math.AP physics.flu-dyn
Energy- and flux-budget turbulence closure model for stably stratified flows. Part II: the role of internal gravity waves
我们改进了我们先前的能量和通量预算湍流闭合模型（Zilitinkevich等人，2007，2008）的稳定分层的大气流动，并扩展它占额外的垂直通量的动量和额外的生产的湍流动能，湍流位能（TPE）和湍流通量的位温由于大尺度重力内波（IGW）。IGW的主要效应如下：通量理查森数的最大值（在无IGW区为0.2-0.25的普适常数）变得强可变。在垂直均匀层结中，它随波浪能的增加而增加，甚至可以超过1。在非均匀层结中，当IGW向较强层结传播时，最大通量理查森数随波浪能的增大而减小，最大通量趋于零，然后变为负值。也就是说，位温的垂直通量呈反梯度变化。IGW还降低了湍流的各向异性，增加了TPE在湍流总能量中的份额。根据方向（向下或向上），IGW加强或削弱总的垂直动量通量。该模式的预报结果与大气和实验室试验、直接数值模拟和大涡模拟的数据相一致。
2009-08-18 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Explicit solutions and linear inviscid damping in the Euler-Boussinesq equation near a stratified Couette flow in the periodic strip
本文针对周期条带中稳定分层Couette流附近的线性化Boussinesq方程，构造显式解，并利用极限吸收原理与振荡积分方法证明任意正Richardson数下扰动密度和速度场的最优无粘阻尼。
2023-09-19 math.AP physics.flu-dyn
Mixing and entrainment are suppressed in inclined gravity currents
我们探索的动力学倾斜的时间重力流使用直接的数值模拟，并发现当前创建一个环境中，通量理查森数$Ri_f$，梯度理查森数$Ri_g$，湍流通量系数$Γ$是恒定的，在很大一部分的深度。改变倾斜角$α$修改这些混合参数，并且流动接近最大Richardson数$Ri_\textrm{max}\approx 0.15$作为$α\rightarrow 0$，在该最大Richardson数处夹带系数$E \rightarrow 0$。湍流普朗特数在所有的倾斜角下都保持$O(1)$，这表明$E\rightarrow 0$不是由Ellison（1957）指出的湍流浮力通量的关闭引起的。相反，由于流动需要越来越大的剪切来维持相同的湍流水平，因此湍流强度作为$α\rightarrow 0$变为零，从而发生$E \rightarrow 0$。我们开发了一个近似模型有效的小$α$是能够准确地预测$Ri_f$，$Ri_g$和$Γ$作为一个功能的$α$和他们的最大可达到的值。该模型预测的卷吸规律的形式$E=0.31(Ri_\textrm{max}-Ri)$，这是与模拟数据吻合得很好。这里提出的模拟和模型有助于越来越多的证据表明，一种方法，以一个边缘或临界稳定，相对较弱的分层平衡分层剪切流很可能是一个通用的属性湍流分层流。
2019-03-14 physics.flu-dyn
Effect of free surface on submerged stratified shear instabilities
在这里，我们考虑了区域的浅度以及空气-水自由表面对下面流体的分层剪切不稳定性的影响。首先，我们数值求解非Boussinesq泰勒-戈尔茨坦方程光滑的速度和密度分布的模型剪切层与自由表面。当流体的深度与剪切层厚度相比相对较浅时，存在于自由表面处的表面重力波更接近存在于剪切层中的波。这可能导致共振波相互作用，使流动不稳定到更多种类的模态不稳定性。为了更深入地了解不稳定机制，我们进行了分析研究与折线配置文件。此外，还开发了降阶折线轮廓，基于其构建色散图。通过这些图，我们已经证实了导致每种不稳定性的共振相互作用波。已经发现了两种新的不稳定性，其中之一，被称为表面重力-界面重力（SG-IG）模式，由于表面重力波和界面重力波之间的相互作用而产生，如果没有内部密度分层，则不存在。另一种模式--地面重力-低涡（SG-LV）模式是由于地面重力波与低涡波相互作用而产生的，它超过Kelvin-Helmholtz不稳定性成为最不稳定的模式。除了Holmboe不稳定性，观察到显着的差异，在所有其他不稳定性发生在浅域时，空气-水界面被替换为一个刚性盖。我们推断，刚性盖近似是有效的大垂直域。我们还表明，如果剪切是在自由表面缺席，我们的问题可以使用Boussinesq型近似建模。
