A generalized action-angle representation of wave interaction in stratified shear flows
本文用作用角Hamilton方程的紧致形式表示了分层剪切流中相互作用界面波的线性动力学。赝能作为系统的哈密顿量，作用量坐标是界面波对波作用量的贡献，角度是它们的相位。术语“广义作用角”旨在强调每个波的作用通常是时间依赖的，这允许不稳定性。试图通过赝能量和赝动量的全局守恒，将这种形式主义与反向传播涡波之间的超距超距作用共振不稳定机制联系起来。
2017-08-03 physics.flu-dyn
Geometry of stratified turbulent mixing: local alignment of the density gradient with rotation, shear and viscous dissipation
本文提出基于速度梯度张量构造两个正交基的几何分析方法，研究分层湍流中密度梯度与旋转、剪切及黏性耗散的局部对齐，并利用分层倾斜管道实验揭示高剪切区密度梯度优先沿最小耗散方向且垂直于rotex-剪切平面的规律。
2023-09-19 physics.flu-dyn
Sidewall effects on the onset of interfacial Holmboe waves in stratified exchange flows at high Schmidt number
Univ Toulouse, Toulouse INP, CNRS, IMFT（图卢兹大学，图卢兹国立理工学院，法国国家科学研究中心，流体力学与传热研究所）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Imperial College London（伦敦帝国学院）
研究高施密特数下分层交换流中界面霍尔姆博厄波起始的侧壁效应，用长管道、锐界面渐近理论确定受限调整弗劳德数\(Fr^*\)，通过线性稳定性分析等方法，表明\(Fr^*\)近似恒定临界值可准确预测波起始，调和差异并确立横向受限的控制作用。
2026-07-23 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
Semi-collapse of turbulent fountains in stratified media and the mechanisms to control their dynamics
本研究探讨湍流喷泉在分层介质中因夹带效应移除周围流体的最小高度及其控制方法，为污染物抽取等工业应用效率提升提供依据。
2023-05-15 physics.flu-dyn
Wakes in stratified atmospheric boundary layer flows: an LES investigation
采用大涡模拟和三维正交分解方法，研究了静止和运动的大钝体与高雷诺数稳定分层湍流边界层的相互作用。由于在水平方向采用伪谱方法，故采用浸没边界法来考虑钝体对边界层流动的影响，并采用并发前兆模拟方法来施加钝体上游的湍流来流条件。观察到占主导地位的POD模式类型发生在更高的能级，在更多的湍流尾流。不同的热分层的湍流统计只有轻微的影响，但在最高的能级占主导地位的POD模式的数量的显着影响。
2019-01-18 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
Experimental study of turbulent thermal diffusion of particles in an inhomogeneous forced convective turbulence
本研究通过实验探究振荡网格驱动的非均匀对流湍流中微米颗粒的湍流热扩散现象，对比稳定分层湍流的相关结果，验证了颗粒在低温区聚集的效应及有效扩散系数，结果符合理论预测。
2023-06-20 physics.flu-dyn
Mean velocity profile in stably stratified turbulent channel flow
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
Experimental properties of continuously-forced, shear-driven, stratified turbulence. Part 2. Energetics, anisotropy, parameterisation
在第二部分中，我们进一步研究了分层倾斜管道（SID）中的两层交换流的实验特性，这是湍流的，强分层的，剪切驱动的，和连续强迫的。我们使用与第1部分中相同的核心剪切层方法分析相同的最先进的数据集，但我们在这里关注湍流能量学和混合统计。动能和标量能量预算的详细分析揭示了SID湍流的特异性和缩放，而能量谱提供了我们的实验数据的电流强度和局限性的洞察。流动在不同尺度下的各向异性表征了湍流动能的产生和Holmboe波和湍流的耗散机制。然后，我们评估标准的混合parameterisations模型依赖于均匀的涡流扩散系数，混合长度，通量参数，浮力雷诺数或湍流弗劳德数，我们比较有代表性的值与分层混合文献。这些措施的可控流动参数的混合的依赖性也阐明，提供渐近估计，可以外推到更强烈的湍流，量化的产品的倾斜角的管道和雷诺数。这些见解可以作为未来一代的实验数据的基准，具有优越的时空分辨率，需要探测日益激烈的湍流。
