Inertial convection in rotating fluid spheres
本文通过微扰分析研究了旋转流体球中以惯性波形式出现的对流的起始。的瑞利数的方位波数的依赖性的显式表达式推导和新的结果的情况下，几乎绝热边界。
2009-04-10 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Meridional trapping and zonal propagation of inertial waves in a rotating fluid shell
惯性波在均匀的旋转流体中传播，构成了对更广泛的惯性重力波的挑战性和简化的案例研究，存在于所有地球物理和天体物理介质中，并负责能量昂贵的过程，如贯向和角动量混合。然而，一个完整的分析描述和理解内波在任意形状的封闭域，如海洋，或行星液核，仍然是失踪。在这项工作中，无粘，线性惯性波场的调查，通过三维射线跟踪球壳域，考虑到可能的海洋学应用。射线在这里被经典地解释为能量路径的代表。但与以前的研究相比，他们现在推出了一个非零的初始纬向分量，允许一个更现实的，本地化的强迫，和方位角不均匀性的发展。我们发现，双曲平面一般作为吸引子的射线轨迹的壳几何。此外，存在的轨迹，不受纬向捕获在这里观察到的第一次。它们的动力学没有被以前的纯双曲项研究所捕获，并揭示了一类新的可能的球壳惯性运动的解决方案。这两个观察到的行为揭示了一些新的光能量本地化的可能机制，一个关键的过程，仍然值得进一步研究，在我们的海洋，以及在其他分层，旋转介质。
2014-02-11 physics.flu-dyn
Transition between advection and inertial wave propagation in rotating turbulence
在受到强背景旋转的湍流中，湍流的平流机制被惯性波的传播所取代，因为旋转的影响变得占主导地位。虽然这一机制已在实验中得到证实，但这两种机制之间的过渡条件尚不清楚。我们解决这个问题的实验跟踪湍流前远离固体壁射流进入一个否则静止的流体。在没有背景旋转的情况下，该装置产生湍流锋，其位移恢复了经典的振荡网格获得的$z(t)\sim t^{1/2}$定律，并且我们进一步建立了相关传输机制的尺度独立性。当设备以垂直于流体注入的壁的恒定速度旋转时，不仅湍流前沿变得主要由惯性波传输，而且平流本身也由于这些波的传播引起的局部动量不足而被抑制。湍流锋位移的逐尺度分析表明，平流和传播之间的过渡在空间和光谱上都是局部的，并且发生在基于所考虑尺度的Rossby数为1时，或者等价地，当惯性波的尺度相关群速度与局部平流速度相匹配时。
2019-12-23 physics.flu-dyn
Onset of inertial magnetoconvection in rotating fluid spheres
本文用摄动法研究了在轴向恒定电流作用下，旋转流体球中磁惯性波形式的对流的发生。在高热扩散率的限制下，导出了瑞利数对方位波数的依赖关系的显式表达式。结果的情况下，热无限传导边界和近绝热边界的情况下，得到。
2020-12-15 physics.flu-dyn physics.geo-ph
The inertial wave activity during spin-down in a rapidly rotating penny shaped cylinder. Part I The quasi-geostrophic trigger
在先前的论文中，Oruba，Soward和Dormy（J.Fluid Mech.，vol.818，2017，pp.205-240）考虑了粘度为$ν$的恒定密度流体的主要准稳态地转（QG）运动，该运动在半径为$L$和高度为$H$的圆柱形容器中的线性自旋下降期间发生，围绕其对称轴快速旋转（角速度$Ω$），受到$L=H$情况下的混合刚性和无应力边界条件的影响。在这里，直接数值模拟（DNS）在大$L= 10 H$和埃克曼数$E=ν/H^2Ω=10^{-3}$揭示了结构化的惯性波活动的自旋下降的时间尺度。基于$E\ll 1$的分析研究建立在Greenspan和Howard（J.Fluid Mech.，vol.17，1963，pp.385-404）用于无限平面层$L\to\infty$。在距离对称轴大但有限的距离$r^†$处，导致QG自旋下降的回旋（QG-）流被侧向边界$r^†=L$阻挡，这为惯性波提供了QG触发。在无界层的真实情况是复杂的，进一步的最大频率（MF）的惯性波（瞬态埃克曼层的表现形式）的格林斯潘和霍华德确定的第二组的存在。它们在$r^†=L$的阻塞为我们在后续（第二部分）中考虑的更多惯性波提供了次级MF触发器。在这里，QG触发器，我们解决了一个线性初值问题的拉普拉斯变换方法。随后的复杂的惯性波结构解释近似我们的圆柱形几何在大半径的矩形笛卡尔几何，有效的$L-r^\star=O(H…