2018-03-20 physics.flu-dyn
Rotational Instabilities in Stratified Miscible Layers
旋转平台内分层多相流的不稳定性在微混合和微机械中具有重要的应用价值。离心驱动可以在驱动流动中发挥重要作用，科氏力可以通过使流动不稳定来在短时间内增强混合。在这项研究中，我们专注于科里奥利力的影响旋转粘性分层流与薄扩散混合层之间的两个流体层。模态稳定性分析是用来估计的关键参数，即旋转数，雷诺数，和波数，这是负责调制不同的粘度对比的不稳定机制。本研究探讨了旋转力对粘性力和惯性力的竞争影响。相应地，旋转方向（顺时针/逆时针）对时空不稳定机制有显著影响，逆时针旋转促进不稳定。通常，对于较薄的混合层，关于流向扰动的可混溶粘性分层流动变得更不稳定。相反，我们的数值计算证实了一个完全相反的情况下，考虑科里奥利力驱动的不稳定性的互溶系统的展向扰动。从基流和扰动与基流之间的能量涨落两个方面讨论了可能的物理机制。对二维和三维不稳定性进行了比较，以便对本文所考虑的流动系统的线性不稳定性有一个清楚的认识。速度和粘度扰动分布显示了混合层附近和远离混合层的涡之间的临界结合，这可能是不稳定性相对于粘度比和旋转方向的变化的原因。
2018-11-28 physics.flu-dyn
First-order buoyancy correction of modal instabilities in stratified boundary layers
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）；University of Leicester（莱斯特大学）
该研究提出了一种框架，用于在层化边界层中考虑浮力对模态不稳定性的一阶修正，揭示了浮力在不同流体和条件下的稳定或不稳定作用。
2025-11-26 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Speaker-wire vortices in stratified anabatic Prandtl slope flows and their secondary instabilities
静止的纵向涡卷出现在下降和上升普朗特斜坡流由于流剪切的浮力的法向分量的优势。在这里，我们进一步确定这些纵向辊的自配对作为一个独特的流动结构。反向旋转涡对的拓扑结构与扬声器线有着惊人的相似之处，它们之间的相互作用是流场进一步不稳定和分解成更小结构的前兆。就其本身而言，扬声器线涡流保持其独特的拓扑结构，而没有任何涡流重连或分裂。对于一个固定的倾斜角$α=3^{\circ}$和在一个恒定的普朗特数，我们分析了扬声器线涡的饱和状态，并进行了双全局线性稳定性分析的基础上，他们的平稳状态。我们建立的基础和次谐波二次不稳定性依赖于扬声器线涡的基态的流通和横向波长的存在。相对于基本模式的次谐波模式的优势，有助于解释一个单一的涡对的相对稳定性相比，在存在两个或偶数对的涡动力学。这些不稳定模式是必不可少的弯曲和合并的多个扬声器线涡，打破，导致更多的动态不稳定状态，最终铺平了道路过渡到湍流。通过直接数值模拟，我们能够跟踪这些不稳定性的非线性时间演化证明了这个过程。
2022-06-03 physics.flu-dyn
Sheared stratified turbulence driven by Kolmogorov flow
Institute of Atmospheric Sciences and Climate, National Research Council（大气科学与气候研究所，国家研究委员会）
研究由Kolmogorov流驱动的分层湍流，发现高分层导致稳定界面促进层流化，同时混合层中湍流持续并遵循幂律关系。
2025-12-15 physics.flu-dyn
