Nonlinear energy transfers and phase diagrams for geostrophically balanced rotating--stratified flows
平衡统计力学工具已经被发展来获得关于在二维和准二维流中非线性能量传递的自然趋势的指示，如地转平衡中的旋转流和分层流。在这篇文章中，我们考虑了一个简单的模式，这种流动与一个非平凡的垂直结构，即两层准地转流，这仍然适合于分析研究。我们得到的系统的统计平衡的情况下的线性涡度流函数关系，建立相应的相图，并讨论了最可能的结果的非线性能量转移，无论是在水平和垂直方向上，在分层和旋转的存在。
2014-03-10 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.flu-dyn
Analytic solutions of the rotating and stratified hydrodynamical equations
本文研究了二维不可压旋转和分层、旋转和分层Euler方程之间的相互关系以及它们与具有自相似性的正规Euler方程之间的相互关系。四种模型的密度场、压力场和速度场都有解析解，其中有些是复合幂律相关函数。一般来说，解具有丰富的数学结构。一些解显示非物理的爆炸性质，然而其他解是物理上可接受的，并且具有有限的数值和幂律衰减。为了更好的透明度，我们提出了一些最复杂的速度和压力场的数字。
2020-06-05 physics.flu-dyn
An inertia 'paradox' for incompressible stratified Euler fluids
不可压缩性和分层之间的相互作用可以导致在填充刚性上下板之间的无限水平通道的稳定分层的不可压缩欧拉流体的动力学中的水平动量的不守恒。即使在这种构形中只有垂直的外力作用在系统上，也会发生不守恒。这个明显的悖论似乎是本杰明（J.流体机械，第165卷，1986年，第165页。445-474）在他的分类的不变量的对称群与哈密顿结构的欧拉方程在二维设置，但它似乎已在很大程度上被忽视，因为。通过直接与运动方程的工作，悖论在这里示出的是一个后果的刚性盖约束耦合通过不可压缩性与无限的惯性的远端的通道，假设是静止的流体静力平衡。因此，当通过消除分层来去除惯性时，或者，值得注意的是，通过使用惯性项的均匀密度的Boussinesq近似，水平动量守恒被恢复。这种约束之间的相互作用，超距作用的不可压缩性，和惯性层平均的精确结果，两层长波模型，和直接数值模拟的不可压缩的欧拉方程光滑分层说明。
2012-02-27 physics.flu-dyn
Evolution of a Stratified Turbulent Cloud under Rotation
本文结合线性解析、数值模拟与 Lagrangian 粒子追踪，研究旋转分层流体中湍流云的演化，揭示惯性-重力波对柱状结构倾斜、云扩张及能量转移的控制作用。
2023-11-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A new large scale instability in rotating stratified fluids driven by small scale forces
本文发现了一种新的大尺度不稳定性，这种不稳定性表现为强迫湍流中的分层旋转流。湍流是由低雷诺数下的小尺度外力产生的。该理论是建立在严格的渐近方法的多尺度发展。关于力没有其他特别的限制。在以前的论文中，力要么是螺旋的，要么是违反宇称不变性的。在三阶摄动理论下，得到了不稳定性的非线性方程。在这篇文章中，我们解释了详细的研究的线性阶段的不稳定性。
2013-11-12 physics.flu-dyn
Turbulence in stratified rotating topographic wakes
本研究通过大涡模拟系统探究层化旋转三维地形尾流的湍流产生机制，明确了近尾流湍流耗散由KHI和CI两种不稳定性主导的参数依赖关系，为地球物理尾流的观测与模拟提供依据。
2025-08-25 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
Nonlinear vortex structures in obliquely rotating stratified fluids driven by small scale non helical forces
本文研究了具有小尺度非螺旋湍流的倾斜旋转分层流体中的一种新的大尺度不稳定性。小尺度湍流是由螺旋度为零、雷诺数较低的外力作用产生的。该理论使用多尺度渐近发展的方法。在三阶摄动理论下，得到了大尺度运动的非线性方程组。本文考虑线性不稳定性和定常非线性模态。我们得到的非线性贝尔特拉米波的形式和局部涡结构的扭结的新类型的解决方案。
2017-06-01 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
The generalised buoyancy/inertial forces and available energy of axisymmetric compressible stratified vortex motions
已知梯度风平衡中对稳定参考涡的绝热和无粘轴对称扰动会经历两种回复力：一种与扰动密度和参考压力梯度成比例，另一种是纯径向的，与角动量扰动的平方成比例。我们证明了克服这些力将流体块从其平衡位置移动到实际位置所需的功是路径无关的，并且形式上等价于Andrews（2006）和Codoban and Shepherd（2006）先前构建的动量约束的可用能量。物理上，这个功代表了涡旋不平衡部分的能量，因此是涡旋能量的一种形式。它可分为有效声能、倾斜有效势能和离心势能。我们表明，这些能量是正定的条件对应于对称稳定的经典条件，有效的小和有限振幅扰动。新的可用的能量框架具有各种有利的功能，比以前的方法，揭示了新的光的热力学和机械的汇/源的能量控制的加强的平衡和不平衡的部分的温暖的核心气旋性涡旋。这些特征在未来将被证明是有用的，可以在一个统一的理论框架内重新检查和澄清现有的不同热带气旋（TC）增强模式之间的联系。
2020-08-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Inverse cascades and resonant triads in rotating and stratified turbulence
