The tachocline revisited
太阳速跃层是位于太阳对流层底部的剪切层。速跃层中的水平剪切可能是湍流，并且通常认为由于局部分层，这种湍流将是强烈的各向异性。然而，这种湍流在速跃层动力学中起着什么样的作用还有待确定。特别是，目前还不清楚它是否会导致湍流涡流扩散率，或反扩散率，或其他完全。在本文中，我们提出了第一个直接数值模拟的湍流水平剪切流在低普朗特数，在一个理想化的模型，忽略旋转和磁场。我们发现，存在几个制度，这取决于分层，粘度和热扩散率的相对重要性。我们的研究结果表明，速跃层是在分层的湍流制度，它具有非常具体的属性控制浮力，惯性和热扩散之间的平衡。
2020-04-05 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The contribution of kinetic helicity to turbulent magnetic diffusivity
使用数值模拟的强制湍流，它表明，磁雷诺数大于单位，即，在准线性理论的范围之外，湍流磁扩散率获得在动力学螺旋度中为二次的附加负贡献。特别是，对于大的磁雷诺数，没有螺旋度的湍流磁扩散率约为螺旋度值的两倍。这样的贡献是以前没有预料到的，但是，正如我们所讨论的，它原来是重要的，当需要准确估计的湍流磁扩散率。
2017-08-24 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Turbulent viscosity and effective magnetic Prandtl number from simulations of isotropically forced turbulence
背景：大尺度流的湍流扩散和磁场在许多天体物理系统中起着重要作用。目的：我们的目标是计算湍流粘度和磁扩散率，相关的扩散大规模的流动和磁场，分别和它们的比率，湍流磁普朗特数，${\rm Pm}_{\rm t}$，各向同性强迫均匀湍流。方法：我们使用的强迫湍流在完全周期性的立方体组成的等温气体施加大规模的正弦剪切流的模拟。湍流粘度的计算，无论是从所产生的雷诺应力或从大规模流动的衰减率。湍流磁扩散率的计算使用测试场方法。通过改变施加的正弦剪切和测试场的波数，研究了系数的尺度依赖性。结果：我们发现湍流粘性系数和磁扩散系数在一般情况下是同一个数量级。此外，湍流粘度取决于流体雷诺数（${\rm Re}$）和湍流的尺度分离比。湍流粘性的尺度依赖性被发现是很好地近似的洛伦兹。湍流输运系数的结果似乎在足够高的${\rm Re}$值和尺度分离比处收敛。然而，即使在${\rm Re}$的最大值处也发现了微弱的下降趋势。湍流磁普朗特数收敛到一个值，这是略低于单位大${\rm Re}$，而对于小${\rm Re}$，我们发现0.5和0.6之间的值。结论：湍流磁扩散率一般始终高于湍流粘度。在大的${\rm Re}$和尺度分离比下，从模拟（$\approx0.9\ldots0.95$）中发现的${\rm Pm}_{\rm t}$的实际值高于任何分析预测。
2020-02-17 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Relative dispersion and eddy diffusivity in laboratory experiments of $β$-plane turbulence
University of St Andrews（圣安德鲁斯大学）；University of Glasgow（格拉斯哥大学）；Aix Marseille Univ, CNRS, Centrale Med, IRPHE（艾克斯-马赛大学、法国国家科学研究中心、中央马赛学院、IRPHE）；Department of Geosciences, University of Oslo（奥斯陆大学地球科学系）
该研究给出纬向地转流态下快速旋转湍流中相对扩散和湍流扩散的首次实验测量，通过合成拉格朗日轨迹计算相关统计量，揭示了不同区域转变，还能据此测量湍能耗散率和湍流扩散率，测量结果与相关理论大致相符。
2026-07-14 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Turbulent Flame Speed Scaling for Expanding Flames with Markstein Diffusion Considerations
在这项工作中，我们澄清的作用Markstein扩散湍流火焰速度和它的缩放，从分析和实验测量近各向同性湍流中传播的恒压膨胀火焰。对于所有的C 0-C4烃-空气混合物在这项工作中，最近发表的C8数据从利兹，归一化的湍流火焰速度数据的个别混合物大致遵循最近的理论和实验$Re_{T,f}^{0.5} $缩放，其中的平均半径是长度尺度和热扩散率的传输属性。我们观察到，对于一个常数$Re_{T,f} $，归一化的湍流火焰速度随Markstein数的增加而减小。这可以用Markstein扩散系数作为大波数火焰表面波动耗散机制来解释。正如理论最初所建议的那样，在上述湍流雷诺数定义中用Markstein扩散率代替热扩散率，可以通过新的$Re_{T,M}^{0.5} $来缩放当前和Leeds数据集，而不管所考虑的燃料、当量比、压力和大范围Damköhler数上正Mk火焰的湍流强度。
2013-09-03 physics.flu-dyn
Velocity-vorticity correlation and turbulent diffusivity in buoyancy driven fluid dynamics
速度-涡度相关积分（Chkhetiani不变量）是粘性Karman-Howarth方程的不变量。在三维空间中，该不变量可以自然地确定湍流扩散率（粘性）。直接数值模拟的结果表明，由该积分控制的分布混沌可以充分描述Prandtl数$Pr \sim 1$下的湍流Rayleigh-Bénard对流、稳定分层湍流和Rayleigh-Taylor混合.
