Forcing-dependent dynamics and emergence of helicity in rotating turbulence
通过数值模拟研究了大尺度机械力对旋转湍流动力学的影响，系统地改变了机械力的性质。我们表明，这些流量的统计稳定的解决方案取决于强制机制的性质。足够快的旋转流，其具有相对于旋转轴具有持续方向的力，从非螺旋状态分叉到螺旋状态，尽管力是非螺旋的。我们发现，在时间和螺旋度的出现的机械力的性质有直接的影响，这些流量的级联动力学，确定在流中的各向异性，在大尺度上的能量凝聚和幂律能谱是一致的，与以前的研究结果和现象下强，弱波湍流条件。
2016-01-17 physics.ao-ph 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
Inverse cascade of energy in helical turbulence
采用直接数值模拟的水动力湍流与螺旋度强迫施加在所有尺度上，一个近最大的螺旋湍流状态，与逆能量级联的尺度大于能量强迫尺度和一个向前的螺旋度级联的尺度小于能量强迫尺度。与以前的研究相比，我们的模拟包含所有可能的三和弦。通过计算壳-壳层能流，我们发现反能级联是由同手性三单元组之间的弱非局域相互作用引起的。通过改变尺度的螺旋度注入范围，得到了获得逆能量级联的必要条件。
2020-05-10 physics.flu-dyn
Large-scale dynamics of magnetic helicity
本文研究了磁流体动力学（MHD）湍流中磁螺旋度的动力学特性，研究的尺度大于强迫尺度。我们的结果显示了磁螺旋度的非局部逆级联，它直接发生在从强迫尺度到磁场最大尺度的过程中。我们还观察到，没有磁螺旋度和能量转移到一个中间范围的尺度足够小于容器的大小和大于强迫尺度。因此，这一范围内的尺度，这增加了尺度分离的统计特性，示出在很大程度上描述的零通量的解决方案的绝对统计平衡理论所表现出的截断理想MHD方程。
2017-05-19 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Stably stratified turbulence in the presence of large-scale forcing
本文对雷诺数Re~25000和佛汝德数Fr~0.1和Fr~0.03的分层湍流进行了两次高分辨率直接数值模拟。流场是在大尺度下强迫的，并在2048^3个点的各向同性网格上离散化。分层使流动各向异性，并引入两个额外的特征尺度相对于均匀各向同性湍流：浮力尺度，L_B，和Ozmidov尺度，l_{oz}。前者与沿重力方向流动发展的层数有关，后者被认为是各向同性恢复的尺度。L_B和l_{oz}的值取决于弗劳德数，它们的绝对和相对大小影响傅里叶模式之间的能量再分配。通过对比这两个模拟流的行为，我们发现了一些令人惊讶的相似之处：经过初始瞬态的两个流演变的动力学和潜在的拟能，和能量耗散率的可比值。在大尺度上出现了进一步的相似之处：势能和总能量之间的相同比率（~0.1）是由流动自发选择的，并且慢模式在两个区域中单调增长，导致总能量随时间缓慢增加。轴对称的总能量谱显示了各种各样的谱斜率作为一个函数之间的角度强加的分层和波矢量。在平行于重力的方向上计算的一维能量谱是平坦的，从强迫到浮力尺度。在中等尺度下，Fr~0.03的运行会形成一个~k ^{-3}平行谱，而对于较弱的分层，饱和谱没有足够的尺度来形成，而是观察到一个与柯尔莫哥洛夫标度相容的幂律。最后，螺旋度谱在L_B之前是平坦的，正如在夜间行星边界层中所观察到的。
2014-12-03 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
Turbulence in a stably stratified fluid: Onset of global anisotropy as a function of the Richardson number
在稳定分层流体中，需要引入一个外力来诱导湍流。在这种情况下，海森堡涡动粘性技术应该足以计算时空平均量，如作为理查森数的函数的全局各向异性参数。我们发现，分析的各向异性线性增加与理查森数，一个小的二次修正。完整的方程的数值模拟显示的线性行为。
2019-08-30 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
Numerical simulations of compressible Rayleigh-Taylor turbulence in stratified fluids
我们目前的瑞利-泰勒湍流的数值模拟结果，使用最近提出的格子玻尔兹曼方法能够描述一致的热可压缩流的外部强迫进行。该方法使我们能够研究系统在近Boussinesq和强可压缩制度。此外，我们表明，当分层是重要的，绝热梯度的存在下导致逮捕的混合过程。
2010-09-29 physics.flu-dyn
Kinetic helicity decay in linearly forced turbulence
动力学螺旋度的衰减研究强迫湍流的数值模型中使用外部强加的强迫函数作为方程中的非齐次项，或者，作为替代，一个长期的线性速度引起的线性不稳定。外部强加的强迫功能注入能量在最大的尺度上，产生一个湍流的惯性范围，几乎恒定的能量通量，而线性强迫湍流的谱能量是最大的耗散波数附近。动力学螺旋度注入一次达到统计稳定状态，但它被发现衰减的湍流时间尺度上的强迫的性质和雷诺数的值无关。