2021-03-16 physics.flu-dyn
The evolution of coherent vortical structures in increasingly turbulent stratified shear layers
我们研究了欧拉涡结构的形态及其与密度界面的相互作用，在日益动荡的稳定分层剪切层。本文分析了在分层倾斜管道实验室中得到的三维同时速度场和密度场。我们跟踪，在15个数据集，相干结构的演变，从前湍流Holmboe波，通过间歇性湍流，充分的湍流和混合。我们使用的Rortex-剪切分解的涡度场成一个纯旋转的部分（的Rortex矢量），和一个非旋转的部分（剪切矢量）。我们描述了无处不在的发夹状涡结构（揭示的rottex）的形态，类似于那些通常观察到的边界层湍流。这些都是作为相对较弱的涡流周围的强三维剪切结构的封闭Holmboe波，并逐渐加强和变形下增加湍流，转化成对向上和向下指向的发夹传播方向相反的剪切层的顶部和底部边缘。每个发夹的一对腿是反向旋转的，并在横向和垂直方向上夹带流体，它们的拱形“头”是横向涡流，垂直夹带流体。然后，我们阐明了这种大规模的旋涡形态搅拌和混合的密度场。基本上，位于混合层（主要是发夹头）的任一边缘上的尖锐密度界面处的涡流将未混合的流体团吞没到混合层中，而混合层（主要是发夹腿）内部的涡流进一步搅拌它，产生强烈的小尺度剪切，增强混合。这些发现提供了新的见解剪切驱动的分层混合中的湍流相干结构的作用。
2022-03-21 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
PIV in stratified gas-liquid flow in a horizontal pipe using water droplets as tracers in the gas-phase
采用水滴作为气相示踪剂，对水平管道中分层湍流空气/水流进行了同步粒子图像测速（PIV）测量。使用水滴作为示踪剂确保水的表面张力保持不受影响，从而允许小尺度的界面结构，如毛细波自然发生。实验已进行了31米长，100毫米直径的PVC管使用空气和水作为测试流体。为了验证的实验装置和建议的播种技术，空气和水的单相测量进行了比较，彼此和DNS结果从文献中，显示出非常好的协议。两相测量的平均值和均方根曲线。这些测量提供了一个定性的演示的界面湍流的行为及其与各种界面流模式的相关性。本文中的观察结果与Lakehal等人（2003）的DNS研究得出的结论一致。目前的结果可能最终提供了一个更好的解释，许多重要的现象相关的分层两相流的物理特性，如标量混合相之间，并与其建模的挑战。
2017-01-02 physics.flu-dyn
Thermodynamic inadmissibility of the incompressible hydrodynamics description of turbulent stratified fluid flows at low Mach numbers
不可压缩的纳维-斯托克斯方程是目前描述低马赫数下分层湍流流动的主要模型。然而，不可压缩假设的有效性迄今为止仅严格地建立在绝热运动上。在这里，我们从第一原理表明，将可用的能量学和热力学考虑应用于与分层剪切流不稳定性有关的湍流混合事件，这一结果反驳了当非绝热不可逆效应很重要时不可压缩假设也是有效的这一普遍观点。主要结果是动力学和热力学在分层湍流中是强耦合的。这与目前公认的观点大相径庭，需要对低马赫数时控制分层紊流的物理过程进行全面的重新研究。
2007-11-19 physics.ao-ph physics.flu-dyn
On the detection of internal interfacial layers in turbulent flows
提出了一种识别壁面湍流中内界面层的新方法。使用模糊聚类方法（FCM）的流向速度分量，一个独特的和明确的分组的均匀动量区实现，从而允许识别的IILs。该方法克服了基于直方图的IIL识别方法的一些关键限制。该方法对流向域长度不敏感，可用于非均匀网格，使用所有可用的流场数据，是平凡地扩展到三维，不需要用户定义的参数（例如箱数）以外的区域数\add{. The number of zones can be automatically determined by an \emph{a priori} algorithm based on a Kernel Density Estimation algorithm, or KDE.}的聚类方法适用于湍流边界层（实验，平面PIV）和通道流（数值，DNS）\add{at varying Reynolds numbers}。\modify{The interfacial layers are characterized by a strong concentration of spanwise vorticity, with the outer-most layer located at the upper edge of the log-layer. The three-dimensional interface identification re…