2019-02-18 physics.flu-dyn
Sensitivity of a Babcock-Leighton Flux-Transport Dynamo to Magnetic Diffusivity Profiles
我们研究了太阳运动学通量输运发电机模型中不同磁扩散率分布对极向和环向磁场演化的影响。在太阳发电机模型中，扩散率是一个知之甚少的因素。我们在数学上构建各种理论配置文件的深度依赖的扩散，混合长度理论和湍流的约束的基础上，并在太阳上的极向场演化的比较，从通量运输发电机模型。然后，我们研究的效果，每个扩散曲线的周期性演变的磁场在太阳上，通过求解平均场发电机方程。我们调查太阳活动周期的影响，最大速跃层场强度，对流区内的环向和极向场结构的演变，由于不同的扩散率配置文件。我们做了三个实验：（I）比较非常不同的磁扩散率分布;（II）比较最佳分布的速度跃层附近的扩散率梯度的不同位置;以及（III）比较最佳分布的扩散率梯度的不同斜率。基于这些模拟，我们讨论了哪些方面的深度相关的扩散率配置文件可能是最相关的磁通量在太阳的演变，以及如何某些观测可以帮助提高知识的发电机成分。
2010-09-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Lagrangian chaos and turbulent diffusivity
本文研究了由三个准点涡的准周期（可积）运动和三个准点涡和六个准点涡的混沌运动产生的拉格朗日混沌所产生的被动标量混合，并与二维和三维定常各向同性均匀湍流以及网格后和圆柱后湍流尾迹中被动标量的湍流混合进行了比较。数值和实验室实验的结果已被使用和有效的扩散近似以及分布式混沌方法已被应用到这个问题。
2019-04-11 physics.flu-dyn
Assessing passive scalar dynamics in bubble-induced turbulence using DNS
本研究通过DNS分析气泡诱导湍流中的被动标量，发现标量谱从k^-5/3到k^-3的转变，并揭示其机制与气泡直径尺度相关，同时探讨了对流扩散率的影响。
2023-05-04 physics.flu-dyn
Spatial and temporal distribution of stratospheric turbulence from global high-resolution radiosonde data
University of Hawai’i at Manoa（夏威夷大学马诺阿分校）
本文利用2014年10月至2025年12月全球370个站点的高分辨率探空数据，基于里奇蒙数方法估算平流层湍流扩散率，发现其广泛分布且受稳定但强剪切条件影响，识别出可能促进平流层气溶胶注入的局部最大值，并发现2015-2025年间扩散率显著增加。
2026-04-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Effective transport by 2D turbulence: Vortex-gas theory vs. scale-invariant inverse cascade
本文研究二维湍流有效扩散率，发现尺度不变逆级联标度失效，并提出由孤立涡旋及涡核局部耗散主导的替代标度律，且与DNS定量一致。
2025-03-19 physics.flu-dyn
Identify the diapycnical eddy diffusivities by salt fingers and turbulence with vertical microstructure measurements
根据一个简单的事实，即对于同一参数，不同的公式是相同的，从物理关系式中推导出了双循环涡扩散系数的公式。发现色散比Γ是一个关键参数。当大于某个临界值（约0.2）时，流动为盐指型;否则，流动为湍流。所有的密度比$R_ρ=1/(1-Γ^2)$、涡动通量比$γ=1/(1+Γ)$和涡动扩散率比$R_k=1-Γ$都简单地取决于扩散率比γ r。我们将这些关系应用于热带大西洋西部的测量数据。有效扩散系数为$0.96*10^{-4} m^2/s$，与示踪剂从0.8到$0.9*10^{-4} m^2/s$的观测结果相当一致。
2014-06-23 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Scalar Dissipation Criticality in Compressible Magnetized Turbulence
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Flatiron Institute, Simons Foundation（西蒙斯基金会平顿研究所）；School of Mathematics, IAS, Princeton（普林斯顿高等研究院数学学院）；GSSI, L’Aquila, Italy（意大利拉奎拉全球南方科学研究所）
该研究将标量湍流理论推广至可压缩磁化流动，证明在特定标度指数条件下反常耗散不可能发生，并给出Yaglom定律的可压缩类比，为等离子体输运提供诊断依据。
2026-09-22 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Combined role of molecular diffusion, mean streaming and helicity in the eddy diffusivity of short-correlated random flows
我们分析研究的有效扩散率张量的示踪粒子在流体流动赋予一个短的相关时间。通过功能演算和多尺度扩展，我们写下的主要贡献，由于每个单一的物理效应和它们的相互作用的涡扩散。也就是说，除了分子扩散率和恒定的均匀平均流，我们考虑到（不可压缩的，高斯的，固定的，均匀的，各向同性的）湍流波动打破奇偶不变性的可能性。关于三角洲相关流的经典湍流驱动扩散率放大，我们发现，即使与此类效应相结合，短时间相关性的存在也会导致扩散率减弱，但有两个主要例外。值得注意的是，扩散率是-微扰-扩大，不仅由螺旋贡献本身，但也由分子扩散和平均流量之间的干扰。
2016-06-15 nlin.CD physics.flu-dyn