2012-04-06 astro-ph.SR nlin.CD physics.ao-ph
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
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
A steady stratified purely azimuthal flow representing the Antarctic Circumpolar Current
本文构造了地球物理流体动力学控制方程的显式定常纯方位分层流。这些方程被认为是在一个设置，适用于南极绕极流，占涡粘性和强迫条款。
2020-10-19 math.AP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Vertical dispersion of Lagrangian tracers in fully developed stably stratified turbulence
本文研究了Boussinesq近似下不同强迫函数和局部梯度Richardson数Rig对稳定层结湍流中Lagrange示踪剂垂直混合的影响，提出了一个单粒子和双粒子垂直弥散的波动和连续时间随机游走模型。该模型包括一个随机叠加的线性波与其振幅的基础上观察到的拉格朗日谱的垂直速度，和一个随机行走过程，以捕捉倾覆，这取决于在其他欧拉量的钻机的统计。该模型是在良好的协议与分层湍流的直接数值模拟，其中单粒子和两个粒子的分散不同的均匀和各向同性的情况下。此外，该模型提供了洞察混合的线性和非线性物理的问题，以及负责垂直湍流扩散的不同过程。
2019-01-31 physics.flu-dyn
Non-Kolmogorov cascade of helicity driven turbulence
我们求解了有两个同时强迫的纳维-斯托克斯方程。一个强迫作用在给定的大尺度上，它注入能量。另一个强迫作用在惯性范围内的所有尺度上，并注入螺旋度。用这种方法，我们可以改变湍流螺旋度的程度，从非螺旋到最大螺旋。我们发现，增加螺旋度注入率不会改变能量通量。另一方面，总能量的水平大大增加，能谱变得更陡。能谱范围从非螺旋湍流的Kolmogorov标度律$k^{-5/3}$到最大螺旋湍流的非Kolmogorov标度律$k^{-7/3}$。在后一种情况下，我们发现湍流的特征时间不是周转时间，而是基于螺旋度注入率的时间。我们还分析了螺旋模式分解的结果。对于一个最大的螺旋湍流的一种类型的螺旋模式被发现是更有力的比其他一个，由几个数量级。能量最高的螺旋模式的能量级联是由两个通量之和产生的。一个通量是负的，可以用抽取模型来理解。然而，这种负通量不足以导致逆能量级联。实际上，涉及能量最小类型的螺旋模式的其他通量是正的，并且是最大的。能量最小的螺旋模式是必不可少的，不能忽略。
2015-09-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Small-scale anisotropy induced by spectral forcing and by rotation in non-helical and helical turbulence
本文研究了大尺度谱强迫对均匀不可压湍流直接数值模拟中速度场尺度相关各向异性的影响。两种强迫方法被认为是：定常ABC单波数格式和非定常非螺旋或螺旋欧拉格式。结果也与高分辨率的数据与负粘度方案进行了比较。一个细粒度的表征各向异性，包括在测量有关的两点速度相关性的一些数量，使用：我们进行模态分解的频谱速度张量的能量，螺旋度和偏振光谱。此外，我们包括这三个光谱的波矢方向的明确依赖。由于单独强迫，允许各向异性在小尺度上发展的条件被清楚地确定。结果表明，在湍流预计是各向同性的，ABC强迫产生显着的能量和螺旋度方向各向异性下降到最小的分辨率尺度，如螺旋欧拉方案时，使用一个不利的强迫尺度。在旋转湍流中研究了方向和尺度相关的各向异性。它首先示出，在ABC强迫模拟的能谱的斜率被改变和各向异性的水平是相似的，在较低的Rossby数在欧拉强迫运行，结果由于强迫本身的性质和事实，它允许逆级联发展。其次，我们表明，即使在低转速下，自然各向异性引起的科里奥利力是可见的在所有尺度。最后，我们确定了两个不同的波数范围内的各向异性行为不同，并表明，如果Rossby数不是太低的特征lenghscale分离它们是一个旋转和耗散效应的平衡。
2017-06-02 physics.flu-dyn
Tridimensional to bidimensional transition in magnetohydrodynamic turbulence with a guide field and kinetic helicity injection
我们研究的三维磁流体力学流动的尺寸只强制机械，当磁引导场的强度逐渐增加的过渡。我们使用数值模拟来考虑机械强迫注入（或不注入）的流动中的螺旋度的情况。随着引导场的增加，磁场波动的强度按照引导场强度的幂律减小。我们表明，足够强的引导场，螺旋磁流体动力学流可以成为几乎二维的。在这种情况下，机械能可以经历与逆级联相容的过程，优先向大于强迫尺度的尺度转移。螺旋度的存在改变了小磁场波动的谱标度，并影响速度场和速度梯度的统计。此外，在小尺度下，流动的动力学变得由螺旋度的直接级联主导，这可以用来推导速度场的标度律。