2019-05-01 physics.flu-dyn
Spectral imbalance in the inertial range dynamics of decaying rotating turbulence
对具有轻微背景旋转的均匀衰减湍流的直接数值模拟表明，小尺度非线性能量级联及其耗散之间存在系统的和显著的不平衡。通过从一个统计稳定和充分发展的旋转湍流状态开始衰减，其中耗散和能量通量近似相等，数据显示两者之间的不平衡越来越大，直到当耗散约为能量通量的两倍时达到最大值。衰变过程中行为的这种二分法让人想起以前报道的非旋转湍流的非平衡和平衡区域[P.C.瓦伦特，J.C. Vassilicos，Phys. Rev. Lett. { \bf 108} 214503（2012）]。然而，注意，对于衰减的旋转湍流，耗散率的经典标度$ε\propto u'^3/L$（其中$u'$和$L$分别是均方根脉动速度和积分长度标度）在衰减期间似乎不成立，这可能归因于背景旋转对能量级联的影响。另一方面，最大能量通量在衰减的初始阶段保持缩放$Π_{max} \propto u'^3/L$，直到达到最大不平衡。
2016-10-17 physics.flu-dyn
Experimental evidence of a triadic resonance of plane inertial waves in a rotating fluid
平面惯性波是利用造波机产生的，造波机由振荡的叠层板制成，在旋转的水槽中。使用粒子图像测速仪，我们观察到，经过一个瞬态，初级平面波是受亚谐不稳定性和激发两个次级平面波。这些二次波的测量频率和波矢量与三元共振机制的预测定量一致。发现次级波矢比初级波矢更系统地垂直于旋转轴：这一特征说明了旋转湍流中能量向缓慢、准二维运动转移的起源处的基本机制。
2011-12-17 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Inertial modes of a freely rotating ellipsoidal planet and their relation to nutations
本文计算了一个具有椭球无粘流体核和完全刚性地幔的自由旋转双层行星模型的惯性模。本文提出了一种方法，导出了适用于地核和地幔动力学扁率各阶的自由核章动（FCN）和钱德勒摆动（CW）频率的解析公式，我们展示了FCN和CW是如何直接概括纯流体自旋翻转模式（SO）和欧拉摆动（EW）的到地幔可以围绕稳定旋转状态自由振荡的情况。通过对轴对称（扁球）行星的数值计算，证明了稳定旋转流体核的所有其它惯性模态也是自由旋转双层行星的自由模态。
2020-06-05 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Evidence of the Zakharov-Kolmogorov spectrum in numerical simulations of inertial wave turbulence
旋转湍流通常被认为是由地转涡主导的，地转涡沿着旋转轴是不变的，并经历逆级联。然而，它最近被证明可以维持完全三维的状态，并具有降尺度的能量级联。在这封信中，我们调查的三维旋转湍流的统计特性的直接数值模拟的手段，在一个三重周期的盒子，地转涡是专门阻尼。由此产生的湍流是一种惯性波湍流，其验证了Galtier（Phys. Rev. E，68，2003）解析导出的Zakharov-Kolmogorov谱，从而提供了三维各向异性波的波湍流理论的相关性的数值证明。最后，我们表明，相同的强迫导致无论是地转或波湍流取决于初始条件。因此，我们的研究结果带来了进一步的证据，双稳定性旋转湍流。
2020-11-10 physics.flu-dyn
Quantification of the strength of inertial waves in a rotating turbulent flow
通过研究周期性盒子中三维数值模拟中各个傅立叶模式的波数、频率能量谱和时间关联函数，定量分析了旋转湍流中波的强度及其对能量级联的影响。从频谱中，我们发现，一个显着的部分的能量集中在波频率$ω\approx 0$的模式，即使当外部强迫注入没有能量直接进入这些模式。然而，对于惯性波的周期$τ_ω$快于翻转时间$τ_\textrm{NL}$的模式，剩余能量的显著部分集中在满足波的色散关系的模式中。没有证据表明，在模式与$τ_ω= τ_\textrm{NL}$的能量积累被观察到，不像什么临界平衡参数预测。从时间关联函数，我们发现，模式与$τ_ω< τ_\textrm{sw}$（与$τ_\textrm{sw}$的扫描时间）的主要去相关时间是波周期，这些模式也表现出较慢的调制的时间尺度$τ_\textrm{NL}$波湍流理论中假设的。其余的模式与扫描时间去相关，包括具有$ω\approx 0$的非常活跃的模式。