2018-11-22 physics.flu-dyn
Transition to the ultimate regime of turbulent convection in stratified inclined duct flow
University of Twente（特温特大学）；Imperial College（帝国理工学院）；University of Rome ‘Tor Vergata’（罗马托维加塔大学）；Gran Sasso Science Institute（格兰萨索科学研究所）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）
研究通过DNS揭示了分层倾斜管道流在高湍流 regime 中的转变，发现Nu ~ Ra^1/2的输运增强，并揭示了临界条件下的速度剖面和非正常非线性过渡特性。
2026-03-16 physics.flu-dyn
Mean flow scaling in stably stratified temporally developing turbulent boundary layers
UCLouvain（法语鲁汶大学）
本研究利用时间发展湍流边界层框架，验证了稳定分层下Monin-Obukhov相似性理论在更广范围内的适用性，并提出经验修正以准确预测壁面摩擦系数。
2026-09-22 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
Direct numerical simulations of multi-layer Rayleigh-Taylor instability under asymmetric interfacial density stratification
Indian Institute of Technology Dhanbad（印度技术学院丹巴德）；Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）
通过直接数值模拟研究多层瑞利-泰勒不稳定性，揭示界面阿特伍德数对不稳定性增长、界面耦合及湍流混合的影响，发现强分层导致双混合层耦合合并及-11/5谱标度。
2026-10-07 physics.flu-dyn
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
Large eddy simulation/probability density function simulations of the Cambridge turbulent stratified flame series under swirling conditions
LES/PDF方法适用于剑桥/桑迪亚湍流分层火焰系列旋流条件下。甲烷/空气化学反应采用16组元简化的ARM 1反应机理，并采用现场自适应制表方法加速化学反应计算。通过钝体表面的差分扩散和热损失的影响被考虑在内。模拟进行预混（SwB 3），中度和高度分层（SwB 7和SwB 11，分别）的情况下，在旋流条件下。LES/PDF模拟的结果与实验测量进行了比较。计算的平均值和r.m.s.速度、温度、当量比和组分质量分数的分布与所有三种条件下的测量结果非常一致。散点图和有条件的手段物种摩尔分数和温度进行了比较与实验数据，在整体良好的一致性与测量。回流区的长度是非旋流条件下获得的回流区的五倍。计算中没有捕捉到钝体附近的低当量比高温区，这是由于下游混合物进入回流区的夹带不足。参数研究表明，微分扩散对平均值和均方根值的影响可以忽略不计。的结果，而热损失有相当大的影响的温度和CO的轮廓接近钝体。
2020-12-03 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
Interfacial instability in turbulent flow over a liquid film in a channel
在这里，我们重新审视的稳定性的变形界面，分离一个充分发展的湍流气体流从薄层的层流液体。与以前的工作不同，这里提出的湍流基态速度分布只需要一个流量或压降的规格，而没有后验选择的参数。此外，基本状态包含足够的细节，使得它允许由于粘度对比机制（原来是占主导地位的）以及由于临界层型机制的不稳定性，它是对文献中可用的实验和数值数据进行验证。此外，在湍流应力分布的扰动的影响进行了研究，并证明，第一次，是小的情况下，其中的液体层是薄的。液体层的详细建模elaborates两个不稳定的模式，模式竞争可能发生，虽然在大多数情况下，不稳定性是由于粘度对比机制。特别地，存在表面粗糙度可以降低界面模式的生长速率的可能性，并且将液体层不稳定性促进到最危险模式的状态。我们的基态模型有利于一个新的定义“慢”和“快”波。我们使用线性稳定性分析来确定影响波速的因素，并根据这里提出的定义证明波浪是“慢”的。最后，我们将计算结果与实验数据进行了比较，得到了很好的一致性。