2016-08-25 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Spontaneous Formation of Columnar Vortices
旋转的流体动力学视频，弱分层Boussinesq方程，说明了自发形成的柱状涡的随机，白噪声强迫的存在。
2012-10-26 physics.flu-dyn
Layer formation in horizontally forced stratified turbulence: connecting exact coherent structures to linear instabilities
我们认为湍流分层的“Kolmogorov”流，驱动水平剪切的正弦体强迫的形式中存在一个强加的背景线性稳定分层在第三个方向。这种流动结构允许对相干结构的形成进行受控调查，相干结构在这里通过随着分层强度的增加而使背景切变倾斜来将流动组织成水平层。通过数值收敛精确的稳定状态从直接数值模拟的混沌流，我们表明，第一次，一个强大的连接线性理论预测不稳定性从无穷小扰动的强大的有限振幅非线性分层状态中观察到的湍流。我们调查所观察到的垂直长度尺度是如何与主要的线性不稳定性，并与先前考虑的剪切不稳定性导致在其他水平剪切流层形成的例子进行比较。
2017-09-11 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
Cancellation exponents in helical and non-helical flows
螺旋度是三维欧拉方程的二次不变量。作为能量，当前螺旋度级联到更小的尺度，在那里它消散。然而，螺旋度在能量级联中所起的作用仍然不清楚。在非螺旋流中，速度和涡度倾向于局部对齐，从而产生具有相反螺旋度符号的斑块。在螺旋流中，螺旋度在空间中也会迅速改变符号。由于螺旋度不是一个正定的量，因此考虑到它在惯性范围内的光谱标度的全球研究是不确定的，除了螺旋度的一个符号占主导地位的情况。我们使用的取消指数来表征螺旋度波动的螺旋和非螺旋湍流的数值模拟中遵循的标度律，具有不同的强制功能和跨越范围的雷诺数从大约670到6200。该指数是符号奇异性的度量，并且可以与分形维数以及一阶螺旋度标度指数相关。这一结果与螺旋结构的几何形状是连续的一致。进一步的分析表明，螺旋度起伏的统计特性并不依赖于流的整体螺旋度。
2009-08-11 physics.flu-dyn
Nonlinear inertia-gravity wave-mode interactions in three dimensional rotating stratified flows
研究了三维旋转分层流体中惯性-重力波模式的动力学行为。我们首先推导出一个简化的PDE，GGG模型，只包括波模相互作用。原则上，将该模型与全旋转Boussinesq系统进行比较，可以衡量波-涡-波与波-波-波相互作用在确定波模能量的传递和分布方面的重要性。正如在许多大气-海洋现象中一样，我们在倾斜的纵横比域（H/L）中工作，Fr = Ro < 1，因此Bu = 1。我们的重点是在随机大尺度强迫的影响下的波模能量和它的谱标度的平衡。正如预期的那样，当强迫施加到所有模式时，Fr=Ro ~ 0.05和H/L=1/5，波模式能量平衡，其频谱按幂律缩放。对于相同的参数，当强迫仅限于波模式时，能量在整个系统以及GGG子系统中无法达到平衡。这清楚地说明了涡模在决定波模能量分布中的重要性。继续进行第二组模拟，即对于在具有H/L=1/3的较小偏斜纵横比域中的较大Fr=Ro ~ 0.1，我们观察到GGG子系统的能量平衡。此外，强迫仅限于波模式的完整系统也平衡，两者都产生相同的能量谱。因此，很明显，波-波-波相互作用在中等Ro，Fr和纵横比的整体动力学中起作用。除了理论上的问题，这些结果突出了在模拟现实的地球物理现象时，正确解决波模相互作用的困难。
2009-03-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Effects of helicity on dissipation in homogeneous box turbulence
无量纲耗散系数$β=\varepsilon L/U^3$是统计定常均匀湍流的一个重要特征。在$β$的研究中，外力通常是各向同性和大尺度的，并且其螺旋度$H_f$为零或未测量。在这里，我们研究了$β$对$H_f$的依赖性，并发现对于各向同性力和剪切流，它使$β$减少多达10 $\%$。数值结果得到了静态和动态上限理论的支持。两者都显示出类似于数值结果的相对减少。也就是说，$β$对力的螺旋度的定性和定量依赖性被上限理论很好地捕获。的Kolmogorov常数和湍流控制和建模的理论方面的值的后果进行了讨论与外力的属性。特别是，在大涡模拟均匀湍流的涡粘性应减少约10 $\%$的情况下，强螺旋强迫。
2018-10-04 physics.flu-dyn
Not Much Helicity is Needed to Drive Large Scale Dynamos