Two pathways to diapycnal mixing in strongly stratified flows with no initial vertical shear
Department of Applied Mathematics, Baskin School of Engineering, University of California Santa Cruz（加州大学圣克鲁兹分校巴斯金工程学院应用数学系）
研究无初始垂直剪切的强分层流中湍流的两条路径：一条通过水平剪切不稳定的垂直调制模态产生垂直剪切，进而触发开尔文-亥姆霍兹不稳定性；另一条通过垂直不变模态演化出二维涡旋，再经三维双曲不稳定性产生垂直剪切，最终导致小尺度混合。
2026-06-12 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Stratified inclined duct: two-layer hydraulics and instabilities
分层倾斜导管（SID）维持交换流在一个长的，轻轻倾斜的管道作为一个模型，连续强制密度分层流，如那些发现在河口。实验表明，出现的界面波和它们的过渡到湍流的倾斜角的增加似乎与阈值的交换流量由无粘性的两层水力学。我们发现这些水力机制与（i）最近的直接数值模拟（DNS）提供了完整的流量数据，在关键的流动制度（朱和Atoufi等人，arXiv：2301.09773，2023），（ii）平均这些DNS分为两层，（iii）无粘性两层浅水和不稳定理论，以诊断界面波的行为，并提供物理见解。层流在整个管道中是亚临界和稳定的，并且在管道的端部处是液压控制的。随着倾斜的增加，流动变得到处都是超临界的，并且对长波不稳定。一个内部的起伏跳跃，具有驻波首先出现在附近的中心的管道，然后导致较大幅度的行波，并在最大的倾斜角更强的跳跃，波破碎和间歇性湍流。长波（非线性）浅水方程描述的局部解释为线性波的两层平行的底流描述的泰勒-戈尔茨坦方程。这种联系有助于我们解释长波不稳定性，并将其与短波（例如开尔文-亥姆霍兹）不稳定性进行对比。我们的研究结果表明，通过长波不稳定性依赖于垂直限制的顶部和底部的墙壁在SID湍流的过渡。
2023-01-30 physics.flu-dyn
Flame interactions in a stratified swirl burner: flame stabilization, combustion instabilities and beating oscillations
本文采用实验和数值模拟相结合的方法研究了一种新型分层旋流燃烧器中先导火焰和主火焰之间的相互作用。实验是在大气条件下进行的。该系统配备了BASIS（北航轴向旋流器独立分层）燃烧器，燃料为预混甲烷-空气混合物。为了说明引燃火焰和主火焰之间的相互作用，研究了三种操作模式，其中燃烧器工作于：（i）仅引燃火焰，（ii）仅主火焰，以及（iii）分层火焰（具有引燃火焰和主火焰两者）。我们发现：（1）在引燃火焰模式中，当主级从关闭切换到供给纯空气流时，火焰从V形变为M形。发现由于主空气对甲烷引燃火焰的稀释，M形火焰中存在强烈的振荡。(2)在主火焰模式中，如果先导级被供应有空气，则主火焰从燃烧器升起。主回流区温度显著下降，非定常放热加剧。(3)在分层火焰模式中，独特的拍频振荡在压力谱中表现出双密集频率。这是在先导级和主级之间的当量比组合的窄窗口内观察到的。实验数据的详细分析表明，火焰动力学和热声耦合在这两个频率是类似的不稳定的先导火焰和附着的主火焰的情况下，分别。利用OpenFOAM进行了大涡模拟（LES），以了解不同运行模式下时均火焰形状的机理。最后，提出了一个简单的声学分析，以了解拍频振荡的声学模式的性质。
2021-03-01 physics.flu-dyn
Forced Stratified Turbulence: Successive Transitions with Reynolds Number
数值模拟的强制湍流的雷诺数，R，保持固定的强稳定，体积平均密度分层的值的序列。在较小的R值，湍流速度主要是水平的，和动量平衡近似旋和静水。这是一个由所谓的煎饼涡主导的区域，只有内部重力波的弱激发和局部理查森数Ri的大值。在较高的R值有连续的过渡到（a）倾覆运动与局部逆转的密度分层和小或负值的Ri;（b）增长的水平均匀的垂直剪切流分量;和（c）增长的大规模的垂直流分量。在这些转变过程中，饼状涡继续主导湍流的大尺度部分，而重力波分量除了在小尺度上外仍然很弱。
