Flow reversals in turbulent convection with free-slip walls
本文对无限普朗特数的自由滑移壁湍流对流进行了数值模拟，并研究了流动逆转的动力学。我们发现有趣的流动逆转和非线性之间的相互作用的模式$(1,1), (2,1), (3,1)$和其他一些代表的大尺度流结构之间的相关性。在流动反转之后，奇数模式（例如，$(1,1), (3,1)$）切换符号，但偶数模式（例如，$(2,2)$）保持其符号。混合模式$(1,2)$和$(2,1)$在零附近波动。利用模的性质及其相互作用，我们证明了它们构成一个Klein四群$Z_2 \times Z_2$ .我们还表明，对于自由滑移边界条件，角卷和涡重联是不存在的流动逆转过程中，相反，他们在流动逆转的无滑移边界条件所发挥的积极作用。我们认为，无滑移和自由滑移边界条件下的流动逆转是不同的，因为它们是由非线性$ ({\bf u} \cdot \nabla) {\bf u}$和$({\bf u} \cdot \nabla) θ$分别诱导。
2015-04-10 physics.flu-dyn
Low-dimensional multiscale dynamics of intermittent reversals in turbulent Rayleigh-Benard convection
University of Illinois, Urbana Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
研究通过低维多尺度框架描述湍流热对流中的间歇性反转动力学，提升预测精度与稳定性。
2026-02-17 physics.flu-dyn
Helical velocity fluctuations and large-scale circulation in turbulent thermal convection
结果表明，螺旋度动力学占主导地位的频谱分布的湍流热对流中的速度波动在中等和大值的瑞利数（分布混沌和标度分别）。湍流Rayleigh-Bénard对流中的大尺度环流（风）对螺旋度动力学特别敏感，其混沌反转可以与平均螺旋度符号的反转（反射对称性的长期遍历恢复）相关联。实验室的实验和测量结果在自由大气对流已被用来支持的理论考虑的基础上的绝热不变性的螺旋度分布的二阶矩。在此背景下，地磁场偶极子的变化和逆转也进行了讨论，并与数值模拟和观测数据的结果已经建立了良好的协议。
2020-04-28 physics.flu-dyn
1/f noise and long-term memory of coherent structures in a turbulent shear flow
通过施加在端盖处的反向旋转行进磁场来驱动环形通道中的液态金属（Galinstan）的剪切流。当移动速度较大时，流动是湍流的，其方位分量显示随机反转。功率谱的速度场表现出$1/f^α$幂律的几十年和相关的幂律概率分布$P(τ)\simτ^{-β}$的连续反转之间的等待时间。这种$1/f$型谱只有在雷诺数足够大时才能观察到。此外，指数$α$和$β$控制的对称性的系统：一个连续的过渡之间的两种不同类型的闪烁噪声被观察到的赤道对称性的流量被打破，与理论预测一致。
2018-12-07 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Symmetry, Invariant Manifolds and Flow Reversals in Active Nematic Turbulence
University of Nebraska–Lincoln（内布拉斯加大学林肯分校）；Parsons Corporation（帕森斯公司）
该研究揭示了活性凝胶湍流中对称性主导的低维结构如何组织流反转，并通过不变子 manifold 的动态机制调控湍流行为。
2026-10-01 cond-mat.soft math.DS nlin.CD
Excitability in the vicinity of a saddle-node bifurcation: a mechanism for reversals
我们提出了一个新的机制振荡或随机反转的磁场发生从一个固定的发电机状态。的基本成分是存在两个近临界发电机本征模式，一个稳定的和不稳定的，碰撞在鞍结分岔。在此分叉之上，产生有限振幅极限环。在分叉附近，即使是少量的湍流波动也足以产生磁场的随机反转。当两个竞争的本征模具有不同的对称性时，这种情况需要产生发电机的流的对称性破缺。这与VKS实验的观察结果非常一致。它还可以解释行星或恒星磁场的动力学，并可用于理解经常在湍流背景下发展的大规模流动的逆转。