了解湍流天体物理转子中大尺度磁场的原位放大一直是发电机理论的核心课题。当湍流速度是螺旋形时，大尺度发电机在超过湍流强迫尺度的尺度上大大放大场，但最小足够的分数动力学螺旋度f_h，C以前没有很好地量化。通过对简单螺旋发电机的直接数值模拟，我们发现f_h，C随强迫与大尺度波数之比k_F/k_min的增大而减小。从大尺度螺旋发电机必须克服大尺度上任何非螺旋场的反作用这一条件出发，我们提出了一个可以解释模拟结果的理论。当k_F/k_min>8时，f_h，C<3%，这意味着即使在中等尺度分离下，很小的螺旋度分数也会强烈影响磁谱。
2012-06-21 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
From internal waves to turbulence in a stably stratified fluid
本研究在大型 Coriolis 设施中实验模拟了海洋亚中尺度潮汐驱动的分层湍流，发现强非线性内波的破碎触发了小尺度强湍流，且观测到的能谱应归因于强非线性内波而非弱波湍流。
2023-11-22 physics.flu-dyn
A closure theory for the split energy-helicity cascades in homogeneous isotropic homochiral turbulence
本文研究了三维均匀各向同性湍流的能量传递特性，其中非线性传递以使螺旋度为正的方式改变。在这个框架中，被称为同手性湍流，一个适应涡阻尼准正常马尔可夫（EDQNM）封闭推导出在非常大的雷诺数，顺序$10^5$的基础上泰勒尺度的动态分析。在协议与以前的研究结果，逆级联的能量与动能谱一样，$\propto k^{-5/3}$被发现的尺度大于强迫。结合，螺旋度朝向更大的波数的前向级联得到的动能谱的尺度像$\propto k^{-7/3}$。通过跟踪闭合谱方程在很长一段时间内的演化过程，以及在尺度上的巨大扩展，我们发现了逆能流前沿的非单调形状的发展。分析了受迫和非受迫两种情况下的动能和积分尺度的长时间演化。
2017-07-19 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
Inverse transfer of magnetic helicity in direct numerical simulations of compressible isothermal turbulence: scaling laws
在等温理想磁流体力学（MHD）框架下，通过直接数值模拟大尺度机械驱动的湍流，研究了磁螺旋度的逆传递。机械力要么是纯螺线管的，要么是纯压缩的，所考虑的紊流稳态具有均方根（RMS）马赫数0.1 $\lesssim$ M $\lesssim$ 11。一个连续的小规模电动势强迫注入磁螺旋波动，这导致越来越大的磁结构的建立。谱标度指数的观察，对于低马赫数，是一致的不可压缩的情况下与以前的研究。更高的压缩性导致更平坦的磁螺旋度标度指数。与压缩驱动紊流相比，即使在高马赫数下，螺线管驱动紊流与不可压缩情况的偏差也比较小，在压缩驱动紊流中，在相对较低的RMS马赫数M $\gtrsim$ 3下已经可以看到很大的偏差。因此，可压缩效应可以在磁螺旋度的逆传递中发挥重要作用，特别是当湍流驱动器相当压缩时。然而，在不可压缩情况下观察到的理论结果，可以通过适当改变变量，使用阿尔文速度代替磁场，转移到超音速湍流。
2020-09-20 physics.flu-dyn physics.plasm-ph physics.space-ph
Stratified inclined duct: direct numerical simulations
本文通过首批三维DNS忠实再现SID实验的四种流态，并以较低成本支持长时间模拟，揭示时间与参数变化下的分层湍流转捩。
2023-01-24 physics.flu-dyn
Long-time evolution of density layers and interfaces in forced stably-stratified flows
研究通过长时间数值模拟揭示了稳定层化流中密度阶梯的形成机制及不同粗化动态，揭示了湍流混合与层形成间的相互作用。
2025-12-09 physics.flu-dyn
Helicity dynamics, inverse and bi-directional cascades in fluid and MHD turbulence: A brief review
我们简要回顾了螺旋度动力学，反向和双向级联流体和磁流体动力学（MHD）湍流，重点是后者。湍流系统的能量，在非耗散情况下的不变量，通过非线性模式耦合转移到小尺度。五十年前，人们认识到，对于二维流体，能量级联而不是更大的尺度，三维MHD中的磁螺旋度也是如此。然而，最近获得的证据表明，事实上，对于一系列的控制参数，有系统，其理想的不变量可以转移，恒定的通量，大尺度和小尺度，如MHD或旋转分层流，在后一种情况下，包括准地转强迫。这种双向、分裂、级联直接影响在这些流中发生混合和耗散的速率，其中非线性涡流与具有各向异性色散定律的快波相互作用，例如由于施加的旋转、分层或均匀磁场。级联的方向可以在某些情况下，通过使用唯象参数，其中之一，我们在这里得出以下的情况下，在电子MHD的逆磁螺旋级联的经典线路。随着来自大型实验室实验、高性能计算和现场卫星观测的更高分辨率的数据集，机器学习工具正在为湍流研究带来新的视角，例如帮助设计新的显式次网格尺度参数化，这可能导致增强物理洞察力，包括在未来这些新的双向级联的情况下。