2003-04-22 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Vertical shear instabilities in rotating stellar radiation zones: effects of the full Coriolis acceleration and thermal diffusion
本文通过数值与渐近WKBJ线性稳定性分析，研究完整Coriolis加速度和热扩散对恒星辐射区垂直剪切不稳定性的影响，并提出对应湍流输运的涡黏模型。
2025-01-09 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Marangoni instability of a drop in a stably stratified liquid
当液体界面受到浓度或温度梯度的影响时，会出现马兰戈尼不稳定性。一般认为，对于这些不稳定性，与界面力相比，体积效应（如浮力）可以忽略不计，特别是在小尺度上。因此，稳定层结对马兰戈尼不稳定性的影响迄今被忽略。在这里，我们报告，一个不混溶的下降沉浸在一个稳定分层的乙醇-水混合物，一种新型的振荡溶质Marangoni不稳定性，一旦分层已达到临界值被触发。我们实验探索的参数空间跨越的分层强度和液滴的大小和理论上解释所观察到的交叉从悬浮反弹平衡的平流和扩散周围的下降。最后，稳定分层对马兰戈尼不稳定性的影响在受限几何形状中令人惊讶地被放大，导致更早发生。
2021-03-10 physics.flu-dyn
Turbulent transport in a strongly stratified forced shear layer with thermal diffusion
这项工作提出了数值计算结果的热量和化学物质的运输剪切诱导湍流强烈分层，但热扩散的环境。在这种状态下驱动的剪切不稳定性有时被称为“长期”剪切不稳定性，即使当流动的梯度理查森数（浮力频率与剪切速率之比的平方）很大时，只要佩克莱数（热扩散时间尺度与湍流涡旋的周转时间尺度之比）很小，也会发生剪切不稳定性。我们已经确定了一组简单的标准来确定这些不稳定性是否会发生。一般来说，我们发现，只要流体的热扩散率非常大（通常大于$10^{14}$ cm $^2$ /s），它们就可能是相关的，例如在大质量恒星（$M\ge 10 M_\odot$）的外层就是这种情况。使用一个简单的模型设置，其中剪切力是被迫由空间正弦，恒定振幅的体力，我们已经确定了几个制度，从有效的非分层非常强烈分层，每个都有自己的一套动力学特性。除非系统处于两个极端的政权之一（有效非分层或完全稳定），然而，我们发现（1）只有大约10%的输入功率用于热传输，而其余90%是粘性耗散的;（2）Zahn（1992）的模型很好地近似了有效组分混合系数，其中$D \simeq 0.02 κ_T /J$是热扩散率，$J$是梯度理查森数。然而，这些结果需要通过不同模型设置和更高有效雷诺数下的模拟来确认。
2015-12-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Marangoni instabilities of drops of different viscosities in stratified liquids
对于一个不混溶的油滴浸在一个稳定分层的乙醇-水的混合物，向下溶质马兰戈尼流产生的表面上的下降，由于浓度梯度，和由此产生的推进力竞争对向下的重力加速度的重滴。在Li等人（Phys. Rev. Lett.，Vol.126，issue 12，2021，124502），我们发现对于低粘度的液滴，一旦Marangoni平流对于扩散太强而不能恢复液滴周围的分层浓度场，则触发Marangoni流的振荡不稳定性。在这里，我们实验探索的参数空间的浓度梯度和滴半径为大的油粘度，并找到一个不同的和新的机制，触发振荡不稳定，扩散不再是限制因素。对于这种较高粘度的液滴，当重力作用太强时，不稳定性被触发，使得粘性应力不能维持稳定的马兰戈尼流。这导致了一个临界滴半径，超过这个半径，平衡总是不稳定的。随后，一个统一的缩放理论，包括低和高粘度的油滴的机制。这两种机制之间的过渡被发现是由两个长度尺度：滴半径$R$和边界层厚度$δ$的Marangoni流周围的下降。对于$δ<R$，不稳定性由扩散主导，对于$R<δ$，不稳定性由粘度主导。不同粘度的液滴的实验结果可以很好地用这个统一的标度理论来描述。因此，我们的理论描述提供了一个统一的物理化学流体动力学问题，其中马兰戈尼应力与稳定的分层竞争。