2008-10-29 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Zonal flow reversals in two-dimensional Rayleigh-Bénard convection
本文分析了纵横比为$Γ$的二维矩形几何中瑞利-贝纳德对流中大尺度流动的非线性动力学。我们施加周期性和自由滑移边界条件，在流向和展向方向，分别。随着瑞利数Ra的增加，一个大规模的带状流占主导地位的一个中等普朗特数流体的动态。在高Ra下，在湍流状态下，在最大尺度模式的概率密度函数（PDF）中可以看到过渡。对于$Γ= 2$，PDF首先从高斯转变为三峰行为，表示出现了纬向流的反转，其中流在三种不同的湍流状态之间波动：两种状态中纬向流沿相反方向行进，一种状态没有纬向平均流。Ra的进一步增加导致从三峰到单峰PDF的过渡，这表明纬向流逆转的消失。另一方面，对于$Γ= 1$的纬向流逆转的特点是由双峰PDF的最大尺度模式，其中流动波动只有两个不同的湍流状态与纬向流在相反的方向上。
2020-10-29 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
A new simple dynamo model for stellar activity cycle
提出了一个新的恒星活动周期发电机模型。通过考虑非均匀平均流对湍流的影响，表明湍流横螺旋度（速度-磁场相关性）应作为平均绝对涡度的耦合系数进入湍流电动势的表达式。交叉螺旋度效应的引入使得本模式与现有的$α$ -- $Ω$ --型模式主要有两点不同。首先，除了通常的$α$（螺旋度效应）和$β$（湍流磁扩散率），我们认为$γ$系数（交叉螺旋度效应）作为发电机过程的关键成分。第二，不同于$α$和$β$系数，这往往是作为一个可调参数在目前的研究，时空演变的$γ$系数是同时解决的平均磁场方程。基本情况如下：在存在湍流交叉螺旋度的情况下，由湍流交叉螺旋度介导的环向旋转引起环向场。$α$效应从环形场产生极向场。这个极向场产生了一个湍流的十字螺旋度，其符号与原来的相反。然后，一个循环的逆转完成。最简单的本征值分析给出了一个蝴蝶图，它证实了上述情况，以及向赤道迁移，交叉螺旋度和磁场之间的相位关系等这些结果表明，湍流交叉螺旋度的振荡是一个关键的活动周期。湍流交叉螺旋度的反转不是磁场反转的结果，而是磁场反转的原因。这个新的模型有望开辟平均场或湍流闭合发电机方法的可能性。
2016-04-04 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Dipole-Quadrupole dynamics during magnetic field reversals
本文研究了湍流发电机实验中磁场反转的形状和动力学。我们报告了VKS实验中磁场的偶极和四极部分的演化，并表明实验结果与最近的反转模型的预测吻合得很好：当偶极反转时，部分磁能被转移到四极，反转开始于偶极的缓慢衰减并且随后是快速恢复，以及偶极子的过冲。在静止发电机和振荡发电机之间的边界处观察到随机反转。
2010-10-22 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Decay rates of magnetic modes below the threshold of a turbulent dynamo
我们测量了低于发电机阈值的液态钠湍流中磁场模的衰减率，观察到湍流涨落引起不同对称性（偶极和四极）模之间的能量转移。利用对称性，我们展示了如何测量每个模式的衰减率，而不限于具有最小阻尼率的模式。我们观察到，这些模式的衰减率的各自的值取决于驱动流的螺旋桨的形状。只有当两个模式都接近边缘时，才能观察到包括场反转在内的动力学机制。这与最近提出的一个模型是一致的。
2014-11-03 physics.flu-dyn
The influence of freestream turbulence on the near-field growth of a turbulent cylinder wake: turbulent entrainment and wake meandering
