The modulation of vortex growth by periodic convective activity
School of the Atmospheric Sciences, Nanjing University（南京大学大气科学学院）；Department of the Geophysical Sciences, University of Chicago（芝加哥大学地球物理科学系）；Department of Earth System Science, Stanford University（斯坦福大学地球系统科学系）
本研究通过数值模拟揭示周期性对流活动通过产生残余巴otropic涡旋加速热带气旋生成。
2025-11-25 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Capture of particles of dust by convective flow
尘埃粒子与涡旋对流的相互作用是在理论上考虑的。假设固相体积分数很小，由于颗粒分布不均匀引起的密度变化与介质温度非等温性引起的密度变化相当。在广义Boussinesq近似的框架下，考虑到颗粒沉降的有限速度，发展了用于描述尘埃介质的热浮力对流的方程。本文研究了涡旋对流对尘埃粒子云的捕获，得到了涡旋对流形成尘埃粒子云的一般判据。详细研究了从侧壁加热的垂直层的尘埃云和向后的固相对载流的影响的形式的稳定状态的特性。结果表明，在这种情况下，当这种向后的影响是必不可少的，滞后行为是可能的。进行了稳态稳定性分析。事实证明，存在一个狭窄的范围内的管理参数，在这种稳定状态是稳定的。
2006-03-19 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
How do tidal waves interact with convective vortices in rapidly-rotating planets and stars?
本研究针对快速旋转天体中潮汐惯性波与大尺度对流涡旋相互作用的建模难题，采用准地转半解析模型结合线性分析与模拟，揭示了不稳定区湍流耗散机制与稳定区动量混合、次级波发射规律，完善了潮汐演化理论。
2023-03-08 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Universal translational velocity of vortex rings behind conical objects
环形涡流在输送流体方面是有效的。它们通常是通过将一定体积的流体通过圆形孔口喷射而产生的。给予涡环的脉冲导致发电机上的推进力。推进涡环已被广泛研究和表征。经过四次对流后，涡旋的移动速度比它所起源的剪切层快，并分离。这种分离对应于环流的最大值和涡度的最大扩展，由无量纲能量量化。这三个事件的相似性混淆了它们之间的因果关系。为了分析与其分离无关的环形涡的无量纲能量的时间演化，我们分析了锥体尾流中产生的涡的发展。具有不同孔径和直径的圆锥体从静止加速产生各种各样的涡环，并根据时间分辨的速度场测量提取它们的能量、环流和速度。在锥体后面形成的环具有自诱导速度，使它们跟随锥体，并且随着锥体行进远远超过对推进涡流观察到的极限涡流形成时间尺度，它们继续增长。无因次环流，根据涡流直径，和无因次能量的阻力涡环收敛后，三个对流时间的值，相当于他们的推进同行。这一结果证明，涡夹断并不导致无量纲能量达到最小值。无因次环流和能量的极限值大多与锥体几何形状和平移速度无关，并且落在平均值周围10%的区间内。只有6%的变化，旋涡的速度是最统一的量，它决定了锥体后面涡环的形成。
2020-12-07 physics.flu-dyn
Vortex Tubes of Turbulent Solar Convection
研究太阳对流的湍流特性对于理解太阳表面观测到的多尺度动力学是极其重要的。特别是，最近的高分辨率观测揭示了无处不在的旋涡结构，数值模拟表明了涡管动力学和磁场组织之间的联系，并显示了涡管相互作用在太阳声波激发机制中的重要性。本文利用辐射流体力学大涡模拟方法研究了太阳表面附近强湍流对流中涡管的形成机制。对模拟数据的分析表明了涡管形成的两个基本过程：1）对流颗粒内部小尺度对流不稳定性的发展; 2）颗粒间剪切流的Kelvin-Helmholtz型不稳定性。我们的分析表明，在这些过程中，涡旋拉伸是太阳上产生小尺度涡度的主要来源。
2012-01-12 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.flu-dyn
Large-scale-vortex dynamos in planar rotating convection
最近的几项研究已经证明了大尺度涡旋如何在旋转平面对流中自发产生。在这里，我们研究发电机性能的旋转Boussinesq对流等流量。对于中等值的磁雷诺数（$100 \lesssim Rm \lesssim 550$，其中$Rm$基于盒深度和对流速度），产生大尺度（即系统尺寸）磁场。磁能的振幅随时间振荡，与大尺度涡旋的振荡振幅几乎异相。一旦磁场达到临界强度，大尺度涡旋就会被破坏，这表明这些振荡是磁源的。发电机机制依赖于那些长度尺度介于大尺度涡旋和典型对流单体尺寸之间的流动分量;不需要较小尺度的流动。尽管大尺度涡旋基本上是二维的，但它在磁感应强度中起着至关重要的作用;因此，我们将这种发电机称为大尺度涡旋发电机。对于较大的磁雷诺数，发电机是小规模的，具有在对流单体的规模达到峰值的磁能谱。在这种情况下，小尺度磁场通过破坏允许其形成的对流速度之间的相关性来持续抑制大尺度涡旋。因此，在高$Rm$时对大尺度涡旋的抑制可能限制了大尺度涡旋发电机与具有中等$Rm$值的天体（如行星）的相关性。在这种情况下，在低磁普朗特数的大规模涡流发电机的操作能力是极大的兴趣。
2017-01-31 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Chaotic and time-periodic edge states in square duct flow
本研究通过边缘追踪算法分析方管流动，发现非对称约束下边缘态为混沌吸引子，表现为条带-涡旋相互作用引发的爆发与壁面切换；施加镜像对称后则形成周期轨道，这些边缘态在低雷诺数湍流中扮演重要角色。
2025-03-28 physics.flu-dyn