2019-03-12 physics.flu-dyn
Coupling large eddies and waves in turbulence: Case study of magnetic helicity at the ion inertial scale
在湍流中，对于中性或导电流体，大比例的尺度被激发，因为可能发生逆级联到大的全球尺度，以及直接级联到小的耗散尺度，如在大气和海洋中观察到的，或在太阳环境中。在这种情况下，使用直接数值模拟与强迫，我们分析了尺度动力学的存在下，磁场与广义欧姆定律，包括霍尔电流。在固定雷诺数下，离子惯性长度H_（？）H作为控制参数。磁和广义螺旋度-在理想情况下的不变量-随时间线性增长，从经典的论点预期。速度和磁场之间的互相关也增长，对于更强的霍尔电流，相对而言更是如此。我们发现，螺旋增长率随α_H呈指数变化，离子惯性尺度内的逆级联范围内居住。这些指数变化恢复现象使用简单的缩放参数。它们直接与广义螺旋度和磁螺旋度k^（-2）的波数幂律依赖性相关，在它们的反范围内。这说明并证实了在湍流动力学中大尺度和小尺度之间相互作用的重要作用。
2020-01-31 physics.flu-dyn
Inverse cascade of hybrid helicity in $B Ω$-MHD turbulence
研究了在背景磁场$\bf B_0$存在下，低Rossby数下，固体旋转$Ω_0$对不可压缩磁流体动力学湍流大尺度动力学的影响.在周期箱中，在单位磁普朗特数和强迫在中间波数$k_f=20$进行三维直接数值模拟。当$Ω_0$与$\bf B_0$（即$θ\equiv \widehat{\left(Ω_{0}, \bf B_0 \right)} = 0$）对齐时，发现在$k<k_f$处的磁谱发生反向转移。当强迫优先激发右手（而不是左手）波动时，这种转移更强;当$θ>0$时，它更小，当$θ\ge 35^o$时，它变得更弱。这些属性被理解为混合螺旋度的逆级联的结果，这是一个无粘/理想不变的这个系统时，PDMATHAMT。因此，混合螺旋度成为理解旋转发电机的一个关键因素。这些研究结果的起源与行星和恒星的旋转轴的磁偶极子对齐的含义进行了讨论。
2019-05-24 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Nonlinear internal wave penetration via parametric subharmonic instability
我们提出了一个实验室实验研究的谐波，空间周期性的边界强迫从上面的密度分层，包括一个强分层，薄上层坐在上面的弱分层，深下层的内部波场的结果。在线性状态下，与在上层中激发的相对高频率的内波相关联的能通量由于波场的倏逝衰减而被阻止进入下层。然而，在实验中，我们发现，在上层的参数分谐波不稳定性（PSI）的发展转移能量从强迫的主波到一对分谐波子波，每个子波能够穿透弱分层的下层。我们发现，在我们研究的区域，主波能量通量的$10\%$附近通过这种非线性波-波相互作用穿透到下层。
2016-02-11 physics.flu-dyn
The effect of helicity on the correlation time of large scale turbulent flows
强迫纳维-斯托克斯方程的解在比强迫尺度更大的尺度上被证明是热化的，类似于对光谱截断的欧拉方程获得的绝对平衡。通过对Taylor-Green流和一般周期螺旋流的直接数值模拟，给出了两种系统的概率密度函数、能谱、自关联函数和关联时间的比较结果。在高度螺旋流的情况下，我们推导出一个解析表达式描述的相关时间的绝对平衡的螺旋流是不同的$E^{-1/2}k^{-1}$标度律弱螺旋流。该模型预测了一个新的基于螺旋度的相关时间的标度律为$τ(k)\sim H^{-1/2}k^{-1/2}$。在截断的欧拉方程的模拟中验证了该标度律。在纳维-斯托克斯方程的模拟中，强迫泰勒-格林对称流的大尺度模式（具有零总螺旋度和大尺度分离）遵循与绝对平衡相同的性质，包括相关时间的$τ(k) \sim E^{-1/2}k^{-1}$标度。一般周期性螺旋流也显示了两个系统之间的相似之处，但最大尺度的强制流偏离绝对平衡解。
2017-05-15 physics.flu-dyn
The nature of triad interactions in active turbulence
广义Navier-Stokes（GNS）方程描述了三维（3D）具有流动依赖性的谱强迫的主动流体，其数值解可以通过实现手征Beltrami型混沌流来维持显著的能量传递到更大尺度。为了使这些发现合理化，我们在这里研究了多项式和高斯GNS模型的三重截断，重点放在能量注入范围内的模式上。识别一个以前未知的三次不变量，我们表明，渐近三重动力学减少到一个强迫刚体耦合到一个粒子在磁场中移动。这种类比使我们能够根据三元相互作用的渐近稳定性对它们进行分类：不稳定的三元相互作用对应于沿最大和最小主轴的刚体作用力，而稳定的三元相互作用则来自沿中轴的作用力。多项式GNS模型的分析表明，不稳定的三元组诱导指数增长的能量和螺旋度，而稳定的三元组开发一个有限的能量和螺旋度的极限环。这表明，不稳定的三元组占主导地位的初始松弛阶段的完整的流体动力学方程，而稳定的三元组确定的统计稳定状态。为了验证这一假设，我们介绍和研究高斯主动湍流模型，它开发了一个Kolmogorov型$-5/3$能谱在大波长。与多项式情形类似，稳态混沌流自发地积累非零平均螺旋度，同时表现出Beltrami统计和向上的能量传输。我们的研究结果表明，自持Beltrami型流和逆能量级联可能是通用的功能，三维主动湍流模型与流量相关的光谱强迫。