A POD-Galerkin reduced order model of a turbulent convective buoyant flow of sodium over a backward-facing step
本文将一种用于稳态雷诺平均Navier-Stokes（RANS）数值模拟的基于体积法的POD-Galerkin降阶方法推广到低普朗特数流动。降阶模型是基于全阶模型，其特征在于通过改变Richardson数的浮力对流动和传热的影响。雷诺应力的计算采用线性涡粘性模型。一个单一的梯度扩散假设，连同当地的相关性的湍流普朗特数的评估，被用来模拟湍流热通量。在降阶模型中考虑了涡粘性和湍流热扩散率场的贡献，并采用了基于插值的数据驱动方法。降阶模型进行了测试浮力辅助湍流液钠流在一个垂直的面向后的步骤与均匀的热通量施加在壁下游的步骤。在全阶模型和降阶模型中，壁面热流都采用了Neumann边界条件。在相同和新的Richardson数的参数值范围内，用降阶模型预测的速度和温度分布与RANS模拟吻合得很好。此外，局部斯坦顿数和表面摩擦分布在加热壁定性地很好地捕捉。最后，在单个核上执行的降阶仿真比在八个核上执行的RANS仿真快大约$10^5$倍。
2020-08-03 physics.flu-dyn
Scaling of the Hosking integral in decaying magnetically-dominated turbulence
Hosking和Schekochihin（2021，PRX 11，041005）的Saffman螺旋度不变量，我们在这里称之为Hosking积分，已经成为一个重要的量，可能会支配磁主导的非螺旋湍流的衰减特性。使用一系列不同的计算方法，我们确认，这个量确实是规范不变的，几乎完全保守的限制大伦德奎斯特数。对于普通的粘性和磁扩散率运营商的直接数值模拟，我们发现，解决方案的发展几乎自相似的方式。在图中量化的瞬时衰减系数的磁能和积分规模，我们发现，该解决方案的发展沿着一条线，这确实是暗示的霍斯金积分的支配作用。该解决方案在该图中的一条线附近，这是预期的磁能谱的自相似演化。当磁扩散率随时间降低时，溶液将停留在一个稍微不同的位置，这与由重联时间尺度而不是阿尔文时间控制的衰变是相容的。
2022-09-26 astro-ph.CO physics.flu-dyn physics.plasm-ph
The Diffusion Approximation in Turbulent Two-Particle Dispersion
我们解决了流体粒子对统计的逆问题：我们表明，时间序列的概率密度函数（PDF）的分离可以精确地再现通过求解扩散方程与适当的时间依赖性扩散。扩散率张量由条件拉格朗日速度结构函数的时间积分给出，由PDF的比率加权。流体动力学湍流的物理假设（扫描，短记忆，平均场）产生更简单的积分公式，包括一个Kraichnan和Lundgren。我们评估后者使用时空数据库从数值Navier-Stokes解驱动湍流。这种扩散理论再现PDF的以及在均方根分离，但增长率的均方色散是高估由于忽略了记忆效应。更一般的应用，我们的方法勾勒。
2013-06-27 physics.flu-dyn
Large-scale dynamo action of magnetized Taylor-Couette flows
具有准开普勒旋转定律的含有环形磁场的导电Taylor-Couette流作为Tayler-Spruit型的平均场发电机模型。流动对非轴对称扰动是不稳定的，这些扰动形成定义$α$效应和涡流扩散率的电动势。如果用相同的功率激发具有$m=\pm 1$的两个简并模式，则全局$α$效应消失，发电机不能工作。然而，它示出，泰勒不稳定性产生有限的$α$效果，如果只考虑一个孤立的模式，但这种固有的螺旋度的单模是太低的$α^2$发电机。此外，具有准开普勒旋转的$α\Om$发电机模型需要${\rm Rm}\simeq 2.000$的最小磁旋转雷诺数才能工作。它是否真的起作用取决于对湍流能量的假设。然而，对于磁场上的湍流强度的陡于二次依赖性，发电机仅在所得到的磁涡流扩散率接近其微观值$η_{\rm T}\simeq η$时才被激发。通过基本上较低或较大的涡流扩散系数，发电机不稳定性被抑制。
2020-02-02 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Energy partition in magnetohydrodynamic turbulence
本文通过分析 MHD 湍流能量方程，给出动能与磁能分配关系，指出其由最大涡旋的磁长度尺度和速度长度尺度之比决定。
2025-06-07 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Suppression of the large-scale Lorentz force by turbulence
的总应力张量（雷诺应力加麦克斯韦应力）的分量内计算的准线性近似的驱动湍流的影响下，一个大规模的磁背景场。导电流体具有任意的磁普兰特数，假设没有背景场的湍流是均匀的、各向同性的，具有自由的斯特劳哈尔数St。总的大规模磁张力总是被湍流减小，并且有可能发生“灾难性的猝灭”对于大的磁雷诺数Rm，甚至其符号也是相反的。短相关时间的湍流（“白噪声”）增强了总磁压，但长相关时间的湍流降低了总磁压。在这种情况下，总压的符号也可能相反，但只有在St> 1的足够大的特殊双折射情况下。强磁场抑制了应力张量的双折射项。对于张力项，这种猝灭随着磁场的哈特曼数的平方而增长。对于微观（即小）扩散率值的磁张力项变得如此高度淬火，即使场振幅远小于其均分值。在相反的情况下，大涡模拟的磁淬灭只是温和的，但也是磁感应麦克斯韦张量分量弱场保持相当小。
2012-01-03 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Eelectrokinetic turbulence and chaos in ionic migration and in microfluidic convection
采用分布混沌方法和有效扩散系数概念研究了恒定低频外电场作用下离子迁移和微流体电流体动力对流（混合）中的湍流现象。相应的实验室实验结果也被用于这一目的。结果表明，在恒定低频外电场作用下，对于迁移和对流（混合），湍流功率谱呈指数型展宽$E(k) \propto \exp-(k/k_β)^{2/3}$。在微流体对流的情况下，分布混沌被调谐到由低频振荡外电场产生的大尺度相干结构（$k_β$与强迫频率成正比）。