利用粒子图像测速（PIV）技术研究了自由湍流对圆柱近尾迹扩展的影响。不同的“风味”的自由湍流，其中湍流强度和积分长度尺度是独立变化的，受到圆柱。近尾流的时间平均扩展通过卷吸和瞬时尾流空间范围的包络线解耦为增长，这是由于尾流"蜿蜒“，由大尺度相干结构（即冯卡门涡街）的存在引起的。与Kankanwadi和Buxton（2020）研究的湍流尾流远场不同，与非湍流背景相比，自由湍流增强了尾流的卷吸率。在这方面，湍流强度和背景湍流的积分长度尺度都很重要，而远尾流中只有湍流强度很重要。此外，尾流的弯曲是增强的背景湍流的存在下，在这里的积分长度尺度是占主导地位的参数。结合这些研究结果产生的经常报告的结果，背景湍流增强的时间平均近尾增长率。尾流蜿蜒的影响是孤立的进行类似的实验中，分离板安装到后面的气缸，从而消除冯卡门涡列。这些结果表明，当湍流尾流中不存在大尺度涡流时，相对于非湍流背景，自由湍流实际上会抑制卷吸率，其结果与Kankanwadi和Buxton（2020）的结果相同。因此，我们假设，自由湍流的效果，以提高大规模的卷吸通过吞没，但抑制卷吸通过小规模的蚕食。
2023-01-24 physics.flu-dyn
Time irreversibility in reversible shell models of turbulence
由纳维-斯托克斯方程（NSE）控制的湍流流动产生从大尺度到小尺度的非平衡时间不可逆能量级联。在NSE中，能量转移是由于在时间反演下形式上对称的非线性项。至于耗散项：首先，它明确地破坏了时间可逆性;其次，它产生了一个小规模的能量转移汇，即使在粘度消失的极限下，该能量转移汇也保持有效。因此，目前还不清楚如何解开时间不可逆性起源于非平衡能量级联的显式时间反演对称性破缺由于粘性项。为此，本文研究了湍流壳模型中能量传递的性质，采用可逆粘性机制，避免了$t \rightarrow -t$对称性的任何显式破缺。我们探测时间不可逆性通过研究统计的拉格朗日功率，这是发现是不对称的时间反转下的时间可逆模型。这表明，湍流动力学收敛到一个奇异吸引子的时间可逆性是自发打破，其性质是强大的纯粹的惯性自由度，速度结构函数的异常标度行为所证实的。
2018-04-10 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Scalar mixing and entrainment in an axisymmetric jet subjected to external turbulence
本研究通过标量统计和平面激光诱导荧光实验，发现背景湍流增强使射流湍流/湍流界面增厚，并增加大尺度吞并和脱卷挟事件，导致射流净卷挟减少、核心标量偏度负值减弱。
2024-09-16 physics.flu-dyn
Local and Nonlocal Strain Rate Fields and Vorticity Alignment in Turbulent Flows
局部和非局部贡献的总应变率张量在任何一点的流动制定从一个扩展的涡度场在一个局部的球形邻域半径R为中心的x。由此产生的精确表达式允许从总应变率张量获得非局部（背景）应变率张量。在湍流中，涡量自然地集中到相对紧凑的结构中，这允许对涡量与背景应变率张量的最延伸主轴的局部对准进行评估。在任何旋涡结构附近，所需的半径R和膨胀必须达到的相应阶数n由粘性长度尺度决定。我们证明了收敛到背景应变率场的增加R和n的平衡Burgers涡，并表明，这解决了异常对齐的涡度与总应变率张量的中间特征向量。然后，我们评估了均匀各向同性湍流DNS的背景应变场，即使对于有限的R和n对应的截断级数展开，结果表明，在预期的平衡对齐的涡度与最延伸的主轴的背景应变率张量的增加。
2008-01-08 physics.flu-dyn
Dynamics of reversals and condensates in 2D Kolmogorov flows
我们提出了直接数值模拟的不同的二维流态产生的恒定的空间周期性强迫平衡的粘性耗散和大规模的阻力与无量纲阻尼率$1/Rh$。对强迫的线性响应是反向旋转涡的$6\times6$正方形阵列，当雷诺数$Re$或$Rh$较小时，该阵列是稳定的。在识别序列的分叉，导致一个空间和时间的混沌政权的流动时，$Re$和$Rh$增加，我们研究了不同的湍流政权之间的过渡观察到大$Re$通过改变$Rh$。在大尺度阻力消失的极限（$Rh$大），箱尺度（凝聚态）的大尺度环流是主要模式。当$Rh$减小时，凝结体变得不稳定，并产生两个符号相反的大尺度环流之间的随机反转。当$Rh$进一步减小时，大尺度速度的概率密度函数为双峰分布，连续分叉为高斯分布。