Kraichnan关于逆级联的开创性思想产生了研究地球物理湍流中常见现象的新工具。在大气层和海洋中，旋转和分层导致的流动在非常大的尺度上可以近似为二维，但这需要考虑三维效应，以充分描述湍流传输过程和非线性现象。因此，运动可以分为两类：由惯性重力波组成的快模态，以及科里奥利力和水平压力梯度接近平衡的慢准地转模态。在本文中，我们回顾了以前关于旋转流和分层流中逆叶栅强度的结果，然后提出了关于旋转和分层强度变化（用Brunt-Väisäla频率与Coriolis频率之比$N/f$测量）对波振幅和气流准地转行为的影响的新结果。我们发现，逆级联是更有效的范围内的$N/f$共振三和弦不存在，$1/2 \le N/f \le 2$。然后，我们使用的时空频谱，和表征的流的时间和空间尺度，表明在这个范围内，慢模式占主导地位的动态，而波的强度（和它们的相关性在流动动力学）是较弱的。
2018-01-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Long-term Evolution of Large-scale Magnetic Fields in Rotating Stratified Convection
对流发电机模拟在当地笛卡尔几何。我们首次成功地模拟了一个大规模的振荡发电机在刚性旋转对流没有稳定分层层。激励大规模发电机的关键要求是与欧姆扩散时间相当的足够长的积分时间。通过比较有稳定分层和无稳定分层两种模型，研究了它们对大型发电机的影响。大尺度磁场的时空演化在两种模型中是相似的。然而，有趣的是，在没有稳定层的模型中的磁周期比有稳定层的模型短得多。这表明稳定层对大尺度磁场的周期性变化起了阻碍作用。
2014-03-25 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Elliptical instability of a rapidly rotating, strongly stratified fluid
研究了旋转分层流体在小Rossby数和一阶Burger数区域的椭圆不稳定性，该区域对应于快速旋转和强分层。Floquet问题描述的线性增长的扰动的无界，均匀涡度椭圆流的解决使用指数渐近。结果表明，流动是不稳定的任意强旋转和分层，特别是，无论是气旋和反气旋流是不稳定的。然而，不稳定性很弱，增长率在Rossby数中呈指数级小。获得的增长率的解析表达式阐明其依赖于伯格数和椭圆流的偏心率。它特别解释了气旋流的不稳定性的弱点，增长率仅为相应的反气旋流所获得的增长率的一小部分。用Floquet问题的数值解证实了渐近结果。
2009-02-20 physics.flu-dyn
Self-Replicating Three-Dimensional Vortices in Neutrally-Stable Stratified Rotating Shear Flows
一个以前未知的不稳定性创建空间填充晶格的三维涡在线性稳定，旋转，分层剪切流。不稳定性从一个易激发的临界层开始。该层通过从背景剪切中汲取能量而增强，并卷起成涡流，从而激发新的临界层和涡流。涡流自相似地复制以产生湍流涡流的晶格。漩涡会一直持续下去。这种自我复制发生在分层的库埃特流和原行星盘的死区，在那里它可以去稳定开普勒流。
2013-06-17 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Vertically Sheared Horizontal Flow-Forming Instability in Stratified Turbulence: Analytical Linear Stability Analysis of Statistical State Dynamics Equilibria
在弱或非旋转的层结湍流中经常观察到垂直带状的纬向急流，赤道平流层的准两年振荡和海洋的赤道深急流就是两个例子。解释分层湍流中射流的形成是地球物理流体动力学的一个基本问题。统计状态动力学（SSD）提供了强大的方法来分析湍流系统表现出紧急组织，如带状射流。在SSD中，动力学方程被直接写入湍流统计的演变，使得能够直接分析湍流的非相干分量和作为射流形成基础的相干大尺度结构分量之间的统计相互作用。SSD的二阶闭合，称为S3 T，以前已被应用于显示，在正压β-平面湍流中出现的带状射流通过统计不稳定性，被称为纬向不稳定。二维Boussinesq湍流提供了一个简单的非旋转分层湍流模型，类似于行星湍流的β平面模型。被称为垂直剪切水平流（VSHF）的射流经常出现在Boussinesq湍流的模拟中，但其动力学尚未被清楚地理解。在这项工作中，S3 T分析的纬向不稳定性扩展到研究VSHF出现在二维Boussinesq湍流使用的解析公式S3 T服从扰动稳定性分析。VSHF的形成是通过一个不稳定性，这是类似于在分层湍流的纬向不稳定性β-平面湍流。这种不稳定性被证明是惊人的相似的zonostrophic不稳定性，这表明，射流出现在地转和非旋转分层湍流可以被理解为相同的通用现象的实例。
2018-07-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Vortical and Wave Modes in 3D Rotating Stratified Flows: Random Large Scale Forcing
利用本征函数分解，我们研究了三维旋转分层流体的涡模和波模能量的增长和谱作为$ε= f/N$的函数。在以中等Burger数为特征的制度中工作，即$Bu = 1/ε^2 < 1$或$Bu \ge 1$，我们的结果表明，相对于$Bu = 1$，涡模和波模相互作用的特征发生了深刻的变化。与$ε=1$的参考状态一样，对于$ε< 1$，波模能量很快饱和，随后的前向级联继续作为耗散非地转能量的有效手段。此外，随着$ε$的减小，这些饱和光谱变陡：我们看到$k_f < k < k_d$从$k^{-1}$到$k^{-5/3}$的标度变化（其中$k_f$和$k_d$分别是强迫和耗散标度）。另一方面，当$ε> 1$时，波模能量永远不会饱和，并且在系统中占主导地位。事实上，在某种意义上，波模的行为在$ε= 1$的非对称方式。对于$ε\le 1$的涡旋模态，三维准地转的特征非常明显。具体地说，我们看到一个$k^{-3}$缩放$k_f < k < k_d$，并按照逆能量转移，涡模能量永远不会饱和，而是增加所有$k < k_f$。相比之下，$ε> 1$和增加，涡模式包含的总能量的一个逐步较小的部分，表明3D准地转子系统在整体动态中起着积极较小的作用。