2017-08-04 cond-mat.soft 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
Third-order structure functions for isotropic turbulence with bidirectional energy transfer
我们推导并检验了一种新的三阶结构函数的启发式理论，该理论可以解决同时向小尺度和大尺度谱能量转移的情况下的强迫尺度，例如，这可以自然地发生在旋转分层湍流或磁流体动力学湍流中。该理论有三个参数，即上/下尺度能量传输率和强迫尺度，它包括经典的惯性范围理论作为局部限制。当应用于测量数据时，我们的整体尺度理论可以利用全范围的数据来推导能量转移率，因此与局部理论相比，它具有更广泛的应用，特别是在数据不完美的情况下。此外，由于强迫尺度的分辨率，新理论可以检测能量输入的尺度，这是以前不可能的。我们测试我们的新理论与MHD湍流的二维模拟。
2019-06-27 physics.flu-dyn
Rotating helical turbulence. Part I. Global evolution and spectral behavior
我们给出了两个1536^3旋转湍流直接数值模拟的结果，其中能量和螺旋度都通过外部强迫注入流中。在旋转的存在下，在各向同性和均匀湍流中观察到的能量和螺旋度向较小尺度的双重级联被打破，现在与能量和螺旋度的直接级联共存的能量的逆级联的发展。在直接级联区，低Rossby数时螺旋度通量占主导地位。这些级联对流量的统计有几个结果。全球数量的演变和能量和螺旋度谱的研究，并在不同的雷诺数和Rossby数在较低的分辨率与模拟进行比较，以确定标度律。
2009-09-07 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Helicity subgrid-scale models and their numerical validation
University of Tokyo（东京大学）；Nordic Institute for Theoretical Physics (NORDITA), Stockholm University and Royal Institute of Technology (KTH)（北欧理论物理研究所（NORDITA）、斯德哥尔摩大学和皇家理工学院（KTH））；Universidad de Buenos Aires (UBA)（布宜诺斯艾利斯大学）；CONICET-UBA, Instituto de Física Interdisciplinaria y Aplicada (INFINA)（阿根廷国家科学研究委员会-布宜诺斯艾利斯大学交叉与应用物理研究所（INFINA））；CNRS-CONICET-UBA, Institut Franco-Argentin de Dynamique des Fluides pour l’Environnement (IFADyFE)（法国国家科学研究中心-阿根廷国家科学研究委员会-布宜诺斯艾利斯大学法国-阿根廷环境流体动力学研究所（IFADyFE））；National Center for Atmospheric Research (NCAR)（美国国家大气研究中心）；Cooperative Institute for Research in the Atmosphere/NOAA（大气研究合作研究所/美国国家海洋和大气管理局）；École Centrale de Lyon（里昂中央理工学院）
本文通过直接数值模拟验证了旋度子网格模型的有效性，表明在标准Smagorinsky框架中引入旋度效应可改善子网格湍流建模。
2026-03-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Isotropisation at small scales of rotating helically-driven turbulence
我们提出的数值证据如何三维化发生在小尺度旋转湍流与贝尔特拉米（ABC）强迫，创造螺旋流。泽曼尺度$\ell_Ω$的惯性和涡流翻转时间是相等的，是一个以上的数量级大于耗散尺度，与相关的领域（大规模的逆级联的能量，双重制度的直接级联的能量$E$和螺旋度$H$，和耗散）每个适度解决。这些结果源于对$3072^3$点网格上的大型直接数值模拟的分析，Rossby数和雷诺数分别等于0.07和$2.7\times 10^4$。在尺度小于强迫，螺旋波调制的惯性定律的能量和螺旋度谱是遵循超越$\ell_Ω$由柯尔莫哥洛夫谱$E$和$H$。在二维慢流形，我们还表明，螺旋度谱分解在$\ell_Ω$，一个明显的迹象恢复三维的小尺度。
2012-03-01 nlin.CD physics.flu-dyn
Helical and nonhelical (magneto-)Burgers turbulence: I. Compressibility reduction and beyond