2010-05-26 physics.flu-dyn
Turbulent disruption of density staircases in stratified shear flows
本研究通过降阶模型分析分层剪切湍流中密度阶梯的形成条件，发现菲利普斯机制仅在低湍流普朗特数下有效，海洋中典型高值（Pr_T>0.5-0.7）抑制阶梯形成，解释了海洋内部缺乏密度阶梯的现象。
2023-01-30 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
GPU-accelerated Large Eddy Simulation of turbulent stratified flames with machine learning chemistry
针对实验室尺度分层预混火焰高保真模拟计算昂贵的问题，提出GPU求解器结合ANN替代反应速率计算的方法，并在Cambridge火焰大涡模拟中验证其精度与超百倍加速。
2023-12-10 physics.flu-dyn
Small-scale dynamos in simulations of stratified turbulent convection
小规模的发电机行动往往被认为是造成宁静的太阳磁场。我们的目的是确定在非旋转湍流对流在低磁普朗特数的小规模发电机的激励条件和饱和水平。我们使用高分辨率的直接数值模拟弱分层湍流对流。我们发现，发电机激励的临界磁雷诺数增加的磁普朗特数减少，这可能表明，小规模的发电机行动是不自动明显的机构与小磁普朗特数的太阳。作为磁雷诺数（${\rm Rm}$）的函数，发电机的增长率是一致的${\rm Rm}^{1/2}$缩放。未发现${\rm Rm}$的生长速率对数增加的证据。
2018-02-26 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Turbulent fluxes of entropy and internal energy in temperature stratified flows
我们导出了低马赫数温度分层湍流中的平均熵和平均内能方程（即，对于湍流对流或稳定分层湍流），并表明湍流熵通量由${\bf F}_s=\overlineρ \, \overline{{\bf u} s}$给出，其中$\overlineρ$是平均流体密度，$s$是熵的波动，上条表示在湍流速度场${\bf u}$系综上的平均。我们证明了熵的湍流通量不同于流体内能的湍流对流通量${\bf F}_c=\overline{T} \, \overlineρ \, \overline{{\bf u} s}$，其中$\overline{T}$是平均流体温度。这种湍流对流通量在天体物理学和地球物理学文献中是众所周知的，它不能在平均熵方程中用作湍流通量。这一结果对低马赫数温度分层湍流是精确的，并且与所用模型无关。我们还推导出方程的速度熵相关性，$\overline{{\bf u} s}$，在小的和大的Peclet数的限制，分别使用准线性的方法和谱τ近似。鉴于温度分层湍流在天体物理和地球物理中的不同应用，这项研究是重要的。
2015-07-30 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Modelling of Interfacial Flows Based on An Explicit Volume Diffusion Concept
提出了一种新的流体体积模型（VoF），即显式体积扩散（EVD）模型，用于模拟包括湍流和初级喷雾雾化在内的界面流动。EVD模型是通过在物理定义的长度尺度上对VoF方程进行体积平均而得出的。这引入了未闭合的子体积通量、子体积应力和体积平均表面张力力。由于湍流运动和其他界面动力学，通常可以发生在层流和湍流中，从而产生子体积波动。这两种类型的波动都被体积平均过程衰减。子体积通量由梯度扩散模型封闭，并且涉及与物理长度尺度相关的显式体积扩散系数。子体积应力封闭引入了一个明确的体积粘度增加的湍流粘度在湍流。体积平均表面张力力闭合是基于褶皱子体积界面的分形性质。这些封闭通过一系列的二维层流和三维湍流界面剪切流的解析流模拟的先验分析进行评估。随后，充分EVD模拟验证这些剪切流和实验室气流喷射。数值收敛表明，保持物理长度尺度不变，同时减少数值网格的大小，使数值扩散减少，并成为压倒显式体积扩散。还进行了灵敏度分析的物理长度尺度的变化，这是比较的边界层厚度的轻流体侧的接口。
2021-04-19 physics.flu-dyn
Generation of interfacial waves by rotating magnetic fields