2007-09-25 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Interplay of waves and eddies in rotating stratified turbulence and the link with kinetic-potential energy partition
本文采用世界一流的直接数值模拟方法，使用多达$3072^3$网格点，研究了稳定分层旋转流中波与涡的相互作用。引人注目的是，我们发现，从涡波为主的动力学的转变发生在波数$k_R$不依赖于雷诺数，这表明波和涡模式之间的能量分配是不敏感的发展湍流在较小的尺度。我们还表明，$k_R$是可比的波数在动能和潜在的模式之间的交流稳定在接近均分，强调势能的作用，如在大气和海洋中所示。此外，$k_R$变化的弗劳德数的倒数所解释的缩放预测建议，与最近的观测和建模的中间层，低热层和海洋。
2015-11-11 physics.flu-dyn
Generation of large-scale vorticity in rotating stratified turbulence with inhomogeneous helicity: mean-field theory
本文讨论了具有非均匀动力螺旋度的旋转密度分层发展湍流中大尺度涡量产生的平均场论。我们指出，大尺度非均匀流动是由密度分层旋转湍流和均匀动力螺旋度的联合作用或旋转不可压湍流和非均匀动力螺旋度的联合作用产生的。这些效应导致大尺度剪切的形成，并且由于大尺度剪切和雷诺应力诱导的平均涡量的产生的组合效应，其与小尺度湍流的相互作用又引起大尺度不稳定性的激发（称为涡量发电机）。后者是由于大尺度剪切对雷诺应力的影响。快速旋转抑制了这种大规模的不稳定性。
2018-05-13 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Wave reflection and transmission at interface of convective and stably stratified regions in a rotating star or planet
本文用一个简化的模型研究了对流区与稳定层结区（如恒星的辐射层或气态行星的层结层）交界处的波反射和透射。考虑对流区的惯性波和稳定层结区的重力惯性波。我们从极地开始，然后扩展到任何纬度。讨论了六种情况（见表1），在情况2中，两种波在两个区域共存。对于情况2进一步讨论四种配置。计算了波浪反射和透射的角度和能量比。结果表明，波浪的传播和透射取决于浮力频率与旋转频率的比值。在快速旋转的恒星或行星中，波穿过界面传播，入射波的大部分能量被传输到另一个区域，而在慢速旋转的恒星或行星中，波的传输被抑制。
2020-09-02 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
On the Two-point Correlation of Potential Vorticity in Rotating and Stratified Turbulence
发展了一个描述Boussinesq方程描述的旋转和分层湍流中位涡两点统计的框架。位涡两点关联函数动力学的Karman-Howarth方程揭示了在Rossby、Froude、Prandtl和Reynolds数参数的某些区域中惯性范围动力学的可能性。对于大Rossby数和Froude数的情况，以及准地转动力学的情况，我们导出了位涡与速度之间的三阶混合相关的具有2/3前因子的线性标度律，这一结果类似于湍流理论中三阶速度结构函数的Kolmogorov 4/5律。
2006-03-15 nlin.CD physics.flu-dyn
Lagrangian irreversibility and energy exchanges in rotating-stratified turbulent flows
本研究聚焦旋转分层湍流中波涡相互作用下的能量交换过程，通过示踪粒子相对动能的不可逆演化探究能量级串，发现粒子间距特征尺度与浮力尺度的关联，揭示了不同尺度下势能与动能转换对时间不可逆性的影响规律。
2024-01-26 physics.flu-dyn
On the Asymmetry of Rotating Stratified Throughflows Across Finite Amplitude Topography. Part I: Injection of Boundary Layer PV
我们提出了一个理想化的研究斜压结构的旋转，分层通过一个有限振幅的脊在f-平面上，迫使一个稳定的，均匀的流入和流出的相等的幅度。由此产生的平衡环流的特点是不稳定的，西方加强边界电流和流量沿f/H等值线顶部的山脊附近的波峰，关闭强制流通。我们发现，定位于侧边界流的底部埃克曼动力学放大了简单拉伸/挤压所预期的分层：沿着与净上坡输送相关的反气旋边界流的强烈分层底部锋面（高PV异常），以及底部混合层锋面（消失的PV异常））位于存在净下坡输送的气旋边界流。与两个锋相关的PV异常由斜压增长导致的平均流和涡旋平流，导致高PV沿脊集中的空间分布，低PV被平流到脊下游的内部海洋中，在中间深度。使用的框架，体积集成PV守恒，其中包括与底部地形的净通量，我们符合从底部边界层的脊和净平流脊的PV注入之间的近似积分平衡。这些研究结果之间的相互作用，了解大规模和底边界动力学的影响进行了讨论。
2021-01-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Complete Hamiltonian formalism for inertial waves in rotating fluids
本文提出了旋转不可压缩流体中惯性波的完全哈密顿形式。共振三波相互作用过程-衰减不稳定性和汇合的两个波-被证明是发挥关键作用的弱非线性动力学和统计的惯性波在快速旋转的情况下。研究和讨论了哈密顿方法在惯性波理论中的应用前景。
2017-05-04 physics.flu-dyn
Three-dimensional slow Rossby waves in rotating spherical density stratified convection