该研究比较螺旋与非螺旋（磁）Burgers湍流，理论分析螺旋度紧固效应，并通过数值模拟表明其可正则化解，且磁螺旋度增益更强。
2023-08-17 nlin.CD physics.flu-dyn
A nested polyhedra model of isotropic MHD turbulence
本文发展了一种适用于磁流体动力学（MHD）湍流的嵌套多面体模型。在大尺度上仅驱动速度场，随机，发散自由强迫导致动能和磁能的清晰，稳定的$k^{-5/3}$谱。由于该模型自然地消除了不同尺度的相互作用，没有引导场，并且避免了通过随机强迫注入任何螺旋性的迹象，因此所得的三维k谱是统计各向同性的。该模型的优点和缺点表明，通过考虑大或小的磁普朗特数。还观察到，均分偏移的时间尺度与最小尺度的时间尺度显示出$k^{-1/2}$缩放。
2017-12-22 physics.flu-dyn
Low magnetic Prandtl number dynamos with helical forcing
我们提出了直接的数值模拟发电机的行动在强迫罗伯茨流。随着机械雷诺数的增加，发电机的行为如下，从层流的情况下，直到达到湍流状态。发电机作用的临界磁雷诺数被发现，并在湍流中，它被观察到几乎是独立的磁普朗特数的范围从0.3到0.1。还研究了该阈值与流动中的机械螺旋度的量的依赖性。对于不同的制度发现，在饱和稳态的磁场和速度场的配置进行了讨论。
2005-05-26 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Understanding Helical Magnetic Dynamo Spectra with a Nonlinear Four-Scale Theory
最近MHD发电机模拟磁普朗特数$>1$表明，当MHD湍流被迫与足够的动能螺旋度，饱和磁能谱的演变，从有一个单一的峰值低于强制规模成为双峰与一个峰值在系统（=最大）的规模和一个在强制规模。最近的非线性双尺度非线性螺旋发电机理论，其中的系统和强制尺度进行相反的符号的磁螺旋度的系统尺度场的增长是很好的模拟。但是双尺度理论不能模拟小尺度峰值向强迫尺度的移动。在这里，我开发了一个四尺度螺旋发电机理论，它表明，小尺度的螺旋磁能首先在非常小的尺度饱和，但随后在较大的尺度在较大的值连续饱和，最终成为主导的强迫规模。小尺度峰值向强迫尺度的转移是在大尺度场运动学增长区结束时完成的，对于大的$R_M$，小尺度峰值向强迫尺度的转移不依赖于磁雷诺数$R_M$。四尺度和双尺度理论随后几乎相同地发展，并且都显示出系统上显著的场增长和独立于$R_M$的强迫尺度。在本方法中，频谱的螺旋和非螺旋部分在很大程度上是解耦的。分数螺旋湍流的影响进行了讨论。
2003-06-23 astro-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Drift of interfaces in forced stably-stratified turbulence and the role of vertically-sheared helical structures
Department of Physics & INFN, University of Rome “Tor Vergata”（罗马第二大学物理系及意大利国家核物理研究所）；INFN Sezione di Lecce（意大利国家核物理研究所莱切分部）；CNR NANOTEC（意大利国家研究委员会纳米技术研究所）
研究强迫稳定分层湍流中界面粗化动力学现象，通过直接数值模拟和长时间积分，发现界面垂直漂移和合并与打破镜面对称性的垂直剪切螺旋结构有关，还建立了螺旋度耗散率与垂直浮力通量的联系。
2026-07-10 physics.flu-dyn
Experimental observations of internal wave turbulence transition in a stratified fluid
弱湍流理论应用于内波的最新发展表现出接近海洋Garrett \& Munk谱的动能方程的幂律解，证实弱非线性波相互作用是观测到的海洋谱的可能解释。然而，有限尺寸效应会阻碍有界区域中的波相互作用，观测结果往往与理论预测不同。本文研究了在五角形区域内受内重力波作用的分层流体的动力学特性。我们发现，通过改变形状和增加域的尺寸，有限尺寸效应减小和波湍流观察。在这种情况下，时间谱以与Garrett-Munk谱兼容的斜率衰减。通过改变强迫条件，出现不同的制度，即离散波湍流，弱波湍流，强分层湍流。浮力雷诺数$Re_b$很好地标志着制度之间的过渡，与弱波湍流发生$1\lesssim Re_b\lesssim 3.5$和强烈的非线性分层湍流更高的$Re_b$。
2022-09-08 nlin.CD physics.flu-dyn
Large-scale flow generation by inhomogeneous helicity
本文研究了动力螺旋度（速度-涡度关联）对湍流动量输运的影响。湍流动力学螺旋度（赝标量）以螺旋度梯度的形式作为平均涡度和/或角速度（轴向矢量）的耦合系数进入雷诺应力（镜像对称张量）表达式，这表明在非均匀螺旋度存在下产生平均流的可能性。这种不均匀的螺旋度效应，这是以前确认的水平上的湍流或封闭模型模拟，检查与直接数值模拟的帮助下，旋转湍流与非均匀螺旋度持续的外部强迫。数值模拟结果表明，雷诺应力的空间分布与螺旋度相关项和角速度的耦合相一致，在角速度方向产生了大尺度流动。在均匀湍流螺旋度的情况下，不会引起这样的大尺度流动。这一结果证实了非均匀螺旋度效应在大尺度流动生成中的有效性，并表明即使在不存在斜压性效应的不可压缩湍流中，涡旋发电机也是可能的。
