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
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
Alpha effect and dynamo in density-stratified turbulence with large-scale shear: applications to protoplanetary discs and astrophysical clouds
Ben-Gurion University of Negev（内盖夫本-古里安大学）
研究密度分层湍流与大尺度剪切共同作用产生的α效应和平均场发电机效应，探讨其在原行星盘和天体物理云中的应用。
2026-03-18 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Sheared stably stratified turbulence and large-scale waves in a lid driven cavity
为了确定控制平均流和湍流的参数，并了解它们对动量和热传递的影响，我们对具有非零垂直平均温度梯度的盖驱动腔中的稳定分层湍流进行了实验研究。我们发现，平均速度模式（例如，大尺度环流的形式和大小）强烈地取决于温度分层的程度。在强稳定层结情况下，强湍流区位于主大尺度环流附近。在强稳定层结的情况下，我们发现了大尺度的非线性振荡，这种振荡可以解释为非线性的重力波。在非线性阶段，速度场和温度场中这些波的主要含能频率之比约为2。波的振幅在弱湍流区域（靠近空腔的底壁）增加，由此垂直平均温度梯度增加。
2014-08-26 astro-ph.EP 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
A mean-field approach to the propagation of field patterns in stratified magneto rotational turbulence
分层磁旋转湍流的局部剪切盒模拟总是表现出周期性的场模式，传播远离磁盘中平面。一个常见的解释是磁浮力。然而，Shi等人最近的分析表明，在一个圆盘尺度高度H以下，流动是非常稳定的，因此需要在该区域进行另一种解释。在这里，我们进行和分析直接数值模拟来解释所观察到的行为的平均场描述。除了平均径向和方位场，我们监测小尺度电流螺旋度，我们建议作为一个关键指标的饱和。重建水平平均场，我们证明了问题可以减少到一个一维感应方程。通过所谓的测试场方法，我们然后确定基本的封闭参数。我们的分析表明，除了一个可能的直接MRI发电机，两个不同的间接发电机机制在椎间盘中运作。这解决了MRI发电机效应的“错误”信号的问题。最后，我们使用得到的封闭参数运行一个动态淬火发电机模型。该模型近似地恢复了在平均场中观察到的场模式。此外，该模式再现了占主导地位的宇称和独特的相位图案的小尺度电流螺旋度。后者的性质可能会打开一个潜在的路线，以了解磁共振成像诱导湍流的饱和。
2010-01-28 astro-ph.EP
Turbulence and Steady Flows in 3D Global Stratified MHD Simulations of Accretion Disks
本文对吸积盘进行了全二维π整体三维分层MHD模拟.我们解释我们的研究结果的背景下，原行星盘。我们使用PLUTO Goddom程序在球坐标系中使用精确和鲁棒的HLLD Riemann求解器来研究由磁旋转不稳定性（MRI）驱动的湍流。我们遵循超过1500个轨道的湍流在最内半径的域来测量湍流运动的整体强度和详细的吸积流模式。我们发现，在两个刻度高度的中平面内的区域有一个约0.1的湍流马赫数和磁压力两到三个数量级小于气体压力，而以外的三个刻度高度的磁压力等于或超过气体压力和湍流是跨音速的，导致大的密度波动。最强的大尺度密度扰动是螺旋密度波，这些波中最强的有m=5。计算中没有出现明显的纬向环流，因为波动的径向压力梯度会导致轨道频率的变化，其重要性与粘性模型中驱动纬向流的应力梯度相当。净质量流率通过使用从MHD计算得到的平均应力分布的粘性模型很好地再现。平均湍流磁场的强度与半径成反比，因此在最大尺度上，磁场近似是无力的。因此，吸积应力随半径的平方反比而减小。
2011-04-23 astro-ph.EP
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
Large-scale clustering of inertial particles in a rotating, stratified and inhomogeneous turbulence