本文发展了旋转球形密度分层对流中的三维Rossby慢波理论。Rossby波的频率远小于旋转频率，由基于发展的对流的平衡的非轴对称不稳定性激发。这些波与惯性波和密度分层对流相互作用。对于极低马赫数的流动，采用滞弹性近似来考虑密度分层。我们研究长期行星Rossby波的周期大于两年。我们认为，这些波与南方涛动和厄尔尼诺有关。厄尔尼诺现象是热带太平洋上的风和海面温度的不规则周期性变化，而南方涛动是热带东太平洋和西太平洋之间的表面气压的振荡。南方涛动指数（Southern Oscillation Index，SOI）是南方涛动的一个指数。发展的理论适用于解释的观察周期的SOI。这项研究表明，理论预测和观察之间的良好协议。
2017-07-20 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Tidal dissipation in stably stratified and semi-convective regions of rotating giant planets: incorporating Coriolis forces
本研究建立纳入科里奥利力的球形布西涅斯克模型，发现旋转巨行星的稳定分层流体核可显著增强惯性波与重惯性波的潮汐耗散，足以解释土星卫星迁移率，对系外巨行星潮汐演化也有重要意义。
2023-11-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Nonlinear dynamo in obliquely rotating stratified electroconductive fluid in an uniformly magnetic field
本文研究了一种新的大尺度不稳定性，这种不稳定性出现在具有均匀磁场和小尺度外力且螺旋度为零的倾斜旋转分层粘性流体中。这个力引起小雷诺数的速度的小尺度振荡。利用多尺度渐近展开法，得到了雷诺数为三阶的涡旋扰动和磁扰动的非线性方程组。研究了由$α$效应型不稳定性引起的磁涡流发电机的线性阶段。用数值方法得到了非线性磁涡流发电机方程的定态解，其解的形式为局域混沌结构。
2018-07-03 nlin.CD physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Energy cascades in rotating and stratified turbulence in anisotropic domains
ENS（巴黎高等师范学院）
研究显示，在旋转和层化湍流中，逆向能量级联可在特定条件下由干燥流体动力学产生，可能影响中间尺度大气自组织过程。
2025-08-01 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Double-diffusive convection and baroclinic instability in a differentially heated and initially stratified rotating system: the barostrat instability
在实验室中研究了具有初始制备的稳定的垂直盐度剖面的充水差热旋转环。基于二维水平粒子图像测速（PIV）数据，和红外摄像机可视化，我们描述了斜压不稳定的外观和特点，在这个原始配置。首先，我们表明，当盐度剖面是线性的，并限制在两个非分层层之间的顶部和底部，只有两个单独的浅流体层可以不稳定。这些不稳定层出现在罐的顶部和底部附近，在它们之间有一个分层的静止区。因此，这种实验室安排是特别有趣的模拟地球物理或天体物理的情况下，分层的地区往往并列对流。然后，对于更一般的，但稳定的初始密度分布，统计措施被引入到量化的程度斜压不稳定在给定的深度，并分析这种深度依赖性和垂直盐度剖面之间的连接。我们发现，虽然稳定层结的存在通常会阻碍全深度翻转，双扩散对流可以产生发展的多细胞横向对流在浅层，随后多层斜压不稳定。因此，我们的结论是，通过减少流动的特征垂直尺度，分层甚至可能在局部意义上增强气旋和反气旋涡旋的形成（因此，混合）。
2016-04-27 physics.flu-dyn
Large-scale anisotropy in stably stratified rotating flows
我们提出的结果从直接数值模拟的Boussinesq方程的旋转和/或分层的存在下，无论是在垂直方向。运行在小尺度上各向同性且随机地强制进行，空间分辨率高达$1024^3$网格点和雷诺数$\approx 1000$。我们首先表明，负能通量和逆级联的解决方案，在旋转湍流发展，是否分层存在。然而，纯分层的情况下，其特征在于，而不是由早期的，高度各向异性转移到大尺度几乎为零净各向同性能通量。这与先前观察到垂直剪切水平风发展的研究一致，尽管只是在相当晚的时间。然而，与以前的作品，当足够的尺度分离之间的强迫尺度和域的大小，总能量显示一个垂直（水平）的频谱与功率定律的行为兼容的$\sim k_\perp^{-5/3}$，包括在没有旋转。在后一种纯粹分层的情况下，这种谱是大尺度水平风中所含能量直接级联的结果，这一点可以通过在所有尺度（包括最大分辨尺度）上平行方向上的强正能量通量来证明。
2014-07-17 physics.flu-dyn
Generation of a large-scale vorticity in a fast rotating density stratified turbulence or turbulent convection
在滞弹性近似下，我们发现了一种不稳定性，这种不稳定性会导致在快速旋转的小尺度湍流或湍流对流中产生大尺度涡量，并且沿旋转轴具有非均匀流体密度。大尺度不稳定导致两种模态的激发：（i）以垂直涡度为主的模态，其平均速度与垂直坐标无关;（ii）以水平涡度为主的模态，其平均动量与垂直坐标无关。在快速旋转的密度分层流体动力学湍流或湍流对流中，可以激发出以垂直涡量为主的模态。对于这种模式，平均熵在气旋性涡旋内部耗尽，而在反气旋性涡旋内部增强。只有在快速旋转的密度分层湍流对流中才能激发出以水平涡为主的模态。发展的理论可能与解释在大行星中观察到的巨大风暴的大斑点的起源有关，例如，木星的大红斑和土星的大斑点。它也可能有助于解释快速旋转的晚型恒星中高纬度斑点的起源。