2019-04-30 physics.flu-dyn
Turbulent transport by diffusive stratified shear flows: from local to global models. Part I: Numerical simulations of a stratified plane Couette flow
正如Zahn（1974）所讨论的那样，剪切诱导的湍流在恒星辐射区的动量和化学物质的混合中起着重要的作用。在本文中，我们分析的分层平面Couette流的直接数值模拟的结果，在快速的热扩散的限制，测量的湍流扩散率和湍流粘度的函数的局部剪切和局部分层。我们发现，Zahn（1974）提出的稳定性判据，即梯度Richardson数和Prandtl数的乘积必须小于不稳定性的临界值$(J\Pr)_c$，充分地解释了流动中向湍流的转变，其中有$(J\Pr)_c \simeq 0.007$。该结果恢复并证实了Prat et al.（2016）的先前发现。湍流扩散率和粘性的Zahn模型（Zahn 1992），即混合系数应与热扩散率与梯度Richardson数之比成比例，当按原样应用时，不能令人满意地匹配我们的数值数据。它失败（如预期）在大分层的限制，其中理查森数超过上述阈值的不稳定性，但它也失败的限制，低分层的湍流涡尺度成为有限的计算域的大小。我们提出了一个修正的扩散分层剪切不稳定性的湍流混合模型，现在正确地解释了这两个限制，符合我们的数据令人满意，并恢复Zahn的1992年模型在大雷诺数的限制。
2016-10-14 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Kinetic Theory of Turbulence Modeling: Smallness Parameter, Scaling and Microscopic Derivation of Smagorinsky Model
一个平均场的方法（过滤出亚网格尺度）应用到玻尔兹曼方程，以推导出一个亚网格湍流模型的基础上的动力学理论。它表明，唯一的Smagorinsky型模型的粘度时间尺度上的流体动力学极限的生存是所谓的张量扩散模型。建立了过滤器宽度与雷诺数和努森数的比例关系。这为从动力学理论推导湍流模型迈出了严格的第一步。
2004-02-06 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Subcritical transition to turbulence triggered by a magnetic dynamo
本文提出恒星辐射区中由非线性平均场发电机维持的小尺度湍流可被理解为线性稳定流动中的亚临界分岔，并给出一个简单非线性模型来描述大尺度发电机与小尺度磁不稳定性竞争驱动的天体物理湍流转捩。
2023-11-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Cascades and dissipation ratio in rotating MHD turbulence at low magnetic Prandtl number
提出了旋转和外加磁场共同作用下各向同性磁流体动力学湍流的现象。假设三重相关衰减时间在涡旋翻转时间和与旋转频率和Alfvén波周期相关联的时间之间是最短的。对于$Pm=1$，它导致了四种分段谱，这取决于四个参数，能量注入率，磁扩散率，旋转速率和外加磁场。本文采用磁流体湍流的壳模型（包括旋转和外加磁场），给出了$Pm \le 1$的谱，以及磁耗散和粘性耗散的比值。
2010-10-15 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Transition from weak to strong turbulence in magnetized plasmas
在描述离子温度梯度不稳定性激发的磁化等离子体中静电湍流的简化（$4$ D）动力学系统的框架内，研究了湍流热通量相对于静电势的标度。数值模拟由通用重整化湍流模型如静电湍流的$2$ D流体模型[Y.~ Z.~ Zhang和S.~ M.~ Mahajan，Phys.~流体B 5（7），第~页2000（1993）]。一个基本的，也许是普遍的结果，这种理论模拟组合是存在两个不同的渐近状态（可分为弱湍流（WT）和强湍流（ST）状态）的证明，其中湍流扩散率$Q$标度与静电能$\|ϕ\|^2$测量的湍流强度完全不同。在WT $Q \propto \|ϕ\|^2$的情况下，而在ST $Q$具有较弱的静电能的依赖性和规模为$\|ϕ\|$。
2018-11-20 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Turbophoresis in forced inhomogeneous turbulence
我们表明，通过直接的数值模拟，重惯性粒子（其特征在于斯托克斯数$\St$）在非均匀强迫统计平稳等温湍流集群的均方湍流速度的最小值。两个湍流输送过程，湍流泳动和湍流扩散共同决定了颗粒的空间分布。如果假设湍流扩散率与湍流均方根速度成比例，就像均匀湍流的情况一样，则可以计算湍流系数。实际上，对于上述假设，对于小$St$，湍流系数和均方根速度的无量纲乘积随$St$增加，对于$St\approx 10$达到最大值，对于大$St$，随$\sim St^{-0.33}$减少。
2016-10-17 physics.flu-dyn
Finite Scale Lyapunov Analysis of Temperature Fluctuations in Homogeneous Isotropic Turbulence
通过对两流体粒子间相对运动的有限尺度李雅普诺夫分析，研究了不可压均匀各向同性湍流中的温度脉动。分析提供了一个解释的机制的热能级联，导致关闭的Corrsin方程，并描述了统计的纵向温度导数通过李雅普诺夫理论的局部变形和热能方程。结果表明，在自相似条件下，温度谱具有$κ^n$标度律，其中$n \approx{-5/3}$、${-1}$和${-17/3} ÷-11/3$与流态有关.这些结果与Obukhov-Corrsin和Batchelor的理论论点以及文献中的数值模拟和实验结果一致。纵向温度导数的PDF被发现是一个非高斯分布函数与零偏，其不稳定性的泰勒尺度Péclet数上升。这项研究也适用于任何被动标量表现出扩散。