2016-03-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Helicity effect on turbulent passive and active scalar diffusivities
本文通过数值模拟发现螺旋度会降低有效磁扩散率但增强被动标量扩散率，并证明速度场关联时间随动能螺旋度增加是解释该结果的关键。
2025-05-01 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Numerical simulation of tidal synchronization of the large-scale circulation in Rayleigh-Bénard convection with aspect ratio 1
最近一系列论文的主题是对太阳发电机11.07年施瓦贝周期的明显相稳定性的一种可能的解释。同步的螺旋度的不稳定性与方位波数m=1的潮汐m=2扰动在这里发挥了关键作用。为了分析这种类型的相互作用在一个范例设置，我们研究了热驱动的瑞利-贝纳德对流（RBC）的液体金属的影响下的潮汐电磁强迫。如前所示，该强迫的时间调制在径向流速分量的m=2模式中作为峰值频率出现。在本文中，我们给出了关于RBC流的大尺度环流（LSC）与时间调制电磁强迫之间相互作用的新数值结果。
2022-09-15 physics.flu-dyn
Evidence for Bolgiano-Obukhov scaling in rotating stratified turbulence using high-resolution direct numerical simulations
我们报告了在没有强迫的情况下，在大尺度各向同性初始条件下，使用在多达4096^3个点的网格上计算的直接数值模拟的旋转分层湍流的结果。雷诺数和弗劳德数分别等于Re=5.4 x 10^4和Fr=0.0242。Brunt-Väisälä波与惯性波频率的比值N/f取为4.95，这一选择适合于模拟中纬度南部深海海洋的动力学。这给出了一个整体浮力雷诺数R_B=ReFr^2=32，这个数值足以在奥兹米多夫尺度以上的小尺度上恢复某些各向同性，但仍然足够适中，可以很好地分辨出波浪盛行的中间尺度。我们专注于大规模的动态，我们发现一个兼容的Bolgiano-Obukhov标度的频谱，并确认弗劳德数的基础上一个典型的垂直长度尺度是为了统一，在垂直方向上的强梯度。两个特征尺度出现从这个计算，并确定从急剧变化的光谱分布的总能量或螺旋度。一个频谱中断也观察到在一个尺度上的动能和潜在的模式之间的能量的分配突然改变，超过这一点的柯尔莫哥洛夫样的频谱恢复。大的倾斜层是无处不在的速度和温度场的流动中，与小理查森数表示的局部翻转事件，和一个小的大规模的增强能量直接归因于旋转的效果也被观察到。
2014-09-15 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
Irreversible mixing by unstable periodic orbits in buoyancy dominated stratified turbulence
我们认为湍流驱动的大规模水平剪切Kolmogorov流（即正弦体强迫）和背景线性稳定分层与浮力频率$N_B^2$施加在第三，垂直方向的流体中的运动粘度$ν$。这种流动是已知的组织成层的非线性不稳定的稳定状态，倾斜的垂直背景剪切，可以证明是有限振幅饱和的一系列不稳定性，最初从层流状态。在这里，我们调查的下一个顺序的运动在这个系统中，即依赖于时间的机制，密度场是不可逆的混合。这项调查是使用“循环流分析”。我们确定（不稳定）的周期性轨道，这是嵌入在湍流吸引子，并使用这些轨道作为代理的混沌流。我们发现，适当测量流动“混合效率”的时间平均值$\mathscr{E}= χ/(χ+\mathcal{D})$（$\mathcal{D}$是体积平均动能耗散率，$χ$是体积平均密度方差耗散率）随时间平均浮力雷诺数$\overline{Re}_B= \overline{\mathcal{D}}/(νN_B^2)$非单调变化，并以$1/6$为界，与Osborn（1980）的经典模型一致。在低$\overline{Re}_B \sim O(1)$下具有较低不可逆混合效率的不稳定轨道和在中等$\overline{Re}_B \sim 10$下具有接近最佳$\mathscr{E} \lesssim 1/6$的不稳定轨道之间存在质的不同的物理性质。较弱的轨道，不可避免地嵌入在更强的分层流，其特征在于应变或“冲刷”…
2017-09-11 physics.flu-dyn
Mixing across stable density interfaces in forced stratified turbulence
本文通过受迫分层湍流的直接数值模拟，发现显著标量混合集中在静力稳定的密度界面而非混合层内，且界面处极端通量系数会偏斜总体统计，提示现有海洋混合参数化可能因采样偏差而高估常见混合事件的重要性。
2023-04-19 physics.flu-dyn