2019-11-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Nonlinear theory of magnetohydrodynamic flows of stratified rotating plasma in two-layer shallow water approximation. Rossby waves and their three-wave interactions
本文研究了在垂直外磁场中自由表面的引力场中天体物理等离子体薄层的旋转磁流体动力学流动。在两层浅水近似下，将等离子体分为两层不同密度的介质，在外加磁场中得到磁流体动力学方程。在β平面近似下，得到了外磁场中旋转分层等离子体的浅水方程组。对于垂直或水平磁场形式的稳定初始条件，已经发展出线性理论，并且已经找到了磁Rossby波形式的解，并对它们进行了修改，以描述分层效应。色散曲线的定性分析表明，存在三波非线性相互作用的磁Rossby波的每个固定的解决方案。参数不稳定性的外观和他们的增量被发现。
2019-07-01 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Critical balance in magnetohydrodynamic, rotating and stratified turbulence: towards a universal scaling conjecture
提出临界平衡-线性传播和非线性相互作用时间尺度之间的尺度平衡-可以用作确定各向异性波系统中强湍流谱的通用标度猜想。磁流体动力学（MHD），旋转和分层湍流被认为是在这种假设下，特别是，一个新的和实验上可检验的能量级联方案和一组缩放的频谱提出了低Rossby数旋转湍流。有人认为，在中性流体中，临界平衡的各向异性级联提供了一个自然的路径，从强各向异性在大尺度上的各向同性Kolmogorov湍流在非常小的尺度。还有人认为，在最近的低Rossby数旋转湍流数值模拟中看到的kperp^{-2}谱可能类似于数值MHD湍流的kperp^{-3/2}谱，在这个意义上，它们可以通过假设波动近似地被极化（排列）为惯性波（MHD的Alfven波）来解释。
2011-06-04 astro-ph.GA astro-ph.SR nlin.CD
Near Resonant Approximation of the Rotating Stratified Boussinesq system on a 3-Torus
基于一种新的近共振处理方法，我们引入了一种新的近似的旋转分层Boussinesq系统的三维环面任意纵横比。旋转和分层参数是任意的，并且不相等。对于任意大的初始数据，我们得到了所提出的非线性系统的全局存在性。该系统是足够准确的，具有慢模式和快模式之间的耦合效应的重要特征。全局存在的关键是精确计算非线性相互作用的相关数量。一个额外的规律性的优势来自于对某些混合型相互作用系数的仔细检查。在更广泛的背景下，我们的近共振方法的意义是一个微妙的平衡之间的包含更多的相互作用的模式和改善的规律性，相比研究充分的奇异极限方法的基础上精确的共振。
2022-12-12 math.AP physics.flu-dyn physics.geo-ph
On the emergence of helicity in rotating stratified turbulence
我们进行数值模拟的衰减旋转分层湍流，并显示，在Boussinesq框架，螺旋度（速度-涡度相关性），观察到的超级单体风暴和飓风，是自发创建的，由于浮力和旋转之间的相互作用共同的大规模大气和海洋流。螺旋度产生于涡旋和惯性重力波（惯性和重力具有各自的相关频率$f$和$N$）的联合作用，并且当波足够强时发生。对于$N/f < 3$的螺旋度产生的量是正确的预测准线性平衡方程。在该区域之外，直到本研究中获得的最高雷诺数，即$Re\approx 10000$，螺旋度的产生被发现是持久的$N/f$大$\approx 17$，和$ReFr^2$和$ReRo^2 $分别大$\approx 100$和$\approx 24000$。
2013-01-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Stability of 3D Gaussian vortices in an unbounded, rotating, vertically-stratified, Boussinesq flow: Linear analysis
通过分析非静力无粘Boussinesq方程，研究了旋转分层流中三维涡的线性稳定性。我们已经集中在一个广泛使用的地球物理学和天体物理学的旋涡模型，它假设一个轴对称的高斯结构的压力异常在水平和垂直方向。对于一系列的Rossby数（$-0.5 < Ro < 0.5$）和Burger数（$0.02 < Bu < 2.3$）相关的观察到的长寿涡，最不稳定的本征模的增长率和空间结构进行了数值计算，并提出了作为$Ro-Bu$的函数。我们只在$Ro-Bu$参数空间的一个小区域上发现了中性稳定涡旋：具有$Ro \sim 0.02-0.05$和$Bu \sim 0.85-0.95$的气旋。然而，我们也发现，反气旋一般有较慢的增长速度相比，气旋。特别是，在参数空间的一个大区域中，反气旋最不稳定的本征模的增长率（例如，$Ro<0$和$0.5 \lesssim Bu \lesssim 1.3$）比$50$涡旋的周转时间（海洋涡旋的周转时间通常相当于几年）慢。对于气旋来说，增长速度如此缓慢的区域仅限于$0<Ro<0.1$和$0.5 \lesssim Bu \lesssim 1.3$。虽然大多数计算都是针对$f/\bar{N}=0.1$（其中$f$和$\bar{N}$是科里奥利和背景布伦特-韦塞拉频率）进行的，但我们已经使用无量纲化方程数值验证并分析解释了结果对将$f/\bar{N}$降低到与海洋更相关的$0.…
2017-04-26 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Restricted Equilibrium and the Energy Cascade in Rotating and Stratified Flows