本文研究了低频旋转磁场驱动两相流产生的界面波，构建线性波模型并导出解析解，通过非侵入式声学实验验证了理论预测，发现其能改善冶金传质并伴随高次谐波激发。
2024-01-08 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
Multi-Particle Dispersion in Rotating-Stratified Turbulent Flows
本研究通过直接数值模拟稳定分层Boussinsesq方程，探讨了旋转-分层湍流中Lagrangian粒子对和四面体粒子群的相对运动，发现分层和旋转增强会削弱扩散不可逆性但加剧波动并促进剪切层形成。
2024-10-16 physics.flu-dyn
Turbulence in stably stratified radiative zone
恒星辐射带中的湍流输运是一个很大的课题，人们对此知之甚少。许多物理过程可以潜在地驱动恒星辐射区的湍流，但有限的观测约束和湍流输运模型的不确定性使得很难确定最相关的一个。在这里，我们专注于稳定分层的径向湍流输送的化学品的效果，更特别的情况下，湍流是由径向剪切驱动。数值模拟的结果，旨在测试湍流传输的唯象模型。虽然这似乎没有什么野心，但无论驱动湍流运动的机制是什么，稳定层结都会影响径向湍流输送，目前的考虑对这些其他机制也是有用的。
2019-11-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Effect of texture randomization on the slip and interfacial robustness in turbulent flows over superhydrophobic surfaces
超疏水表面在船舶和流体动力学应用中表现出良好的减摩潜力。超疏水表面的最新发展旨在可扩展的应用使用随机分布的粗糙度，如喷涂和蚀刻工艺。然而，大多数以前的分析流动和超疏水表面之间的相互作用研究周期性的几何形状，是经济上可行的，只有在实验室规模的实验。我们进行直接数值模拟的湍流随机图案的界面，考虑一系列的纹理宽度$w^+\approx 4-26$，和固体分数$ϕ_s=11\%$到$25\%$。滑移和无滑移边界条件是在一种模式中实现的，模拟了气液界面和固体元素的存在。我们的研究结果表明，随机分布的纹理下的湍流的滑移约$30\%$小于那些具有相同大小的对齐功能的表面。在小的纹理尺寸限制$w^+\approx 4$，滑移长度的随机分布的纹理在湍流是很好地描述了由先前介绍的斯托克斯流动解决方案的随机分布的无剪切孔。通过比较DNS结果的模式滑移和无滑移边界对相应的均匀化滑移长度边界条件，我们表明，湍流超过随机分布的职位可以表示为各向同性滑移长度在流向和展向方向。气袋上的平均压力波动与具有相同纹理尺寸和气体分数的对齐特征的压力波动相似，但是当纹理随机分布时，粗糙元的前缘处的最大界面变形大约大两倍。
2017-09-27 physics.flu-dyn
Mean-field theory of differential rotation in density stratified turbulent convection
本文发展了密度分层湍流对流中微分旋转的平均场论。该理论基于湍流热通量和湍流对流各向异性对雷诺应力的综合影响。求解了雷诺应力方程、熵涨落方程和湍流热通量方程组成的耦合动力学收支方程组。为了关闭这些方程的系统，谱τ方法，这是有效的大雷诺数和Peclet数，已被应用。所采用的背景湍流对流模型考虑了湍流各向异性的增加和湍流相关时间随旋转速率的减小。这个理论得到的差自转径向分布与太阳差自转的径向分布一致。
2018-03-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Self-organized criticality of turbulence in strongly stratified mixing layers
出于分层剪切流在地球物理和环境条件下的重要性，我们通过一系列直接数值模拟的湍流Holmboe波不稳定性（HWI）在各种初始条件下产生的能量，混合和光谱行为的特点。我们专注于分层的情况下，是足够的“强”，使HWI是占主导地位的流动的主要不稳定性。我们的数值研究结果表明，出现自组织临界性（SOC），这是表现为一个适当定义的梯度理查森数，$Ri_g$，与水平平均流量的调整，在这样一种方式，它是不断吸引到一个临界值$Ri_g \sim 1/4$。这种自组织是通过“冲刷”运动（即“雪崩”）的连续强化局部化而发生的，“冲刷”运动是由Holmboe波不稳定性的预锻引起的湍流的特征，并在急剧局部化的密度界面的上下两侧发展，嵌入在更加扩散的剪切层中。这些本地化的“雪崩”也被发现表现出预期的规模不变的特点。从能量学的角度来看，SOC的出现是以长寿命的湍流的形式表示的，该湍流在很长一段时间内保持在“准平衡”状态。最重要的是，这种自组织行为的不可逆混合的结果似乎是其特征一般由一个通用的累积湍流通量系数$Γ_c \sim 0.2$只为湍流所产生的Holmboe波不稳定性。这种自组织临界状态的存在证实了与分层湍流的自调节有关的原始物理论点，正如Turner（1973）所描述的那样，它涉及一种“平衡”。