2021-12-03 physics.flu-dyn
Marangoni instabilities of cylindrical drops in a vertical Hele-Shaw cell immersed in stratified liquids
University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院力学研究所）
研究了垂直海利-沙瓦细胞中浸没在分层液体中的圆柱形液滴的马兰戈尼不稳定性，发现两种不同的不稳定性模式，并提出统一的标度理论。
2025-12-18 physics.flu-dyn
Morphological instabilities of stratified epithelia: a mechanical instability in tumour formation
复层上皮与其支持间质之间的界面通常呈现不规则形状。起伏在发育不良组织中特别明显，并且通常在癌中演变成长的指状突起。在先前的工作（Basan等人，物理修订信函106，158101（2011）），我们证明了由上皮细胞更新引起的恒定流动引起的粘性剪切应力引起的不稳定性可以驱动这种现象。虽然两种组织之间的界面张力以及基质的机械阻力倾向于保持平坦的界面，但是对于足够大的粘度、细胞分裂速率和上皮中分裂区域的厚度，会发生不稳定性。在这里，这项工作的扩展，上皮细胞分裂耦合到局部浓度的营养物质或生长因子从基质扩散。这通过类似于晶体生长的单扩散过程中的Mullins-Sekerka不稳定性的机制增强了不稳定性。此外，我们提出的粘弹性基质的广义情况下的不稳定性。
2013-06-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
The combined effects of vertical and horizontal shear instabilities
本研究通过直接数值模拟揭示，在恒星辐射区中，当垂直剪切理查森数大于1时，垂直剪切对湍流混合动力学无影响，可被忽略，从而简化恒星演化计算中的混合系数估计。
2023-11-16 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The effects of spanwise confinement on stratified shear instabilities
我们考虑横向限制对速度和密度分布的不稳定性的影响，这让人想起分层倾斜管道中的交换流，例如Lefauve等人最近的实验（J. Fluid Mech. 848，508-544，2018）。使用正常模式流向和时间的扩展管道中的流动与各种纵横比$B$和非平凡的横向速度分布，我们计算二维（2D）的色散关系与相关的本征函数变化的“”方向，其中的密度变化，展向方向，既垂直于管道壁和流向。我们还比较了这些二维色散关系的所谓的一维（1D）色散关系的展向不变扰动，不同的纵横比$B$和散装理查森数$Ri_b$。在这个有限的参数空间中，侧壁的存在具有稳定作用。此外，占展向变化的扰动的结果在过多的不稳定模式，其数量增加的展弦比增加。这些模式在其空间结构，这是合理的比较，所谓的一维斜（1D-O）的色散关系获得的斜波的奇偶规律。最后，我们表明，在大多数情况下，最不稳定的二维模式是一个在展向方向上的振荡最少，作为粘性阻尼的结果。然而，在一个有限的区域的参数空间和分层的情况下，我们表明，一个更复杂的“扭曲”的结构为主的涡度的二级模式变得更不稳定，比最少振荡的开尔文-亥姆霍兹模式与展向涡度。
2021-10-12 physics.flu-dyn
Kelvin-Helmholtz billows above Richardson number $1/4$