自然界中出现的大多数湍流（如地球物理和天体物理流动）都受到强烈的旋转和层化作用。这些效应打破了经典的均匀各向同性湍流的对称性。在这样做时，他们引入了波模式和位涡模式方面的相空间的自然分解。与波的传播相关联的新时间尺度的出现，除了涡流周转时间之外，增加了各种尺度之间能量转移的复杂性;非线性相互作用的波可能在某些尺度上占主导地位，而平衡运动可能在其他尺度上占主导地位。最后，如果能量级联像均匀各向同性湍流中那样降尺度，像平衡动力学所预期的那样升高，或者遵循另一种现象，则很难预测\emph{a priori}。在本文中，我们提出了一个理论方法的基础上平衡统计力学的理想系统，从限制配分函数形式主义引入亚稳性研究的启发。在这个框架中，我们分析表明，在旋转的存在下，当动态被限制到慢模式，平衡能谱具有红外发散特性的逆级联制度，而这不是纯粹的分层流的情况下。
2014-01-09 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.flu-dyn
On the inertial effects of density variation in stratified shear flows
在本文中，我们首先回顾了著名的Boussinesq近似在分层流。使用标度参数，我们表明，当背景剪切是弱的，Boussinesq近似产生（i）$A_t\ll \mathcal{O}(1)$或（ii）$Fr_c^2 \ll \mathcal{O}(1)$，其中$A_t$是密度变化的平均密度和$Fr_c$是相速度与长波速度的比率。第二个子句意味着，与通常接受的概念相反，具有大密度变化的流动也可以是Boussinesq的。事实上，我们表明，深水表面重力波是Boussinesq，而浅水表面重力波不是。然而，在中等/强剪切的存在下，Boussinesq近似意味着常规接受的$A_t\ll \mathcal{O}(1)$。为了了解密度变化的惯性效应，我们的第二个目标是探索各种非Boussinesq剪切流，并研究不同类型的稳定传播波，可以存在于不同背景密度和涡度的两种流体之间的界面。此外，三种类型的密度界面-中性，稳定和不稳定-嵌入在背景剪切层，进行了研究。从这些配置，其中包括开尔文-亥姆霍兹，Holmboe，瑞利-泰勒和三角喷流，随之而来的不稳定性进行了研究的共振波相互作用。密度分层和剪切的稳定性，这些流动配置的影响进行了探讨。某些结果，如密度分层的失稳作用、剪切的稳定作用等，显然是违反直觉的，但如果从波相互作用的角度来解释不稳定性，则是可能的物理解释。
2018-12-01 physics.flu-dyn
The Universal Aspect Ratio of Vortices in Rotating Stratified Flows: Theory and Simulation
我们推导出旋转分层流体中稳定且缓慢演变的涡旋的涡旋纵横比$α$（垂直半厚度与水平长度尺度）的关系，作为涡旋$N_c$内和涡旋外背景流体中Brunt-Vaisala频率的函数$\bar{N}$、科里奥利参数$f$和涡旋的罗斯比数$Ro$：$α^2 = Ro(1+Ro) f^2/(N_c^2-\bar{N}^2)$。这个关系式对气旋和反气旋在旋转或地转状态下都是有效的;它适用于Boussinesq流体或理想气体中的涡旋，并且背景密度梯度不需要是均匀的。我们的$α$关系式对旋转分层流中的平衡涡有许多结果。例如，气旋必须具有$N_c^2 > \bar{N}^2$ ;在准地转涡旋中，弱反气旋（具有$|Ro| < 1$）必须具有$N_c^2 < \bar{N}^2; and strong anticyclones must have $ N_c ^2> \bar{N}^2 $. We verify our relation for $ α $ with numerical simulations of the three-dimensional Boussinesq equations for a wide variety of vortices, including: vortices that are initially in (dissipationless) equilibrium a…
2012-06-06 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
A Compressible High-Order Unstructured Spectral Difference Code for Stratified Convection in Rotating Spherical Shells
我们提出了一个新的和强大的可压缩高阶非结构谱差分（CHORUS）代码模拟热对流和相关的流体动力学在恒星和行星的内部。计算几何被视为旋转球壳充满分层气体。在非结构网格上，采用一种稳健高效的高阶谱差分方法（SDM）对流体动力学方程进行离散。谱差分法的计算模板是紧凑的，有利于并行处理。CHORUS在本文中报告的所有测试用例中都展示了出色的并行性能，在NCAR的黄石高性能计算集群上扩展到12，000个核心。通过定义木星和太阳中的全球对流的两个基准案例来验证代码。CHORUS的计算结果与ASH程序的计算结果进行了比较，两者吻合良好，CHORUS程序为模拟诸如多尺度太阳对流、核心对流以及快速旋转扁圆恒星中的对流等各种现象创造了新的机会。
2015-03-06 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.comp-ph
Transition from geostrophic flows to inertia-gravity waves in the spectrum of a differentially heated rotating annulus experiment
惯性重力波在地球大气动力学中起着重要的作用，它向上传播时会产生能量和动量通量。一个悬而未决的问题是在多大程度上IGWs有助于总能量和平坦化的能量谱观察到的中尺度。在这项工作中，我们提出了一个实验研究的能量分配之间的大尺度平衡流和小尺度不平衡流。在差热旋转环实验中，观测到斜压喷流发射的弱非线性IGW。与大气谱相似，实验动能谱揭示了典型的分为两个不同的制度与斜率$k^{-3}$为大尺度和$k^{-5/3}$为小尺度的细分。通过将光谱分离为涡旋和波分量，可以看出，在中尺度的大尺度端，实验中观察到的重力波导致光谱变平，并提供了大部分能量。在较小的尺度上，我们的数据分析表明，一个过渡到湍流制度的前向能量级联的扩散过程中发生的耗散。
2020-04-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Buoyancy driven rotating boundary currents