2014-02-28 physics.flu-dyn
Evanescent and inertial-like waves in rigidly-rotating odd viscous liquids
Northwestern University（西北大学）；Center for Computation and Theory of Soft Materials, Northwestern University（西北大学软物质计算与理论中心）
本文研究了刚体旋转奇黏性液体中非轴对称的振荡和衰减惯性波，揭示了三种波型的分类方法，并通过实验确定奇黏性系数。
2024-09-14 physics.flu-dyn
The cross-over from viscous to inertial lengthscales in rapidly-rotating convection
本研究通过数值模拟发现，快速旋转对流中黏性主导到惯性主导的过渡发生在惯性尺度约等于黏性尺度时，表明无磁场核心对流由惯性尺度主导。
2025-02-27 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Influence of the multipole order of the source on the decay of an inertial wave beam in a rotating fluid
本文从理论和实验上分析了旋转流体中谐波线源发出的二维惯性光束的远场粘性衰减。通过确定沿光束的相关守恒量，我们显示了光束的结构和衰减指数是如何由源的多极阶。两个造波机被认为是实验，一个脉动和一个振荡的圆柱体，旨在产生一个振荡和偶极子源，分别。区分这两种源的相关守恒量是沿波束的瞬时流量，其对于偶极子是非零的，而对于偶极子是零的。对于每个源的束流结构和衰减指数，使用粒子图像测速仪测量，是在良好的协议与预测。
2015-06-09 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Bridging Inertial and Dissipation Range Statistics in Rotating Turbulence
通过对螺旋壳模型的详细模拟和多重分形分析，我们研究了旋转湍流的惯性范围和耗散范围统计之间的联系。特别是，通过使用后者，我们找到了一个明确的关系（异常）标度指数的等时间结构函数在惯性范围内的广义尺寸与能量耗散率。这种理论预测验证了详细的模拟螺旋壳模型的各种强度的旋转从那里的统计耗散率，从而广义尺寸，以及惯性范围，特别是异常标度指数，提取。我们的工作还强调了一个令人惊讶的良好协议-如在空间结构的能量耗散率和惯性范围内的不稳定性随着旋转强度的增加而减少-之间的解决方案的纳维-斯托克斯方程在一个旋转的框架与那些从低维，动力系统，如壳模型，这不是明确的各向异性。最后，我们进行直接数值模拟的纳维-斯托克斯方程，与科里奥利力纳入，以确认我们的多重分形和壳模型研究的结论的鲁棒性。
2020-09-02 nlin.CD physics.flu-dyn
A framework for diagnosing inertial lift generation in wall-bounded flows: application to eccentric rotating cylinders in Newtonian and shear-thinning fluids
Graduate School of Engineering Science, The University of Osaka（大阪大学工学研究科）；RIKEN（理化学研究所）
本文提出一种框架，用于诊断壁界流中稳态惯性升力，通过分析牛顿和剪切变稀流体中偏心旋转圆柱体的流动结构，揭示升力反转的机制。
2026-03-31 physics.flu-dyn
Inertial drag-out problem : sheets and films on a rotating disc