2018-09-09 physics.flu-dyn
Non-normal energy amplifications in stratified turbulent channels
本研究通过线性响应计算探究分层对湍流通道相干结构放大的影响，发现分层效应仅针对流向拉长大尺度结构，且临界与亚临界理查森数下的结构放大源于同一机制。
2023-06-15 physics.flu-dyn
A two-phase mixing layer between parallel gas and liquid streams: multiphase turbulence statistics and influence of interfacial instability
平行气液两相流之间形成的两相混合层是多相湍流的一个重要基础问题。这个问题与许多工业应用和自然现象有关，例如燃料喷射系统中的空气喷射雾化器和海洋中的破碎波。气体和液体流之间的速度差触发界面不稳定性，其可以是对流的或绝对的，这取决于流的性质和注入参数。本文对处于绝对不稳定区的气液两相混合层进行了直接数值模拟。在数值模拟中观察到了一个主频率，数值结果与粘性稳定性理论的预测吻合得很好。由于界面波在湍流转捩和发展中起着关键作用，湍流脉动（如涡度拟能）的时间演化也表现出类似的频率。为了研究多相湍流的统计响应，模拟已经运行了很长的物理时间，以便可以进行时间平均，以产生雷诺应力和湍流动能（TKE）预算的统计收敛结果。已经进行了使用800万至约40亿个单元的广泛的网格细化研究。与TKE预算中的其他条款相比，湍流耗散对网格分辨率的要求很高。与最好的网格得到的结果被证明是不远的收敛结果的湍流耗散，使我们能够获得估计的Kolmogorov和Hinze尺度。计算的Hinze尺度明显大于观察到的液滴的尺寸，并且似乎不是描述雾化中形成的液滴的最小尺寸的相关长度尺度。
2018-08-06 physics.flu-dyn
Characterization of local energy transfer in large-scale intermittent stratified turbulent flows via coarse graining
该研究针对大气海洋中分层湍流的大规模间歇性问题，改进空间滤波程序分析极端垂直气流的影响，发现其能触发跨尺度能量传递并加强特定尺度下动能与势能的耦合。
2025-04-15 physics.ao-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Problems of Astrophysical Turbulent Convection: Thermal convection in a layer without boundaries
从下面加热的流体层中的热对流通常在实验上实现，并且在理论上用固定边界处理，在固定边界上规定温度和速度场的条件。附在上下边界上的热和速度边界层在很大程度上决定了高瑞利数时湍流对流的性质。固定边界在热对流的自然实现中常常是不存在的。本文研究了在稳定分层流体层中，在等尺寸冷源下方的平面热源驱动下的对流特性。非均匀边界不影响对流流动，因为它们与活跃对流层被几乎静止的稳定分层区域隔开。对流发生在内部不稳定分层区域的平均温度梯度是反向的。但是，在较高的对流振幅下，反向的水平平均温度梯度的区域消失，使得平均温度的垂直导数不再改变其符号。
2011-02-05 physics.flu-dyn
Turbulent thermal diffusion in strongly stratified turbulence: theory and experiments
湍流热扩散是温度分层湍流和小颗粒惯性的综合作用。它导致在湍流热通量的方向上出现颗粒的非扩散湍流通量。颗粒的这种非扩散湍流通量与平均颗粒数密度和惯性颗粒的有效速度的乘积成比例。这种效应的理论以前只针对小的温度梯度和小的斯托克斯数（Phys. Rev. Lett. { \bf 76}，224，1996）。在这项研究中，任意温度梯度和斯托克斯数的湍流热扩散的广义理论已经发展。为了验证强分层湍流中的湍流热扩散理论，进行了振荡格栅湍流和多风机湍流的实验室实验。结果表明，在大雷诺数下，惯性颗粒的有效速度与特征垂向紊流速度之比小于1。惯性粒子的有效速度以及湍流热扩散的有效系数随着Stokes数的增加而增加，在小Stokes数时达到最大值，而在大Stokes数时减小。湍流有效热扩散系数也随平均温度梯度的增大而减小。结果表明，所提出的理论与实验结果符合得很好。
2017-05-18 astro-ph.EP physics.ao-ph 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
On the energetics of stratified turbulent mixing, irreversible thermodynamics, Boussinesq models, and the ocean heat engine controversy