边界流的结构形成从中等密度的水引入到一个旋转的，稳定分层的，两层的环境中进行了一系列的实验室实验，弗劳德数范围从0.01到1。准恒定电流的厚度和流向速度分布测量使用pH激活示踪剂（百里酚蓝），并发现比较有利的简化的解析解和数值模型。在分层背景中沿倾斜边界流动的电流在所有实验弗劳德数下都表现出鲁棒稳定性。这种稳定性与这种水流在垂直边界上流动或在均匀背景下沿斜坡流动的明确不稳定性形成鲜明对比。周围介质中存在的各种波动机制，通过波辐射对扰动的阻尼作用，可能解释了观测到的结构和海流的稳定性。
1997-07-27 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Inertial waves and mean velocity profiles in a rotating pipe and a circular annulus with axial flow
本文求解了中等角速度绕轴作匀速旋转的圆管或圆环中的无粘惯性波解。解由所谓的螺旋波函数构成。我们揭示了平均速度剖面必须满足一定的条件才能容纳远离边界的块体区域的惯性波。这些条件要求平均速度的轴向和方位角分量分别具有第一类零阶和一阶贝塞尔函数的形状。理论，然后验证了直接数值模拟旋转管和圆环获得的数据，并发现理论和数值结果之间的良好协议。大尺度涡团被发现在大块区域的平均速度的轮廓匹配的理论预测。理论在旋转管道、环形空间和流向旋转通道中的成功表明，这种惯性波在有背景旋转的壁面流动中是很常见的。
2015-10-06 physics.flu-dyn
Investigations of non-hydrostatic, stably stratified and rapidly rotating flows
我们提出了一个调查的快速旋转（小Rossby数$Ro\ll 1$）和分层湍流的分层强度从弱（大弗劳德数$Fr\gg1$）到强（$Fr\ll1$）。调查设置的背景下，从Boussinesq方程，有效地保留各向异性惯性重力波与一阶频率，并突出了一个政权的波涡相互作用的减少模型。简化模型的数值模拟进行能量注入的随机强迫垂直速度，这迫使波模式。模拟揭示了两个制度，其特征在于存在良好的形成，持久性和薄湍流层的局部削弱的分层在小弗劳德数，并在大弗劳德数层的情况下。这两个制度的特点是一个大规模的正压偶极子封闭的小尺度湍流。当雷诺数不太大时，观察到正压动能的直接级联，导致总能量平衡。我们研究净能量交换，发生通过涡拉伸和垂直浮力通量和诊断活跃在这些交换的水平尺度。我们发现斜压运动直接向正压模态的最大尺度注入能量，这意味着大尺度正压偶极子不是正压模态内逆级联的最终结果。
2016-02-13 physics.flu-dyn
Inertial convection in rotating fluid spheres
本文通过微扰分析研究了旋转流体球中以惯性波形式出现的对流的起始。的瑞利数的方位波数的依赖性的显式表达式推导和新的结果的情况下，几乎绝热边界。
2009-04-10 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Viscous Dissipation and Dynamics in Simulations of Rotating, Stratified Plane-layer Convection
本文利用 Dedalus 模拟非弹性理想气体的旋转密度分层平面对流，揭示剧烈对流下积分耗散加热与黏度、热扩散率无关，并阐明旋转如何改变耗散空间分布、动能通量及热输运。
2024-01-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
A local diagnostic energy to study diabatic effects on a class of degenerate Hamiltonian systems with application to mixing in stratified flows
在退化泊松代数的Hamilton系统中，我们展示了如何构造一个局部能量类量，它可以用来研究非绝热效应对系统可用能量演化的影响，后者的概念形式化了Margules的原始想法。我们计算的局部诊断能量的相关流。对于分层Boussinesq流的特殊情况下，我们表明，在中等一般条件下，在惯性系的初始分布的位涡是均匀的原点附近，我们的框架恢复了由Holliday和McIntyre \cite{HollidayM81}介绍的可用势能，因此只依赖于流量的质量分布。在非惯性系中，我们证明了在适当的意义下，具有低Rossby数${\rm Ro}$基态的流的局部诊断能在${\rm Ro}$中具有最低阶，这是一个普适的特征.
2017-05-17 physics.flu-dyn
Viscous spreading of an inertial wave beam in a rotating fluid
本文报道了旋转流体中振荡圆柱产生的惯性波的实验测量结果。二维波发生在静止的十字形波包中。用共转粒子图像测速系统测量了垂直于造波机的垂直平面内的速度场和涡量场。的粘性传播的光束和相关的衰减的速度和涡度包络的特点。发现它们与线性粘性理论的相似解很好地一致，线性粘性理论是在类似于Thomas和Stevenson [J. Fluid Mech.54（3），495-506（1972）]对内波的经典分析的准平行假设下导出的。
2010-03-19 physics.flu-dyn
Anisotropic turbulent transport in stably stratified rotating stellar radiation zones
自转是影响恒星演化的重要物理机制之一。日震学和星震学揭示了在整个赫兹-罗素图上恒星辐射带的角动量的强提取。在不同旋转的稳定分层恒星辐射区的湍流输运应仔细模拟和评估其强度。层结和旋转意味着这种湍流输送是各向异性的。只有唯象的处方已提出的运输在水平方向上，但构成了基石，目前的理论形式主义恒星流体动力学的演化代码。我们推导出一个新的理论处方的各向异性的湍流运输辐射区使用的湍流，同时考虑稳定的分层，旋转和径向剪切的光谱形式主义。在此基础上，导出了由径向差动旋转不稳定性维持的三维湍流运动所引起的水平湍流输运。我们实现了这个框架中的恒星演化代码STAREVOL和量化的旋转和结构演化的低质量恒星从前主序星红巨星分支的影响。湍流输运的各向异性标度为$N^4τ^2/\left(2Ω^2\right)$、$N$和$Ω$，分别为浮力和旋转频率，$τ$为表征湍流源的时间。这导致了类似的强度的水平湍流输送的平均值，那些获得与先前提出的处方，即使它可以是局部较大的对流包络线以下。因此，仍然需要一种补充的输运机制，如内部重力波或磁场，来解释观测到的沿恒星演化的角动量强输运。