本文研究了有限雷诺数$Re$和普朗特数$Pr=1$下的强迫分层混合层动力系统。我们考虑双曲正切背景速度剖面的双曲正切和均匀背景浮力分层的两种情况。系统以这样一种方式受力，即这些背景轮廓是控制方程的稳定解。众所周知，如果流动的最小梯度Richardson数$Ri_m$小于某个临界值$Ri_c$，则在这两种情况下，流动都是线性不稳定的Kelvin-Helmholtz不稳定性。利用Newton-Krylov迭代法，我们发现$Ri_c$上方存在稳定的二维有限振幅椭圆涡结构，即“Kelvin-Helmholtz浪”。分叉图使用分支延续，我们探讨这些图如何改变不同的$Re$。特别是，当$Re$是足够高，我们发现，有限振幅开尔文-亥姆霍兹波涛存在于$Ri_m>1/4$，其中的流量是线性稳定的迈尔斯-霍华德定理。对于均匀的背景分层，我们给出了一个简单的解释的动力系统，显示的动力学可以理解的二维流形嵌入状态空间，并演示的情况下，系统是可重构的。在双曲正切分层的情况下，我们还描述了一个新的，缓慢增长的，线性不稳定的背景配置文件在有限的$Re$，这复杂的动态。
2019-05-10 physics.flu-dyn
On dissipation time scales of the basic second-order moments: the effect on the Energy and Flux-Budget (EFB) turbulence closure for stably stratified turbulence
本文利用直接数值模拟（DNS）评估基本二阶矩耗散率，修订稳定分层湍流的EFB湍流闭合理论，揭示TKE、浮力通量与TPE间的关键反馈机制，维持任意Richardson数下的剪切稳定分层湍流。
2025-01-29 physics.flu-dyn
Mean velocity profile in stably stratified turbulent channel flow
TU Delft（代尔夫特理工大学）
本研究提出了一种基于摩擦雷诺数和摩擦里兹数的闭合关系，用于评估MOST理论在稳定层理湍流通道流中的适用性，并通过DNS验证了其在预测皮肤摩擦系数方面的有效性。
2025-12-19 physics.flu-dyn
On Holmboe's instability for smooth shear and density profiles
本文研究了光滑密度剖面下剪切分层流的线性稳定性。这项工作的重点是流动的Kelvin-Helmholtz和Holmboe不稳定性的稳定边界的性质。对于一个固定的Richardson数的不稳定模式被限制在有限的频带之间的最小和最大的边缘不稳定波数。本文的结果表明，小波数的稳定性边界是由中性模式的相速度等于最大/最小风速，而其他的稳定性边界，大波数，是由奇异的中性模式的相速度的速度剪切的范围内。我们展示了如何在不像以前那样求解整个参数空间的增长率的情况下评估这些稳定边界。结果进一步表明，有一个新的不稳定域，以前没有注意到在文献中。不稳定模式，在这个新的不稳定域中，出现较大的理查森数的值，并与内部重力波频谱的高次谐波。
2005-06-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Linear inviscid damping for stably stratified Boussinesq flows
本文利用极限吸收原理研究了周期通道中 Boussinesq 方程的稳定分层单调剪切流的线性渐近稳定性，精确描述了依赖局部 Richardson 数的四种分层机制下的无粘阻尼，并证明了涡度与密度梯度的亚线性增长及算子谱的纯连续性。
2025-10-31 math.AP physics.flu-dyn
Linear instability in thermally-stratified quasi-Keplerian flows
针对磁旋转不稳定性无法解释原行星盘死区角动量输运的问题，研究发现径向热分层可在准开普勒流动中引发热流体动力学线性不稳定性，给出了标度关系与参数影响规律，完善了热致不稳定转变路径。
2024-10-07 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Activity induced turbulence in driven active matter