2014-12-16 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
Biologically generated turbulent energy cascade in shear flow depends on tensor geometry
本研究揭示生物生成扰动与背景剪切流的几何关系决定湍能级联的强度与方向，补充了生物湍流研究中被忽视的关键影响因素。
2023-10-05 physics.flu-dyn
AI-based separation of turbulence from coherent background flows in decaying hydrodynamic turbulence
Korea Astronomy and Space Science Institute（韩国天文学与空间科学研究院）；Institute for Basic Science（基础科学研究所）
利用神经网络从二维衰减湍流模拟中分离湍流脉动与相干背景流，无需显式谱截止，在早期和中期阶段表现良好，后期因非线性混合而区分度下降。
2026-05-26 astro-ph.IM physics.flu-dyn
Compressible two-dimensional turbulence: cascade reversal and sensitivity to imposed magnetic field
我们研究了压缩性对二维湍流的影响，例如那些模拟天体物理盘。结果表明，随着马赫数Ma的增加，叶栅的流向经历了从零Ma时的反向到无穷大Ma时的正向的连续转变。因此，在马的顺序一个可比的能量流从规模的泵到大规模和小规模，根据以前的数据。对于大Ma的超声速湍流，叶栅是直接的，如在三维中，这导致多重分形密度场。对于导电流体的可压缩流动，施加外部磁场允许操纵流动，即使在小的马赫数下也可能产生大的变化。因此，必须谨慎使用Zeldovich反发电机定理，根据该定理，在零Ma时，磁场在稳定状态下为零。真实的流动具有有限的Ma，无论它多么小，对于通过磁盘的大磁通量，磁场都会明显改变流动，或完全重新排列它。对于大的马，相关的天体物理磁盘，磁场能量增强了一个大的因素相比，估计的基础上的平均场。我们建议使用二维Burgers湍流作为超音速薄吸积盘的模型，而三维Burgers湍流用于宇宙大尺度结构的研究。
2023-02-21 astro-ph.SR nlin.CD physics.flu-dyn
Effects of particle size and background rotation on the settling of particle clouds
我们的实验研究的行为的瞬时局部释放的重粒子下降的湍流云在静止的水，有和没有背景旋转。我们提出了514个系统的实验结果，没有旋转和三个旋转速率$Ω= 5,10,20$ rpm，并在$5μm$到$1mm$范围内的颗粒大小，探索四十年的劳斯数$\mathcal{R} \in [6\times 10^{-4},4]$，它量化了颗粒的惯性。在Morton \textit{et al.}所描述的湍流热气流的正则框架中，[Proc.R.数学、物理、科学\textbf{234}，1（1956）]，我们比较粒子云与盐水热气流，突出的特殊性，由于颗粒的湍流强迫的性质。在没有旋转的情况下，粒子云最初表现为咸热气流与调制的夹带能力，这是最佳的增强有限的惯性$\mathcal{R}\simeq 0.3$由于颗粒的影响。然而，由于湍流涡流和颗粒之间的惯性解耦，这种湍流状态在时间上是有限的。对于这里探讨的三个值的$Ω$，颗粒增强夹带被抑制。此外，当科里奥利力克服其惯性时，云的膨胀被中断，迫使云转变为旋涡柱状流，这大大增加了颗粒的停留时间。
2023-01-17 physics.flu-dyn
On the dynamics of laminar-turbulent patterns in plane Couette flow
在较宽的雷诺数R范围内，平面Couette流动在低雷诺数R_t时的全局稳定基流剖面之间呈现规则的斜向层流流型<R_g and a uniformly turbulent regime at sufficiently large R>。数值模拟，我们已经进行了一个模式显示波长调制的松弛，该调制与人们所期望的标准方法在扩展的几何耗散结构方面，虽然结构发展的湍流背景。一些后果进行了讨论。