2018-08-06 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Disentangling inertial waves from eddy turbulence in a forced rotating turbulence experiment
我们提出了一个时空分析的统计平稳旋转湍流实验，旨在提取惯性波的签名，并确定它们可以被检测到的尺度和频率。该分析使用两点空间相关的时间傅立叶变换的速度场的时间分辨立体粒子图像测速测量在旋转框架。我们将湍流的各向异性程度量化为频率和空间尺度的函数。我们表明，这种时空相关的各向异性是很好地描述了线性惯性波在大尺度上的色散关系，而较小的尺度主要是由在较大尺度上的流体运动的波的扫描。这种扫掠效应主要是由于湍流的低频准二维分量，这是我们实验的一个突出特征，波动湍流理论没有考虑到这一点。这些结果的相关性的旋转湍流在实验室实验中，这是相关的大多数地球物理和天体物理流量的适度Rossby数的理论提出了质疑。
2015-04-09 physics.flu-dyn
Experimental Study of Energy Transfer by Inertial Waves During the Build up of Turbulence in a Rotating System
本文研究了旋转水筒中流体从静止到湍流的转变。我们表明，能量，注入在一个给定的高度，通过流体体积的惯性波包传输。这些波的传播速度与线性化理论计算的速度一致，即使它们具有很大的振幅。一个明确的“前”的能量功率谱的时间演变被检测到，定义了一个时间尺度的能量传输在系统中的线性波速度。模式之间的非线性能量传递由不同的时间尺度控制，该时间尺度可以比线性时间尺度长得多。这些观察结果表明，在旋转湍流场的能量分布和统计驱动的间歇性能源可能是不同的二维湍流中的逆能量级联所描述的。
2008-11-13 physics.flu-dyn
Inertial and gravity wave transmissions near radiative-convective boundaries
本文研究了{ \it f}平面内辐射对流边界附近惯性波和重力波的传播。本文研究了{ \it f}平面上辐射-对流边界附近的惯性波和重力波的传播。两种配置已被认为是：波传播从对流层的辐射分层稳定层，或周围的其他方式。已经发现，当稳定层强烈分层（$N^2/(2Ω)^2>1$）时，波更倾向于在低纬度生存。然而，当稳定层是弱层结（$N^2/(2Ω)^2<1$）时，如果纬向波数很大，则波可以在任何纬度生存。然后讨论了均匀分层和连续变化分层两种浮力频率结构的传动比。对于均匀层结，我们发现，当旋转速度快时，或当波在临界余纬附近时，透射是有效的。对于连续变化的层结，我们讨论了浮力频率的平方为代数函数$N^2\propto z^ν (ν>0)$时的传动比。我们已经发现，当旋转是快速的，或当波的临界余纬附近，或当分层的厚度远远大于水平波长时，传输可以是有效的。传动比不取决于结构（辐射层位于对流层之上，反之亦然;波向外或向内传播），而仅取决于波的特性（频率和波数）和流体的特性（分层程度）。
2021-02-23 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Scaling laws for mixing and dissipation in unforced rotating stratified turbulence
我们提出了一个模型，其特征在于弱旋转分层流的混合的Rossby，弗劳德和雷诺数Ro，Fr，Re的缩放。它是基于准均分之间的动能和潜在的模式，次主导的垂直速度和减少的能量转移到小规模的衡量比rE的动能耗散其尺寸的表达。我们主要在10243点的网格上确定了它们对于非强迫Boussinesq方程的数值研究的有效域，其中Ro/Fr> 2.5，1600< Re<1.9x104;普朗特数为1，初始条件为各向同性和大尺度的速度，以及零温度θ，或者在地转平衡中。三个制度在Fr观察：主导波，涡波相互作用和强湍流。传输时间的波-湍流平衡导致rE在中间状态下随Fr线性增长，饱和度为~0.3或更高，这取决于较大弗劳德数的初始条件。埃里森尺度也被发现与Fr成线性比例，并且通量Richardson数Rf对于大致相同的参数值也转变。将模型的3个关系放在一起，可以预测混合效率在低和中等区域的比例为Fr-2~RB-1，而对于较高的Fr，它的比例为RB-1/2，正如已经观察到的：随着湍流的加强，rE~1，速度是各向同性的，较小的浮力通量完全对应于速度和温度波动的解耦，后者变得被动。
2017-12-30 physics.flu-dyn
Experimental evidence of a triadic resonance of plane inertial waves in a rotating fluid
平面惯性波是利用造波机产生的，造波机由振荡的叠层板制成，在旋转的水槽中。使用粒子图像测速仪，我们观察到，经过一个瞬态，初级平面波是受亚谐不稳定性和激发两个次级平面波。这些二次波的测量频率和波矢量与三元共振机制的预测定量一致。发现次级波矢比初级波矢更系统地垂直于旋转轴：这一特征说明了旋转湍流中能量向缓慢、准二维运动转移的起源处的基本机制。
2011-12-17 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Inertial modes of a freely rotating ellipsoidal planet and their relation to nutations
本文计算了一个具有椭球无粘流体核和完全刚性地幔的自由旋转双层行星模型的惯性模。本文提出了一种方法，导出了适用于地核和地幔动力学扁率各阶的自由核章动（FCN）和钱德勒摆动（CW）频率的解析公式，我们展示了FCN和CW是如何直接概括纯流体自旋翻转模式（SO）和欧拉摆动（EW）的到地幔可以围绕稳定旋转状态自由振荡的情况。通过对轴对称（扁球）行星的数值计算，证明了稳定旋转流体核的所有其它惯性模态也是自由旋转双层行星的自由模态。
2020-06-05 astro-ph.EP physics.flu-dyn