Ben-Gurion University of the Negev（内盖夫本-古里安大学）；IZMIRAN（俄罗斯科学院空间研究所）；KTH Royal Institute of Technology（瑞典皇家理工学院）；Stockholm University（斯德哥尔摩大学）
研究旋转湍流中惰性粒子的大尺度聚类现象，揭示其在不同相互作用模式下的分布特征及形成时间尺度。
2025-06-05 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Vertical Shear Instability in Thermally-Stratified Protoplanetary Disks: II. Hydrodynamic Simulations and Observability
本研究通过三维流体动力学模拟发现，热分层原行星盘中的垂直剪切不稳定性（VSI）湍流强度远高于等温盘，其产生的速度残差扰动形态和可观测性随盘倾角、热分层程度及示踪剂光学深度变化。
2024-12-13 astro-ph.EP
Turbulence energetics in stably stratified geophysical flows: strong and weak mixing regimes
传统上，湍流能量学的特征在于湍流动能（TKE），并单独使用TKE预算方程建模。在稳定分层中，TKE由速度剪切产生，并通过粘性耗散和抵抗浮力而扩展。分层效应的特征在于浮力梯度与剪切力平方之比，称为理查森数，Ri。人们普遍认为，在Ri超过临界值Ric时，局部剪切不能维持湍流，并且流动变成层流。我们通过将能量分析扩展到湍流位能和总能量（TPE和TTE = TKE + TPE）来修正这一概念，考虑它们的预算方程，并得出结论，TTE是由剪切在任何分层中维持的保守参数。因此，不存在“能量Ric”，这与流体动力学不稳定性阈值Ric不稳定性相反，其典型值在0.25到1之间变化。我们证明，这个区间，0.25<Ri<1，分离两个不同的湍流制度：强混合和弱混合，而不是湍流和层流制度，作为经典的概念状态。这解释了Ri>>1时自由大气和深海湍流的持续发生，阐明了湍流边界层与自由流动的主要区别，为改进湍流闭合模式提供了依据。
2008-07-11 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Global MHD simulations of stratified and turbulent protoplanetary discs. II. Dust settling
本文的目的是研究小尘埃粒子在原行星盘的垂直分布，其中角动量传输是由于磁旋转不稳定性驱动的MHD湍流。我们考虑的颗粒尺寸范围从大约1微米到几毫米。我们使用基于网格的MHD代码进行全球性的双流体模拟湍流原行星盘，其中包含各种尺寸的尘埃颗粒。在准稳态下，尘埃粒子的重力沉降由湍流扩散平衡。该过程的简单和标准模型不能准确地描述粉尘密度的垂直分布。对于小的尘埃颗粒（几微米大小），特别是在盘的上层（$Z>3H$，其中$H$是刻度高度），差异更大。在这里，简单模型预测和模拟结果之间的差异可能有几个数量级。这是因为MHD湍流在吸积盘中是不均匀的，因为速度波动在强烈磁化的日冕发展的盘上层显着增加。我们提供了一个替代模型，提供了一个更好的适合模拟。在这个模型中，尘埃粒子扩散远离中平面的MHD湍流，但扩散系数垂直变化，并在任何地方都成比例的当地湍流垂直速度波动的平方。尘埃粒子的空间分布可以用来追踪原行星盘中MHD湍流的性质，如速度波动的幅度。在未来，数值模拟和观测之间的详细和直接的比较应该被证明是一个有用的工具，用于约束原行星盘中的湍流特性。
2009-01-28 astro-ph.EP
Convective Heat Transport Asymptotic Law in an $α^2$ dynamo model
Università degli Studi di Roma Tor Vergata（罗马托尔维尔加塔大学）
本研究通过简化热驱动壳模型，揭示了磁场对对流热传递的增强作用，发现努塞尔数随湍流和雷诺数、普朗特数呈幂律关系。
2025-12-01 astro-ph.EP astro-ph.SR
Dust-driven vertical shear instability in an isothermal shearing box: I. Turbulence and gas dynamics without dust feedback
Technical University Delft（代尔夫特理工大学）；Queen Mary University of London（伦敦大学玛丽女王学院）
研究等温剪切盒中无尘埃反馈的尘埃驱动垂直剪切不稳定性（DVSI），采用FARGO3D模拟，发现其可驱动各向异性湍流与垂直混合，或在分层流不稳定性中起重要作用。
2026-10-12 astro-ph.EP