Pattern selection and restricted vortex dynamics by spatial periodic forcing in rapidly rotating Rayleigh-Bénard convection
模式形成与外部强加的对称性是普遍存在的性质，但很少研究。我们提出的实验研究斑图形成和选择的空间周期性强迫在快速旋转对流。我们观察到对称的对流模式的形式，经常涡格子附近的不稳定性发病时，外部强迫的周期性设置接近的内在涡间距。我们发现，新的模式出现作为一个动力学过程的不完善的分歧，可以很好地描述了一个金斯堡-朗道模型。随着浮力强度的增加，外部强迫的影响减弱，对流涡从静止状态演变为受限制的最终随机运动。
2022-01-24 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Optimally time-dependent modes of vortex gust-airfoil interactions
本文利用最优时变模态分析研究了不同强度阵风涡冲击NACA 0012翼型时的瞬态扰动放大特性，揭示了最放大结构随尾流演化的时空变化规律，为非定常空气动力学问题提供了分析技术和基础性见解。
2025-01-03 physics.flu-dyn
Vortex rings drive entrainment and cooling in flow induced by a spark discharge
火花等离子体放电诱导涡环和热气核。我们发展了一个模型来描述火花诱导流动的后期阶段和涡环在冷环境气体的卷吸和热气核的冷却中的作用。该模型进行了测试，在等离子体诱导流，使用密度和速度的测量同时获得的立体粒子图像测速（S-PIV）和背景定向纹影（BOS）。我们发现，热内核的空间分布如下的涡环的运动，其径向膨胀增加的电能沉积在火花放电。涡环冷却模型表明，对流冷却区的卷吸是由涡环引起的，并控制着热气体核的冷却，冷却速率随火花放电过程中沉积的电能的增加而增加。
2020-07-21 physics.app-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Geostrophic convective turbulence: The effect of boundary layers
Rayleigh-Bénard（RB）对流，从下面加热和从上面冷却的流体层中的流动，被用来分析热对流向地转制度的转变。在地转制度，这是直接相关的大多数地球和天体物理流动，系统强烈旋转，同时保持足够大的热驱动产生湍流。我们直接模拟了两个热强迫值$Ra=10^{10}$和$Ra=5\cdot10^{10}$的Navier-Stokes方程，普朗特数$Pr=1$为常数，Ekman数在$Ek=1.3\cdot10^{-7}$到$Ek=2\cdot10^{-6}$范围内变化，满足了超临界和强旋转的要求。重点讨论了无滑移边界条件与无应力边界条件在水平板上应用的差异。对于两种边界条件，在大致相同的参数值处发现过渡，即对于~ $Ra=1\times 10^{10}$在~ $Ek\approx 9\times 10^{-7}$处，对于~ $Ra=5\times 10^{10}$在~ $Ek\approx 3\times 10^{-7}$处。然而，过渡是渐进的，并且对于不同的流量指示器，其在~ $Ek$中并不完全一致。特别是，我们报告的传热标度律，边界层的厚度，散逸的体积/边界层分布和平均温度梯度在散装的过渡的特性。对于无滑移和无应力的板块，地转区的流动现象演化是不同的。在无应力条件下，一个大尺度正压涡旋的形成和相应的逆能量级联是明显的。对于无滑移板，没有大规模的相干结构的湍流状态被发现，没有大规模的…
2016-02-01 physics.flu-dyn
Flow pattern transition accompanied with sudden growth of flow resistance in two-dimensional curvilinear viscoelastic flows
我们发现三种类型的稳定的解决方案和显着的流型之间的过渡，在一个二维波壁通道低到中等雷诺数（Re）和Weissenberg（Wi）使用直接数值模拟与谱元方法。这些解按Wi的升序被称为“对流”、“过渡”和“弹性”解。在Re-Wi参数空间的对流区域中，对流效应和压力梯度平均平衡。随着Wi的增加，弹性效应突然变得相当，第一个转变开始。转捩过程中，分离涡消失，近壁面处由粘弹性诱导的射流进入本体，粘性阻力显著下降，弹性壁面摩擦力急剧上升。由于对流和弹性效应的竞争，这种转变是由流向方向上的弹性力引起的。在过渡区，对流和弹性效应平衡。当弹性效应超过对流效应时，会出现第二次相变，但相对缓和。第二个是所谓的Weissenberg效应。这些转变对驱动力不敏感。通过标度分析，表明在Re-Wi空间中，应力分量与第一转捩边界上的雷诺数成正比。这种比例与数值结果吻合得很好。
2010-05-09 cond-mat.soft nlin.PS physics.flu-dyn
Small scale quasi-geostrophic convective turbulence at large Rayleigh number
本研究通过数值模拟探究大瑞利数下小尺度准地转对流湍流，发现无扩散标度律趋势、粘性控制的长度尺度及非局域CIA力平衡特征，修正了对高瑞利数区对流动力学的传统认知。
2023-08-21 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Large-scale patterns of small-scale vorticity interactions foster moist convection during cyclogenesis
Indian Institute of Technology Madras（印度马德拉斯理工学院）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Gauhati University（高哈蒂大学）
研究揭示了微尺度涡旋相互作用如何通过湿度反馈和大尺度自组织模式促进气旋生成期间的湿对流组织。
2025-12-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