2014-03-19 physics.class-ph physics.flu-dyn
Turbulent transport and dynamo in sheared MHD turbulence with a non-uniform magnetic field
本文研究了大尺度速度和非均匀磁场共同作用下的三维磁流体动力学湍流。通过假设湍流由螺旋和非螺旋谱的外力驱动，我们研究了这两个剪切对湍流强度和湍流输运的综合影响，湍流扩散系数（湍流粘度，$α$和$β$效应）与雷诺数相似。结果表明，在弱和强磁场的限制下，湍流粘性和扩散系数分别对强剪切和强磁场发生猝灭。对于弱的流动剪切，我们进一步表明，磁剪切增加的湍流强度，同时降低湍流输送。在存在强流动剪切的情况下，发现磁剪切的效果通过增强湍流和运输来对抗流动剪切的效果（其由于剪切稳定而减少湍流），从而通过流动剪切稳定来减弱强猝灭。在强磁场的情况下（与流动剪切相比），磁剪切增加湍流强度并淬灭湍流传输。
2009-07-07 physics.flu-dyn
Heat transfer in drop-laden turbulence
本文通过DNS与相场方法耦合，研究含可变形液滴湍流中的热传递，发现增大普朗特数会减缓传热，并揭示液滴平均温度随时间演化经t/Pr^2/3重标定后具有自相似普适行为。
2023-09-25 physics.flu-dyn
Multiple-resolution scheme in finite-volume code for active or passive scalar turbulence
在标量湍流中，有时候标量扩散系数小于粘性扩散系数。水中的热驱动湍流对流就是一个典型的例子。在这种情况下，问题中的最小标度是巴彻勒标度$l_b$，而不是柯尔莫哥洛夫标度$l_k$，如$l_b = l_k/Sc^{1/2}$，其中Sc是施密特数（或温度情况下的普朗特数）。在对这种标量湍流的数值研究中，传统的方法是对速度场和标量场采用单一网格。由于$l_b<l_k$对$Sc>1$的分辨率要求比速度场高，因此这种单分辨率格式往往过分辨速度场。在本文中，我们提出了一种算法，实现了所谓的多分辨率方法与有限体积的代码。在该格式中，速度场和压力场在粗网格中求解，而标量场在密网格中求解。其核心思想是在有限体积框架下实现插值格式，从粗网格到密网格重建无发散速度。我们证明了我们的方法使用一个典型的模型系统的流体湍流，瑞利-贝纳德对流。我们表明，与定制的网格设计，可以实现相当大的加速模拟标量湍流，特别是对于大施密特（普朗特）数。同时，该多分辨率格式可以保证标量场和速度场的足够精度。虽然我们的算法是用一个主动标量的情况下，它可以很容易地应用到被动标量湍流。
2018-05-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
The Batchelor spectrum of passive scalar turbulence in stochastic fluid mechanics at fixed Reynolds number
在1959年，巴彻勒预测，在具有小扩散率$κ$的流体中平流的被动标量的定态统计应该沿着包含在流体模型的粘性对流范围内的惯性范围显示$|k|^{-1}$功率谱。这种预测已经过广泛的实验和数值测试，是被动标量湍流的核心预测。在这篇文章中，我们提供了一个严格的证明的一个版本的巴彻勒的预测在$κ\to 0$极限时，标量受到一个空间光滑，白色的时间随机源和平流的二维斯托克斯方程或三维超粘性斯托克斯方程在$\mathbb{T}^d$迫使充分经常，非退化随机强迫。虽然我们的结果适用于任意雷诺数的流体，但该值始终是固定的。我们的结果依赖于我们最近的工作中建立的拉格朗日混沌和被动标量混合的定量理解。此外，在$κ\to 0$限制，我们获得统计平稳，弱解$H^{-ε}$的随机强迫平流问题没有扩散。这些解决方案几乎肯定不是局部可积的分布与非零的平均异常流量，并满足Batchelor谱在所有足够小的尺度。我们还证明了一个Onsager型临界性结果，这表明没有这样的耗散，弱解的规则性多一点可以存在。
2020-12-23 math.AP math.DS math.PR
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
Observation of a Turbulence-Induced Large Scale Magnetic Field
将轴对称磁场施加于液态钠的球形湍流。的感应磁偶极矩的测量不能产生的轴对称平均流与所施加的场的相互作用，表明存在的湍流电动势。结果表明，对于任何轴对称层流，诱导偶极矩应为零。还观察到从所施加的极向磁场产生环形磁场（Ω效应）。其潜在的作用在生产的诱导偶极子进行了讨论。
2005-12-05 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Turbulent Prandtl number from isotropically forced turbulence
湍流运动增强了大尺度流动的扩散和温度梯度。这种扩散通常由湍流粘性系数（$ν_{\rm t}$）和湍流热扩散系数（$χ_{\rm t}$）来参数化，这与它们的微观对应物类似。我们通过在湍流上施加大尺度的速度和温度梯度并测量系统的响应来计算湍流扩散系数。我们还证实了我们的结果，使用实验中施加的梯度被允许衰减。为了实现这一点，我们使用弱可压缩的三维流体动力学模拟各向同性强迫均匀湍流。我们发现，湍流粘性和热扩散，以及它们的比例的湍流普朗特数，${\rm Pr}_{\rm t} = ν_{\rm t}/χ_{\rm t}$，接近渐近值在足够高的雷诺数和Peclét数。我们也没有发现${\rm Pr}_{\rm t}$对微观普朗特数${\rm Pr} = ν/χ$的显著依赖性。这些发现与$k-ε$模型的结果形成鲜明对比，该模型表明${\rm Pr}_{\rm t}$随着${\rm Pr}$的降低而单调增加。目前的结果是相关的正在进行的辩论，例如，在非常低的${\rm Pr}$制度的恒星对流区的湍流的性质。
2022-07-21 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetic Prandtl number dependence of kinetic to magnetic dissipation ratio
