How linear surface waves are affected by a current with constant vorticity
表面波与具有均匀涡度的库埃特型流的相互作用是一个非常适合学生接近表面波理论的问题。这个问题虽然数学上很简单，但包含了丰富的物理学，而且在从海洋学和海洋技术到微流体的几种情况下都很重要。我们在这里提出一个简单的二维理论，波在等深均匀涡度的基本流上传播。色散关系的发现，剪切流如何引入不同的相速度上游和下游传播波。讨论了表面张力的作用，并将其应用于由移动源产生的波型的情况，所述源是静止的。最后，我们讨论了如何平均势能和动能不再是平等的存在剪切。
2014-01-08 physics.flu-dyn
Influence of shear-flow vorticity on wave-current interaction. Part 1: Surface gravity waves without surface tension effect
本文研究了具有常涡度的背景切变流上表面波的传播，并与背景流深度均匀的情况作了比较。对于垂直剖面为线性的剪切流，详细分析了有限深度流体的表面重力波频散关系。在假定背景流沿水平方向逐渐变化的条件下，着重研究了波阻现象，详细讨论了涡量对波阻现象的影响。得到了波阻塞的条件，并对不同的无量纲参数值进行了分类。
2013-10-14 physics.flu-dyn
Water Waves from General, Time-Dependent Surface Pressure Distribution in the Presence of a Shear Current
我们得到一个一般的，随时间变化的表面压力分布，在存在的剪切流的表面下，在三维均匀涡的水波的一般解决方案。线性化的控制方程和边界条件，包括重力的影响，一个分布式的外部压力扰动，和恒定的有限深度，解析求解，并特别注意经典的初始值问题：初始压力脉冲和稳定的压力分布突然出现。在本文中，与以前的结果表现出良好的一致性。随后，我们显示如何从一个突然出现的稳定的压力分布vanis瞬态波分析和数值大的时间，和稳定的船波保持。推导了瞬态对波阻的贡献。结果表明，剪切流对瞬变波动有明显的影响，导致上下游波浪的不对称性。突然出现定常压力的情况是介于环形波和船波之间的一种中间情况，从环形波开始，逐渐演变成船波。船舶相对于水流的运动方向被认为是决定瞬态波的影响消失得有多快的关键。当两艘船相对于水面的速度相同时，逆剪切流航行的船比顺流航行的船需要更长的时间来产生瞬态效应。因此，对于船舶在剪切流中的运动，瞬态波的影响，例如，由于操纵可以积累，并且比均匀流更重要。
2015-11-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Study of the Turbulent/Non-turbulent Interface of Zero-Pressure-Gradient Turbulent Boundary Layer Using the Uniform Momentum Zone Concept
本文提出一种基于均匀动量区（UMZ）概念的无阈值方法，利用平面流向速度数据检测零压力梯度湍流边界层的湍流-非湍流界面（TNTI），揭示了界面的动力学特征及雷诺应力的非对称响应。
2025-05-29 physics.flu-dyn
Linear and nonlinear stability of a quasi-geostrophic mixing layer subject to a uniform background shear
本文的目的是通过核波（KW）的观点重新研究在背景切变影响下大气中准地转（QG）混合层（或涡带/涡丝）的破裂。QG混合层模拟与家庭准瑞利速度剖面的位涡（PV）是恒定的补丁。在KW视角中，在每个PV边缘（即PV跳跃所处的边缘）处创建反向传播Rossby波（CRW）。我们研究的重要参数是（i）均匀剪切的涡度m和（ii）Rossby变形半径Ld，它指示压力扰动可以垂直传播多远。当不利的剪切（m < 0）使系统稳定时，有利的剪切（m > 0）使系统不稳定性增强。这是由于当m < 0（m > 0）时，背景切变通过将最佳相位差向大（小）波数移动来影响两个非耦合CRW。当引入QG环境时，注意到不稳定性的普遍减弱，特别是对于m > 0...