考虑了驱动分层活性物质中的湍流。表征该问题的相关参数是雷诺数Re和活性物质类Richardson数R。在Re>>1，R<<1的混合极限下，我们证明了标准Kolmogorov能谱5/3定律的实现。另一方面，在分层极限Re>>1，R>>1时，出现了一个新的湍流普适类，具有7/5定律。从一个政权到其他的交叉进行了详细讨论。实验预测和探针进行了讨论。
2021-09-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.CD
A hierarchy of energy- and flux-budget (EFB) turbulence closure models for stably stratified geophysical flows
本文从湍流动能、位能、动量通量和浮力通量的收支方程和湍流耗散时间尺度的松弛方程出发，提出了湍流能量和通量收支闭合的物理背景。该闭合是为从中性到非常稳定的分层地球物理流设计的，并考虑了地球自转。根据现代实验证据，封闭性意味着在任何梯度理查森数Ri下，速度切变都能维持湍流，并区分两种主要不同的状态：Ri << 1时的“强湍流”，典型的边界层流，其特征是湍流普朗特数几乎恒定;以及Ri > 1时的“弱湍流”，这是自由大气或深海的典型特征，其中湍流普兰特数随着Ri的增加而渐进线性增加（这意味着与动量传递相比，对热量传送的抑制非常强）。在不同的应用中使用，封闭制定在不同层次的复杂性，从本地代数模型相关的稳定状态的湍流制度的层次结构的非本地封闭，包括更简单的下降梯度模型，提出的涡流粘度和涡流传导率，和一般的非梯度模型的基础上预测方程的湍流，包括湍流通量的所有基本参数。
2015-05-12 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Nonlinear modeling of wave-topography interactions, shear instabilities and shear induced wave breaking using vortex method
线性剪切不稳定性的理论研究通常使用简单的速度和密度分布（例如，恒定的，分段的），以获得良好的定性和定量预测的初始扰动。此外，这种简单的配置文件提供了一个极小模型，以获得否则难以捉摸的剪切不稳定性的机械理解。然而，除了少数特定情况下，简单的配置文件的功效仍然限于线性稳定性范例。在这项工作中，我们提出了一个通用的框架，可以模拟各种分层剪切不稳定性的完全非线性演化，以及波-波和波地形相互作用的问题，具有简单的配置文件。为此，我们已经修改了经典的涡方法，将Birkhoff-Rott方程扩展到多个接口，此外，还将背景剪切穿过密度接口。后者更微妙，并且源于理解伯努利方程不仅限于无旋流，而且可以修改以使其适用于分段速度剖面。我们已经解决了各种各样的问题，基本上可以减少到多个相互作用的界面范例，例如溢出和暴跌断路器，分层剪切不稳定性，如Holmboe和泰勒-考菲尔德，射流，甚至波地形相互作用的问题，如布拉格共振。自由滑移边界是一个涡面，用涡方法也能有效地捕捉到它的影响。我们发现，极小模型捕捉关键的非线性特征，例如，波浪破碎特征，如尖点形成和卷起，这是在实验和/或广泛的模拟中观察到的，具有平滑，逼真的轮廓。
2017-09-27 physics.flu-dyn
Stably stratified exact coherent structures in shear flow: the effect of Prandtl number
我们研究如何已知的不稳定平衡的Navier-Stokes方程在平面Couette流适应的存在下，施加稳定的密度差的两个边界之间的普朗特数$Pr$的变化值，粘度密度扩散率的比率，和固定的中等雷诺数，$Re=400$。在两个渐近极限$Pr \to 0$和$Pr \to \infty$，它被发现，这样的解决方案存在于任意高的散装分层，但不同的物理原因。在$Pr \to 0$极限中，由于密度扩散超过平流，远离恒定稳定密度梯度的密度变化变得非常小，允许平衡存在于体Richardson数$Ri_b \lesssim O(Re^{-2}Pr^{-1})$中。或者，在高普朗特数，密度变得均匀化的内部占主导地位的平流，创建强烈稳定的分层边界层，后退到墙上的$Pr\to\infty$。在这种情况下，密度分层和流动基本上解耦，从而减轻增加$Ri_b$的影响。渐近分析中的被动标量制度$Ri_b \lesssim O(Re^{-2})$，揭示了$O(Pr^{-1/3})$厚分层边界层与$O(Pr^{-2/9})$全爆发，引起密度手指的$O(Pr^{-1/9})$长度和$O(Pr^{-4/9})$宽度，侵入一个均匀的内部。最后，增加$Re$到$10^5$在这个制度表明，内部稳定分层密度层可以形成远离边界，分离良好的混合区域。