利用直接数值模拟三维磁流体湍流，无论是螺旋或非螺旋强迫，我们表明，运动的能量耗散的比例总是增加与磁普朗特数，即，运动粘度与磁扩散率之比。这种依赖关系总是可以近似为幂律，但指数在所有情况下都不相同。对于非螺旋湍流，指数约为1/3，而对于螺旋湍流，指数在0.6和2/3之间。在统计稳定状态下，发电机将动能转化为磁能的速率必须等于焦耳耗散速率。我们强调，无论是小规模和大规模的发电机，能量转换的效率敏感地依赖于磁普朗特数，从而对微物理耗散过程。为了理解这种行为，我们还研究了湍流的壳模型和一维被动和主动标量模型。我们的结论是，磁普朗特数的依赖性是定性最好的再现在一维模型中的耗散通过本地化阿尔芬扭结的结果。
2014-07-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Almost-sure enhanced dissipation and uniform-in-diffusivity exponential mixing for advection-diffusion by stochastic Navier-Stokes
本文研究了具有扩散系数的对流扩散方程$0 < κ\ll 1$和$\mathbb T^d$，$d=\{2,3\}$上一类随机速度场的平流的混合与耗散性质，包括在充分正则的空间非退化时间白噪声作用下二维Navier-Stokes方程的解.证明了该解在扩散系数$κ$中几乎必然指数快速均匀混合.也就是说，存在确定性的指数速率（独立于$κ$），使得所有均值为零的$H^1$初始数据以概率1以该速率在$H^{-1}$中指数地快速衰减。这意味着几乎必然在$L^2$中增强耗散。具体地说，在时间$t \gtrsim |\log κ|$之后，$L^2$中存在确定性的、在$κ$中均匀的指数衰减。无论是$O(|\log κ|)$时间尺度和均匀的$κ$指数混合是最佳的Lipschitz速度场，据我们所知，是第一个严格的例子，速度场满足这些属性（确定性或随机性）。这项工作也是一个重要的一步，在我们的计划标量混合和拉格朗日混沌必要的被动标量湍流的Batchelor功率谱的严格证明。
2019-11-05 math.AP math.DS math.PR
Correlation times of velocity and kinetic helicity fluctuations in nonhelical hydrodynamic turbulence
本文通过弱可压缩非螺旋湍流的直接数值模拟，比较旋转、剪切、开普勒流动及剪切burgulence中速度与螺旋度涨落的相关时间，评估非相干α效应驱动发电机的可行性。
2024-09-09 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Influence of an external magnetic field on forced turbulence in a swirling flow of liquid metal
本文报道了封闭容器中外加磁场对液态镓受迫三维湍流的影响。我们观察到一个指数阻尼的湍流速度波动的相互作用参数N的函数（在纳维-斯托克斯方程惯性项的洛伦兹力的比率）。流动结构发展出一些各向异性，但不会变成二维的。从动力学的观点来看，阻尼首先均匀地发生在整个频谱上。对于较大的N值，在最高频率处出现非常强的附加阻尼。然而，注入的机械功率保持独立于所施加的磁场。感应磁场和电势差的同时测量表明，磁场和速度波动之间的相关性很弱。所观察到的减少的波动是在协议与先前提出的机制为饱和的湍流发电机和冯卡门钠发电机磁场的数量级。
2009-08-26 physics.flu-dyn
A Lagrangian fluctuation-dissipation relation for scalar turbulence, I. Flows with no bounding walls
标量耗散之间的精确关系推导出由于分子扩散和随机拉格朗日轨迹的流动无边界壁的随机性。这种“拉格朗日波动耗散关系”将被动或主动标量的标量耗散等同于与初始标量值和内部标量源相关联的标量输入的方差，因为这些标量输入由随机拉格朗日轨迹在时间上向后采样。作为一个重要的应用，我们重新考虑了“拉格朗日自发随机性”或持久的非确定性的拉格朗日粒子轨迹在消失的粘度和扩散极限的现象。先前对Kraichnan（1968）湍流标量平流模型的研究表明，在该模型中，反常标量耗散与拉格朗日自发随机性有关。然而，对于由实际湍流平流输送标量的这种机制的有效性，一直存在争议。我们在这里完全解决这个争议，利用涨落耗散关系。无论是被动或主动标量平流的任何发散自由的速度场，包括不可压缩的纳维-斯托克斯方程的解决方案，并远离墙壁，我们证明了反常标量耗散需要拉格朗日自发随机性。对于被动标量，我们进一步证明，自发随机性产生异常耗散适当的初始标量分布，使这两种现象是完全等价的。这些点都说明了从数据库中的均匀，各向同性湍流，这两个额外的支持结果和物理洞察随机拉格朗日粒子轨迹的扩散效应的表示的数值结果。
2017-07-13 math-ph math.MP math.PR
Small-scale isotropy and ramp-cliff structures in scalar turbulence
三维Navier-Stokes湍流平流的被动标量在奇阶矩中表现出基本的反常，这是由于其特征性的斜坡-悬崖结构，违反了小尺度各向同性。我们使用直接数值模拟的数据，网格分辨率高达$8192^3$在高Péclet数来理解这种异常的标量扩散，$D$，减少，或施密特数，$Sc = ν/D$，增加;这里$ν$是流体的运动粘度。微尺度雷诺数从140到650变化，$Sc$从1到512变化。斜坡悬崖结构的一个简单的模型示出的标量导数统计特性非常好。它准确地捕捉到小尺度各向同性如何在大$Sc$极限中恢复，并且另外建议对巴彻勒长度尺度作为标量场中的相关最小尺度进行轻微校正。
2021-11-18 physics.flu-dyn
On the physical origin of enhanced turbulent-dispersion of inertial particles in boundary layer flows
关于湍流边界层流的惯性颗粒输运的最神秘的科学问题之一是湍流施密特数的值，即颗粒扩散率与湍流涡动粘性的比值。通过对湍流颗粒通量剖面的直接声学测量和两相流湍流分辨数值模拟，证明了用现有文献模型预测时，颗粒的湍流弥散是减小而不是增强的。解释在于在静水中的沉降速度的误导性假设，以估计湍流颗粒扩散率，而直接测量和模拟的湍流颗粒通量支持发生的沉降延迟。