2016-03-19 nlin.PS physics.flu-dyn
Transition reversal over a blunt plate at Mach 5
本文通过数值模拟和稳定性分析，研究了马赫5钝平板在不同前缘半径下的转捩逆转现象，发现非模态不稳定性导致转捩，且逆转源于条纹响应增强。
2024-11-14 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
Confined Vortex Surface and Irreversibility. 2. Hyperbolic Sheets and Turbulent statistics
我们继续研究的限制涡面（\CVS{}），我们在前面的文章介绍。对\CVS{}方程的解进行了分类，得到了稳定区域内任意背景应变本征值下速度场的解析表达式。涡流表面横截面具有四个对称双曲面的形式，在管横截面的每个象限（$x y $平面）中具有简单方程$|y| |x|^μ=1$。我们使用稀释气体近似的涡结构在湍流中，假设它们的大小是远远小于它们之间的平均距离。我们引入高斯随机背景应变为每个涡面作为一个积累的大量的小随机贡献来自其他表面很远。我们计算这个自洽的背景应变，应变的方差的能量耗散率。我们发现一个普遍的非对称分布的能量耗散。一个新的现象是涡流管在$x y$平面内的轮廓形状的概率分布。这种现象自然导致模仿的“多重分形”的速度差$v(\vec r_1) - \vec v(\vec r_2)$的时刻缩放。这些时刻有一个非平凡的依赖$n, \log |r_1 - r_2|$，近似幂律与非线性指数$ζ(n)$。我们在这里提供的粗略估计与观测到的DNS数据不匹配，这可能表明\CVS{}方程的全3D解的必要性。我们认为，这些时刻的近似关系建议在最近的一篇论文中由Sreenivasan和Yakhot是一致的\CVS{}理论。我们重新解释他们的重整化参数$α\approx 0.95$在伯努利定律$ p = - \frac{1}{2}α\vec v^2$作为一个概率，找到没有涡旋表面在空间中的一个随机…
2021-11-22 hep-th physics.flu-dyn
High-energy Particle Transport in Three-dimensional Anisotropic Turbulent Magnetic Fields
KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Royal Belgian Institute for Space Aeronomy（比利时皇家空间气动力学研究所）
利用BxC工具包生成合成湍流磁场，研究强湍流中各向异性涨落对粒子散射的影响，发现无引导场时散射不受湍流相关长度支配，有引导场时散射机制不同于常规俯仰角扩散。
2026-06-17 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetic effects on fields morphologies and reversals in geodynamo simulations
发电机效应是解释天体非原始磁场的最热门的候选者。虽然许多系统的参数研究已经作出了直接的数值地球发电机模拟探索，以确定不同的动力学制度，它只是最近的制度，对应于地球的外核之间的科里奥利力和洛伦兹力的力量平衡的特点是数字访问。在以前的大多数研究中，洛伦兹力所起的作用相对较小。例如，他们已经表明，一个纯粹的流体动力学参数（当地的Rossby数$Ro_\ell$确定的稳定域的发电机主导的轴向偶极子（偶极发电机）。在这项研究中，我们表明，这一结果不能举行时，洛伦兹力成为主导。通过改变几个数量级的重要参数，我们用强洛伦兹力模拟湍流地球发电机。这种方法使我们能够质疑以前的结果，并认为在应用程序的数值发电机，以更好地理解地球发电机问题。强偶极场对对流运动的动能分布有很大影响，这使得这种场的结构得以维持。每个力的相对重要性取决于空间长度尺度，而$Ro_\ell$是忽略空间依赖性的全局输出参数。我们表明，惯性不会引起偶极崩溃，只要洛伦兹力和科里奥利力仍然占主导地位，在大的长度尺度。
2020-07-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