分层湍流理论中的一个关键问题是关于D（APE）（可用势能的耗散率APE）和W_{r,turbulent}（背景重力势能的湍流变化率GPE_r）之间联系的性质，它们都受分子扩散控制。对于具有线性状态方程的Boussinesq流体，这种联系简单地为W_{r,turbulent} =D（APE），广泛地解释为暗示GPE_r以APE为代价增加，与层流情况相反，GPE_r以内能（IE）为代价增加。这个想法在这里被重新考虑，把IE看作是三个不同的子成分的总和：可用内能（AIE），有效能（IE_{exergy}），和死内能（IE_0）。在这个新的观点中，D（APE）是APE到IE_0的耗散率，而W_{r,laminar}和W_{r,turbulent}都将IE_{exergy}转换为GPE_r。因此，等式W_{r,turbulent} =D（APE）表明，IE_{exergy}以与APE耗散到IE_0相同的速率转换到GPE_r。对于非Boussinesq流体，等式D（APE）= W_{r,turbulent}充其量是一个很好的近似，因为W_{r,turbulent}通常小于D（APE），有时甚至对于强非线性状态方程为负。在第二步中，搅拌和混合之间的联系检查风和浮力驱动的热分层海洋，以确定这些是否限制搅拌的机械源，最近提倡。它是建立搅拌和混合之间的耦合不能反驳传统的浮力驱动的所谓的赤道翻转环流的观…
2009-07-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Energy and flux budget closure theory for passive scalar in stably stratified turbulence
针对稳定分层湍流，发展了被动标量（非浮力和非惯性粒子或气体混合物）的能量和通量收支（EFB）封闭理论。EFB湍流闭合的物理背景是基于湍流动能和势能以及动量和浮力的湍流通量以及颗粒的湍流通量的收支方程。EFB湍流闭合是为从中性到非常稳定的分层地球物理流而设计的，它意味着在任何分层处，湍流都是由速度切变维持的。在定常状态下，导出了被动标量的湍流通量和各向异性非对称湍流扩散张量的表达式，并得到了该张量各分量的普适通量理查森数依赖关系。湍流扩散张量在垂直方向上的对角分量被强分层抑制，而在水平方向上的对角分量没有被抑制，并且它们与湍流扩散张量的其他分量相比是占主导地位的。这意味着，任何最初创建的强烈不均匀的粒子云演变成一个薄煎饼在水平面上的垂直方向上的厚度非常缓慢的增加。湍流Schmidt数随梯度理查森数线性增加。考虑到这些结果的应用程序的大气边界层湍流，理论关系推导出允许确定的湍流扩散张量作为一个函数的垂直坐标测量的单位的地方Obukhov长度尺度。所得到的关系式在模拟大气边界层湍流和自由大气湍流中的颗粒弥散方面具有潜在的应用价值。
2021-06-02 physics.ao-ph 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
Interface Fluctuations in a Turbulent Binary Fluid using Data-Driven Methods
Center for Condensed Matter Theory, Indian Institute of Science（印度科学学院凝聚态理论中心）；Centre for Ocean, River, Atmosphere and Land Sciences, Indian Institute of Technology, Kharagpur（印度理工学院卡拉格普尔分校海洋、河流、大气与陆地科学中心）
本研究利用数据驱动方法分析湍流二元流体中的界面波动，通过比较四种模型发现SLR在预测动力学方程和效率方面表现最佳。
2026-03-02 physics.flu-dyn
Compressible turbulent convection in highly stratified adiabatic background
本文通过三维直接数值模拟研究了高度分层绝热背景下的可压缩湍流对流，发现在耗散数超过临界值时，流动呈现强烈的统计不对称性、全局热传递显著降低以及稀疏热羽流穿透现象。
2023-07-20 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The spatio-temporal spectrum of turbulent flows
在湍流研究中，识别和提取无组织流动中的涡结构和波是一个主要的挑战。本文研究了不同回复力作用下湍流的时空行为。我们展示了如何计算和分析的时空谱数据来自数值模拟和实验室实验。四种情况下被认为是：均匀和各向同性湍流，旋转湍流，分层湍流，水波湍流。对于均匀和各向同性湍流，频谱允许识别大尺度流的扫掠。对于旋转和分层湍流，频谱允许识别波，精确量化波和湍流涡流中的能量，并识别关键层中的多普勒频移和波吸收等物理机制。最后，在水波湍流的频谱显示从重力毛细波的束缚波的强迫的振幅增加的过渡。
2015-11-06 physics.flu-dyn