2021-12-11 physics.flu-dyn
MHD Turbulence in spin-down flows of liquid metals
强烈的自旋下降流允许人们在相对较小的实验室设置中使用中等质量的液态金属达到高Rm。环形通道中的下旋流是用于研究非定常流中发电机效应的第一种流态。在本文中，我们估计的效果，小规模的发电机在液态金属自旋下降流实现在实验室实验。我们的模拟证实了这样一个结论，即在镓实验中观察到的发电机效应很弱--只有在通道的最高可用旋转速度下才会出现小规模磁能的轻微爆发。在钠流中，感应效应相当强--钠自旋下降流的动能的一个重要部分被转换成磁能并由于焦耳热损失而耗散。我们已经扩展了我们的模拟超出了现有的实验室设施的能力，并检查了通道旋转速度ω>> 50 rps的自旋下降流。已经发现，$Ω\approx 100$ rps足以在最低波数（最大尺度）处达到磁和动力学谱功率密度的均分，而在ω>= 200 rps处，磁场的强度变得与速度场波动的强度相当。我们还研究了在下旋流动中，Pm对小尺度发电机效率的影响。在实验的自旋下降流中，小尺度发电机保持在准运动状态，并且磁能主要以相同的尺度耗散，其中它从动能转换。当Pm>10^{-4}时，真正的小型发电机开始运转，磁能谱出现惯性区。因此，能量耗散推迟到更晚的时间和更小的尺度，和湍流能量（动能和磁）的峰值略有增加与Pm。
2017-09-25 physics.flu-dyn
Large-Eddy Simulation closures of passive scalar turbulence: a systematic approach
在被动标量输运的背景下，小尺度（“亚网格”）湍流的参数化的问题。我们专注于Kraichnan平流模型本身的封闭问题的分析调查。系统地导出了描述粗粒标量场演化的动力学方程。在$l/r$的最低阶近似下，$l$是定义粗粒标量场的滤波器的特征尺度，$r$是惯性距离分离，我们恢复了小尺度的经典涡扩散率参数化。在下一个领导秩序的动力学封闭。后者优于经典模型，因此是一般湍流中标量输运的亚网格模型的自然候选者。
2003-09-10 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
The Effects of Radially Varying Diffusivities on Stellar Convection Zone Dynamics
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Southwest Research Institute（西南研究所）
研究径向变化的扩散系数对恒星对流层动力学的影响，发现动能尺度与自由落体一致，但对流热传输受扩散系数功能形式影响。
2026-01-21 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Cross-helicity effects and turbulent transport in magnetohydrodynamic flow
在大尺度涡运动和/或磁场应变的存在下，湍流交叉螺旋度（波动中的速度-磁场相关性）可能有助于湍流电动势和雷诺应力。交叉螺旋度的这些影响被认为是平衡的主要影响的湍流，如湍流的磁扩散率在磁场的演变和涡流粘度的动量输运。交叉螺旋度效应可能抑制湍流引起的输运增强。物理解释的影响，特别强调交叉螺旋效应和通常的$α$或螺旋效应的发电机行动之间的差异。交叉螺旋度效应在发电机行动的相对重要性进行了验证的援助下的直接数值模拟（DNS）的Kolmogorov流与强加的磁场。还讨论了几种机制，提供湍流的交叉螺旋度。
2011-07-06 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Isolating effects of large and small scale turbulence on thermodiffusively unstable premixed hydrogen flames
本研究通过直接数值模拟探究湍流对稀燃预混氢气火焰的影响，揭示了不同Karlovitz数与积分长度尺度下火焰速度、面积的变化规律及差异扩散效应的作用机制。
2023-11-29 physics.flu-dyn
Modelling stellar convective transport with plumes: I. Non-equilibrium turbulence effect in double-averaging formulation
对流中的羽流被认为与对流中的湍流输送有关。本文采用时空双平均方法研究对流湍流中的有效质量、动量和热量输运，将场量分解为时空平均场、色散或相干涨落和随机或非相干涨落三部分。在这个框架下，湍流关联的平均场方程被分为色散/相干和随机/非相干的关联部分。本文将羽流视为相干脉动，借助于非平衡效应，建立了对流湍流的输运模型，在湍流输运系数的模拟中考虑了湍流特性沿平均流的变化。在这项工作中，第一次，沿羽流运动的湍流特性的变化被纳入湍流输运系数的表达式。这个非平衡模型适用于恒星对流。表面冷却驱动的对流的一个显着特征是表层以下增强的和局部的湍流质量通量，这根本无法通过通常的涡流扩散率模型和混合长度理论（MLT）来重现，但可以很好地重现本模型。我们的研究结果表明，将羽流运动纳入湍流输送模型是一个重要的和非常相关的平均场论的扩展超出了启发式梯度输送模型与MLT。
2022-04-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
A multiple--resolution strategy for Direct Numerical Simulation of scalar turbulence
本文提出了一种模拟低扩散系数标量湍流的数值方法。该方法包括使用网格的平流标量具有较高的空间分辨率比的动量。后者通常需要一个不太精细的网格和整合两个领域在一个单一的网格定制的最苛刻的变量，产生不必要的计算开销。在时间积分中还使用了多分辨率方法，以保持标量在更细网格上的稳定性。该方法是更有利的标量是相对于动量的扩散越少，因此它特别适合于大普朗特或施密特数流。然而，即使在扩散率相等的情况下，本程序也节省了CPU时间和内存占用。原因是标量方程中缺少压力项导致标量场中的梯度比速度场陡得多。