2019-04-09 physics.flu-dyn
Mixing by offshore wind infrastructure: Resolving the density stratified wakes past vertical cylinders
School of Architecture, Building and Civil Engineering, Loughborough University（拉夫堡大学建筑、土木与土木工程学院）
本研究通过结构解析直接数值模拟，揭示了海上风电设施后两种不同分层条件下涡流混合机制，为验证未来模型提供了关键基准。
2026-02-11 physics.flu-dyn
Exploiting self-organized criticality in strongly stratified turbulence
通过渐近分析推导出强分层湍流的多尺度简化模型，揭示慢大尺度与快小尺度动力学的耦合，并证明准线性简化及边际稳定性条件与自组织临界性证据相符，为极端参数下的三维研究奠定基础。
2021-11-16 physics.flu-dyn
Topology of rotating stratified fluids with and without background shear flow
本文研究背景正弦剪切流对旋转浅水方程和连续分层原始方程拓扑的影响，证明庞加莱波相位奇点在剪切下依然存在，从而解释了赤道 Kelvin 波和 Yanai 波在剪切流中的持续存在。
2023-07-19 cond-mat.mes-hall physics.ao-ph physics.flu-dyn
Nonlinear interactions between an unstably stratified shear flow and a phase boundary
采用高分辨数值模拟方法研究了Péclet（$Pe \in \left[0, 50\right]$）和Rayleigh（$Ra \in \left[2.15 \times 10^3, 10^6\right]$）数为中等值时，Rayleigh-Bénard-Poiffille流动在演化相边界上的流动.平均剪切力和浮力的相对影响使用整体Richardson数：$Ri_b = Ra \cdot Pr/Pe^2 \in [8.6 \times 10^{-1}, 10^4]$进行量化，其中$Pr$是普朗特数。对于$Ri_b = \mathcal{O}(1)$，我们发现，Poiffille流抑制对流运动，导致热传输是由于传导;和，对于$Ri_b \gg 1$的流动特性和热传输密切对应于纯对流的情况。我们还发现，对于某些$Ra$和$Pe$，如$Ri_b \in \left[15,95\right]$，有一个模式的对流单体与一个优选的纵横比的竞争。此外，我们发现在固-液界面上的行波时，$Pe \neq 0$，在定性协议与其他剪切对流在吉尔平\emph{et al.}的实验（\emph{J. Fluid Mech} { \bf 99}（3），第。619-640，1980）和Toppaladoddi和Wettlaufer的线性稳定性分析（\emph{J. Fluid Mech.} { \bf 868}，…
2021-01-19 physics.flu-dyn
Stratified jet with wall effects
Monash University（莫纳什大学）
本研究通过壁面约束的Bickley射流模型，揭示了分层流中短波不稳定性引发平均流不对称、长波结构发射内重力波并显著降低射流速度，且发现一种不依赖壁面、超越Miles-Howard判据的粘性不稳定模式。
2026-09-16 math-ph math.MP physics.flu-dyn