2018-09-11 physics.flu-dyn
Latitudinal libration driven flows in triaxial ellipsoids
出于对潮汐变形行星和卫星的液核动力学的理解，我们提出了一个研究刚性三轴椭球内纬向天平动驱动的不可压缩流。首先，我们推导出一个层流解的无粘运动方程的假设下，均匀涡流。如果天平动频率与自旋惯性模式的频率相匹配，则该解决方案表现出共振。此外，我们通过引入低Ekman数极限下粘性Ekman层效应的简化模型来扩展我们的模型（Noir和Cébron 2013）。这种理论方法与Chan等人（2011）和Zhang等人（2012）关于球形几何形状的结果一致。我们的研究结果进行了验证，对系统的三维数值模拟。本文的第二部分给出了这种均匀涡量流的第一线性稳定性分析。为此，我们采用了不同的方法（Lifschitz和Hameiri 1991; Gledzer和Ponomarev 1977），可以推导出不稳定性增长率的上限和下限。分析表明，均匀涡度基流容易因参数共振机制而产生惯性不稳定性。这是证实了一组直接的数值模拟。将我们的结果应用到行星环境中，我们发现月球、木卫一和水星的液核中既不存在自旋共振，也不存在惯性不稳定性。
2016-01-08 physics.flu-dyn
Turbulence generation by a shock wave interacting with a random density inhomogeneity field
当平面激波与激波前密度不均匀性的随机模式相互作用时，它会产生各向异性的湍流速度/涡度场。这种湍流在压缩流体混合过程的早期阶段起着重要作用。这种情况自然出现在冲击波与惯性约束聚变（ICF）中的弱非均匀氘芯泡沫靶和天体物理学中的密度团块/云的相互作用中。我们提出了一个精确的小振幅线性理论描述这种相互作用。它是基于精确的时间和空间演化理论的波纹激波阵面后面的扰动量的单模预激波非均匀性。适当的模式平均在2D的结果在封闭的解析表达式的湍流动能，速度和涡量场的各向异性程度的冲击流体，冲击放大的密度不均匀性，和声波能量通量辐射下游。这些显式公式在弱/强激波和高度可压缩流体的重要渐近极限中得到进一步简化。与激波与激波前各向同性涡量场相互作用的相关问题的比较也被提出。
2010-11-16 physics.flu-dyn
Ships, Splashes, and Waves on a Vast Ocean
采用Navier-Stokes方程的均匀体积离散方法来模拟大型开放水面具有挑战性。模拟运动物体附近的水飞溅，水波的高度场方法无法捕获，需要高分辨率。这种模拟可以使用流体隐式粒子（FLIP）方法进行。然而，FLIP方法对于传播到长距离的持久水波是无效的，这需要足够的深度以获得正确的色散关系。本文提出了一种新的方法来解决这个难题，通过有效的混合体积和表面为基础的对流投影离散。针对不可压Euler方程，设计了一种结合FLIP域和自适应重网格边界元法（BEM）域的混合时间推进算法。由此产生的框架捕捉详细的水飞溅附近的FLIP方法移动的对象，并产生令人信服的水波与正确的色散关系，在适度的额外成本。
2021-09-18 cs.GR physics.flu-dyn
Wave Equation for Sound in Fluids with Vorticity
我们使用Clebsch势和作用原理推导出一个封闭的系统的规范不变方程叠加在一般的背景流的声音。当流动无旋或缓慢变化时，我们的系统简化为Unruh（1981）和Pierce（1990）波动方程。我们说明我们的形式主义，将其应用到波传播的均匀旋转的流体中的声音模式与惯性波杂交。
2001-06-13 cond-mat gr-qc physics.flu-dyn
Observation of surface wave patterns modified by sub-surface shear currents
我们报告两个典型的表面波模式的实验观测-船波和环波-歪斜的次表面剪切，从而证实了最近的理论预测的效果。观测到的环波在一个静止的表面与次表面剪切流是惊人的不对称，强烈的各向异性波色散的影响。静止水面上的船波运动穿过次表层流时，船波关于船的运动线表现出惊人的不对称性，上游与下游运动的尾流角和横向波长存在很大的差异，所有这些都与理论预测吻合得很好。这两种现象在水深均匀的海流中都不会发生。一个环波的测量与预测的平均相移的定量比较是严重错误的预测无剪切理论，但在良好的协议与预测测得的剪切电流。对于所有剪切流，在上游与下游方向上观察到环形波包内的波频率存在明显差异，而正如预期的那样，它符合静水垂直于剪切流传播的理论。所测得的2维傅立叶谱的峰值船波同意以及与预测标准的固定船波，除了在某些情况下，由于有限的波数分辨率，瞬态效应和/或实验噪声的结果是不完善的。实验进行了两种不同的方式，与一个弯曲的网格，和下面的阻塞停滞表面流创建的控制剪切流。速度分布测量粒子图像测速仪，表面波与合成纹影法。我们的观察提供了强有力的经验支持最近的预测，船舶和结构物上的波浪力可以很大程度上影响河口和潮汐水域的剪切。
2019-04-04 physics.flu-dyn
Pressure beneath a periodic travelling water-wave in constant-vorticity flow over a flat bed
University of Vienna（维也纳大学）；Johann Radon Institute for Computational and Applied Mathematics (RICAM)（约翰·拉登计算与应用数学研究所）
在线性理论框架下，研究了恒定涡度流中平坦底床上的规则波列的总压力（水动力压力）和动压力行为，发现非零涡度会显著改变动压力极值的位置，且涡度虽不改变水动力压力随深度增加的趋势，但会改变固定深度处水动力压力极值的位置。
2026-07-23 math.AP physics.flu-dyn
On the role of non-uniform stratification and short-wave instabilities in three-layer quasi-geostrophic turbulence