2015-02-06 physics.comp-ph physics.flu-dyn
On the effects of turbulence on a screw dynamo
在俄罗斯彼尔姆连续介质力学研究所的一项实验中，一个非静止螺旋发电机是用环形空间中的螺旋液钠流来实现的。流动必然是湍流，也就是说，可以认为是平均流和叠加湍流。本文在平均场电动力学的框架内研究了湍流的诱导过程。它们当然意味着导致平均磁场的增强耗散的部分。由于螺旋平均流，在湍流中也存在螺旋结构。它们导致了某种$α$效应，这可能基本上支持了螺旋发电机。这种$α$效应的特殊性解释了在为发电机实验设想的较小版本的设备上进行的测量。湍流的螺旋结构还导致其他效应，这些效应与旋转剪切相结合可能能够产生发电机作用。它们的一部分基本上可以支撑螺旋发电机。在实验条件下，与主流相比，湍流的所有诱导效应都相当弱。平均场感应方程的数值解表明，所有的感应效应的湍流一起让螺旋发电机阈值略有上升，最多百分之一。数值结果也给出了一些见解的行动的个别诱导效应的湍流。
2006-03-10 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Energetics and mixing efficiency of lock-exchange gravity currents using simultaneous velocity and density fields
在雷诺数$Re= \frac{U_Fh}ν =$ 485-12270范围内，对船闸交换设施中的能量守恒重力流进行了一系列实验室试验。速度场和密度场是使用PIV-PLIF系统同时捕获的。采用移动平均法计算的平均场和主机的湍流统计，即，湍流动能（$K$），剪切生产（$P$），浮力通量（$B$），和能量耗散（$ε$）在当前的滑塌阶段。随后的调查结果被用来确定混合效率，$Ri_{f}$，Ozmidov长度尺度（$L_O$），柯尔莫哥洛夫长度尺度（$L_κ$），和涡流扩散系数的动量（$κ_m$）和标量（$κ_ρ$）的定量值。在本研究中表征了两种不同形式的$Ri_{f}$，表示为$Ri_{f}^I=\frac{B}{P}$和$Ri_{f}^{II}=\frac{B}{B+ε}$。结果涵盖了整个扩散区（3 $<Re_b<$ 10）和部分中间区（10 $<Re_b<$ 50），其中$Re_b=\fracε{νN^2}$是浮力雷诺数，用于测量剪切分层流中的湍流水平。$P$，$B$和$ε$的值显示出显着的增加在周围流体和电流的界面处，由于剪切驱动的混合层的发展。根据湍流统计量和长度尺度的变化，可以推断湍流沿海流长度衰减。混合效率单调增加的扩散制度（$Re_{b}<$ 10），并发现有一个上限的$Ri_{f}^{I}\approx$ 0.15和$Ri_{f}^{II}\approx$ 0.2的中间制度。…
2020-04-13 physics.flu-dyn
The $Re$-number dependence of the longitudinal dispersion in a turbulent channel flow
在泰勒理论中，在长时间尺度上，湍流管流中的纵向弥散接近于具有恒定扩散率$K_L$的扩散行为，其取决于雷诺数$Re$的\emph{empirically}。我们表明，依赖于$Re$可以确定从湍流能谱。利用壁面湍流中摩擦因子与纵向弥散之间的密切联系，我们预测了二维湍流中不同湍流级联下$K_L(Re)$的不同渐近标度律。我们还探讨了数值计算的$K_L(Re)$依赖于光滑和粗糙壁面的湍流槽道流动使用格子玻尔兹曼方法。
2016-02-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Compressible turbulent mixing: Effects of Schmidt number
研究了Schmidt数对受迫可压缩湍流中被动标量输运的影响。在惯性对流范围内，标量谱遵循k^{-5/3}幂律。对于Sc >> 1，在粘性对流范围内出现k^{-1}幂律，而对于Sc << 1，在惯性扩散范围内发现k^{-17/3}幂律。速度-标量增量混合三阶结构函数的标度常数在Sc上增大，压缩性的影响使其小于经典的4/3值。在小振幅下，标量波动的PDF崩溃高斯分布，而在大振幅下，它衰减得比高斯更快。在大尺度下，标量增量的概率密度函数表现为标量涨落的概率密度函数，而在小尺度下，则表现为标量梯度的概率密度函数。由于分子扩散系数较低，当Sc >> 1时，标量场卷起并充分混合。然而，当Sc << 1时，标量场由于高分子扩散率而失去了小尺度结构，只保留了大尺度的云状结构。在Sc >> 1和Sc << 1两种流动中，标量平流和耗散的谱密度都遵循k^{-5/3}标度。这表明，在可压缩湍流中，除标量-膨胀耦合外，对流和耗散过程都服从Kolmogorov图象。结果表明，在高波数时，Sc >> 1和Sc << 1流的谱相干性的幅度衰减得比不可压缩流的理论预测值k^{-2/3}快。最后，与不可压湍流结果的比较表明，Sc=1的可压缩湍流中标量在其谱中没有明显的凸点结构，但在耗散范围内更加断续。
2015-05-17 physics.flu-dyn
An asymptotic analysis for generation of unsteady surface waves on deep water by turbulence
对Sajjadi、Hunt和Drullion（2014）最近的论文进行了详细的数学研究。本文将他们所考虑的非定常增长单色波的数学发展推广到Stokes波。本论文还证明了与Belcher和Hunt（1993）的开创性工作的一致性，该工作在波相速度\c_i \downarrow 0的复数部分的极限下有效。进一步表明，当不含二次谐波时，Stokes波的能量传递参数和表面剪应力恢复为单色波。此外，本理论还可用于估算湍流剪切流吹过深水时传递给非线性表面波各分量的能量。最后，证明了在湍流涡动粘性存在的情况下，Miles（1957）临界层不起重要作用。因此，在零增长率的极限下，波浪增长的影响是由有限湍流扩散系数引起的临界层升高引起的，因此扰动流和阻力是由表面剪切层中的非对称和遮蔽流及其与上部区域的匹配相互作用决定的。
2017-04-07 physics.flu-dyn