Phenomenology of two-dimensional stably stratified turbulence under large-scale forcing
本文研究了强、中、弱稳定层结二维湍流在大尺度随机强迫作用下的能谱标度、能量和涡度拟能的尺度间传递。在强分层情况下，大尺度垂直剪切水平流（VSHF）与小尺度湍流共存。VSHF由内部重力波和湍流的动能（KE）谱，遵循近似$k^{-3}$标度与零KE通量和一个强大的正拟能通量。湍流位能（PE）的谱也近似遵循$k^{-3}$幂律，其通量指向小尺度。对于中等分层，没有VSHF和KE的湍流表现出Bolgiano-Obukhov缩放，过渡从浅$k^{-11/5}$形式在大尺度上，在小尺度上一个陡峭的近似$k^{-3}$缩放。整个尺度范围内显示出很强的正向涡度拟能通量，有趣的是，大（小）尺度显示出逆（正）KE通量。在这个制度中的PE通量是针对小尺度，和PE频谱的特点是由一个近似的$k^{-1.64}$缩放。最后，对于弱分层，KE向上转移，其频谱紧密遵循$k^{-2.5}$标度，而PE表现出前向转移，其频谱显示近似$k^{-1.6}$幂律。对于所有的层结强度，总能量总是从大尺度流向小尺度，几乎所有的谱指数都很好地解释了占相应通量的尺度依赖性质。
2016-07-28 physics.flu-dyn
Assessment of a Multiphase Formulation of One-Dimensional Turbulence using Direct Numerical Simulation of a Decaying Turbulent Interfacial Flow
本研究利用一维湍流（ODT）模型研究湍流与表面张力的相互作用，通过与直接数值模拟（DNS）对比验证模型可靠性，并拓展参数范围揭示了柯尔莫哥洛夫临界尺度的普适涨落规律。
2024-04-13 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
Transition phenomena in unstably stratified turbulent flows
我们研究实验和理论上的过渡现象所造成的外部强迫从Rayleigh-Benard对流与大尺度环流（LSC）的限制制度的不稳定分层湍流没有LSC的温度场的行为像一个被动标量。在实验中，我们使用的瑞利-贝纳德装置与两个振荡网格位于附近的侧壁室产生的额外的湍流源。当网格振荡频率大于2 Hz时，湍流对流中的大尺度环流被破坏，大尺度环流的破坏伴随着平均温度分布的强烈变化。然而，在不稳定分层湍流的所有状态下，比率$\big[(\ell_x \nabla_x T)^2 + (\ell_y \nabla_y T)^2 + (\ell_z \nabla_z T)^2\big] / < θ^2 >$略有变化（即使在温度场的行为与被动标量的行为不同的参数范围内）。其中$\ell_i$是湍流沿x、y、z方向的积分尺度，T和θ是流体温度的平均和波动部分。在所有频率的网格振荡，我们已经检测到的长期非线性振荡的平均温度。基于湍流动能、湍流温度脉动和湍流热通量收支方程的理论预测与实验结果一致。
2011-01-22 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Spreading height and critical conditions for the collapse of turbulent fountains in stratified media
分层环境中的轴对称喷泉上升，直到达到最大高度，在那里的垂直动量消失，然后下降，并作为一个环形羽流以下的一个众所周知的顶帽轮廓径向蔓延。在这里，首先，我们推广了Morton等人的模型。长索克A \textbf{234}，1，1956），以便正确地确定最大高度和扩展高度与所涉及的参数的相关性。我们得到的临界条件的崩溃的喷泉，\textit，即当射流下降到源水平，并表明，传播高度必须表示为一个函数的至少两个参数。为了提高与实验的定量一致性，我们修改了标准，以考虑在向下流动的混合过程。实施数值模拟来估计表征这种合并的参数值。我们表明，我们的广义模型与实验测量吻合得很好。
2020-10-12 nlin.CD physics.flu-dyn
Instability of stratified two-phase flows in rectangular ducts
本文对矩形管道中分层两相流的线性稳定性进行了数值研究。线性稳定性分析考虑了所有可能的无穷小三维扰动，并通过解决相关的特征值问题进行。得到了液-液和空气-水系统的中性稳定边界和相应的临界波数。根据问题的参数，不稳定集由于短，中间，长波最不稳定的扰动。最不稳定的扰动模式的报告和讨论。它示出的不稳定性产生由于剪切，或界面机制。还研究了表面张力和宽/高纵横比的影响。结果支持的前提下，分层两相流的稳定性分析，在两个无限板的简单的几何形状可以提供一个合理的估计的条件，这种流动模式可以被认为是线性稳定的。
2020-04-08 physics.flu-dyn