本文在准地转近似下用一个三层简化模式研究了短波不稳定性对地转湍流的作用。线性稳定性分析表明，短波不稳定性是由上层和下层剪切相互作用产生的。如果分层是不均匀的，特别是表面强化，线性增长率是短波不稳定性大于长波不稳定性和层基本上是解耦的，与小尺度独立增长。通过数值试验研究了充分发展的均匀湍流。结果表明，在等层深和地面强化层结的情况下，均观察到动能的逆级联。在小尺度下，由于层结的解耦，在高斜压数时，模态动能谱显示出较高的能量。结果表明，在等层深的情况下，正压不稳定性大，位温梯度大，而地面层结强度增强的特征是从涡度分布不均匀的地面动力学向涡度涡度在位涡距平的概率分布函数中可以看到短波不稳定性的影响，当短波不稳定性的增长率大于长波不稳定性的增长率时，位涡距平的概率分布函数趋于高斯分布。表面强化层结也改变了位涡通量的垂直结构，并显示了假设湍流作为向下梯度扩散的尺度通量的偏差。
2015-10-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Transient growth in a flat plate boundary layer under a stream with uniform shear
本研究针对均匀剪切来流下半无限平板边界层的瞬态增长展开，发现初始最优扰动为流向涡，相比Blasius边界层能量更高、展向波长更大，且最大最优放大倍数随自由流剪切梯度指数增长。
2021-07-19 physics.flu-dyn
The onset of filamentation on vorticity interfaces in two-dimensional Euler flows
本文研究二维Euler流动中涡度界面上的丝化起始，通过三阶弱非线性展开推导出无参数振幅方程，证明其具有有限时间波斜率自相似爆破解，揭示了丝化现象的动力学机制。
2024-10-12 math.DS physics.flu-dyn
Electro/Magnetically Induced Controllable Rotation In Small-scale Liquid Flow
我们研究了在不可压缩流体中，通过电场和磁场产生旋转流的所有可能性。我们从一个一般的理论基础，并寻找不同的配置和设置，其中电/磁场和电流影响流体的涡度导致旋转的液体流动。我们假设稳态条件和与时间无关的电场和磁场作为体外扭矩。关于理论基础，我们提出了三个实验装置，其中通过施加场在流体上，产生旋转涡旋：（a）均匀电场和均匀电流，（b）均匀电流和非均匀磁场，和（c）非均匀电流和均匀磁场。第一个案例已经详细报道，命名为“液膜马达”。另外两种情况下的实验研究在这里的立方体和圆柱形细胞。通过PIV技术获得的旋转速度模式，并讨论了结果，并通过基于磁场对电流施加的扭矩的初步估计来证明。从角速度对电流的双对数曲线图中，得到了圆柱形和矩形几何形状的旋转流的非线性因子。
2013-03-22 physics.flu-dyn
Altimetric measurements of rotating turbulence: cyclone-anticyclone asymmetry, inertial and Kelvin waves and spectral characteristics
本文介绍了旋转圆形容器内湍流的一系列新的实验结果。电磁力的作用是在恒定深度的流体层中诱导流动。研究了连续强迫流动和衰减流动。光学测高用于测量地面高度场的梯度，并获得具有高时间和空间分辨率的速度场和涡度场。流场的谱分析表明，尽管能量和涡度拟能的谱通量在这些区间内并不均匀，但仍形成了具有能量和涡度拟能区间的双重级联。能量间隔的特征在于波数的斜率约为-5/3，并且在范围上受到变形效应的有限半径的限制。在涡度拟能范围内，由于存在长寿命的相干涡，斜率比-3更陡。流场谱通量的空间分布表明，能量逆传递和涡度拟能正传递主要发生在拉长的涡度斑片中。在我们的流动中观察到有利于反气旋的气旋/反气旋不对称性。在湍流的衰减阶段，反气旋的优势最为明显。反气旋保持圆形，而气旋性涡度被拉伸成细长的斑块。测量结果表明，涡量分布的偏斜度随流动的佛劳德数的增大而增大。惯性波和开尔文波在我们的实验中被检测到，他们的特点进行了分析，对适当的频散关系。
2013-04-10 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Fluid Dynamics and Passive Scalar Transport Driven by Non-Uniform Tumbling of a Prolate Spheroid in Simple Shear Flow
基于格子玻尔兹曼高保真模拟，研究了简单剪切流中长椭球被动标量输运，发现颗粒惯性通过影响翻滚均匀性改变流动与输运模式，且在低惯性下输运速率收敛于与Peclet数的共同关系。
2024-10-16 physics.flu-dyn
Langmuir turbulence in suspended kelp farms
本研究通过大涡模拟探究悬浮海带养殖场对海洋混合层流体动力学的影响，发现养殖场构型会诱发不同朗缪尔环流与更强湍流，其强度受海带密度和构型影响，对营养供应和海带生长有重要意义。
2024-03-07 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Negative group velocity and Kelvin-like wake pattern
均匀传播源的尾流模式是介质集体激发共振发射的结果。当存在这样的激发具有负群速度的频率范围时，它们的干扰导致类似于开尔文船舶尾流的尾流模式：虽然有“横向”和“发散”波前尾随源，但它们的方向与开尔文相反。这是说明了一个明确的计算“roton”尾流模式在超流$^{4}He$的开尔文式尾流出现时，源的速度稍微超过朗道临界roton速度。
2022-02-03 cond-mat.mes-hall physics.flu-dyn