所谓的Landau-Levich-Deryaguin问题处理由移动固体表面夹带的薄粘性液体膜的涂层流动动力学。在这种情况下，我们使用一个简单的实验装置组成的部分浸没在液体罐中的旋转盘，研究惯性的作用，也曲率，液体夹带。使用水和UCON $^{\mbox{TM}}$的混合物，我们指出了一个丰富的现象在存在强惯性：喷射多个液体片上出现的光盘，片碎片，韧带的形成和雾化的液体通量夹带在光盘的边缘。我们集中我们的研究在一个单一的液体片和相关的平均液体流量夹带在一个薄盘为不同的深度-半径比$h/R < 1$。我们表明，液体片是通过弹道机制创建的，因为液体是由旋转盘提升出池。然后，我们表明，在夹带液膜的流速控制的粘性和表面张力的力量，尽管在经典的Landau-Levich-Deryaguin问题的三维，非均匀和不稳定的性质的流动，也尽管膜厚度的流动雷诺数的大值。当弗劳德和韦伯数的特征变得显着，强惯性效应的影响，在大的半径-浸入深度比，即通过夹带由光盘的侧壁和通过从3D液体片本身提取的流量的贡献，分别在光盘上的夹带液体通量。
2020-10-13 physics.flu-dyn
A study of turbulence and interacting inertial modes in a differentially-rotating spherical shell experiment
本文研究了半径比为$η= 1/3$的差动旋转球壳（球库埃特流）实验中的惯性模。惯性模式是科里奥利恢复的线性波模式，通常出现在快速旋转的流体中。最近的实验工作表明，对于$Ω_{i}<Ω_{o}$，球库埃特流中存在惯性模，其中$Ω_i$和$Ω_o$分别是内外球的旋转速率。通过在两个固定的$Ω_{o}$上扫描来自$-2.5 < Ro = (Ω_{i}-Ω_{o})/Ω_{o} < 0$的Rossby数，我们发现了相似惯性模的存在.然而，这里描述的流动行为与以前的球形库埃特实验有很大不同。我们发现，占主导地位的惯性模式的动能显着增加，降低Rossby数，最终导致一个破波和增加的小尺度结构在临界Rossby数。在球形库埃特流中的这种转变以前没有描述过。临界Rossby数与Ekman数的比例为0 $E^{1/5}$。此外，增加小规模的功能以外的过渡转移到一个大规模增强的平均流动的切线圆柱体的能量。在这方面，我们讨论了主导惯性模式与地转Rossby模式激发次级模式，其频率匹配的三元共振条件之间的相互作用。
2017-07-05 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Inertial Focusing of Spherical Particles: The Effects of Rotational Motion
本研究利用耗散粒子动力学模拟揭示了旋转运动对微流控中球形粒子惯性聚焦的显著影响，发现旋转引起的横向升力不可忽略，并据此为微流控微粒与细胞分选提出了新设计方案。
2025-05-13 physics.flu-dyn
Direct measurement of energy transfer in strongly driven rotating turbulence
本研究通过向强驱动旋转湍流中短暂突增能量注入的方式，在实空间、频域、波数空间三个域测量能量传递规律，发现惯性波在该体系能量逆级联中起关键作用，相关结果有别于弱驱动湍流的已有结论。
2024-04-30 physics.flu-dyn
Confirming Wave Turbulence Predictions in Rotating Turbulence
Racah Institute of Physics, The Hebrew University（拉卡物理学研究所，希伯来大学）
研究通过实验证实了旋转湍流中波湍流理论的预测，展示了三维惯性波场与准二维湍流场的共存，并验证了能量谱对相关参数的依赖性。
2026-05-17 physics.flu-dyn
Inertial waves and modes excited by the libration of a rotating cube
我们报告实验测量的流动在一个立方体容器提交的纵向天平动，即旋转调制的时间。利用共转粒子图像测速系统测量了振动标架中垂直面和水平面内的速度场。当振动频率$σ_0$小于平均旋转速率$Ω_0$的两倍时，惯性波可以在流体内部传播。在任意的激励频率$σ_0<2Ω_0$下，振荡流表现出两种贡献：（i）由天平动运动引起的基本流，和（ii）从立方体的水平边缘倾斜向上和向下传播的惯性波束。除了这两个贡献之外，惯性模式也可以在一些特定的谐振频率下被激发。我们的特点，特别是共振的模式的最低阶兼容的对称性的强迫，注意到[2，1，+]。通过将测量的流场与数值计算的预期无粘惯性模式进行比较[L.R.M.马斯，流体动力学。Res. \textbf{33}，373（2003）]，我们表明，只有一个子集的惯性模式，匹配的对称性的强迫，可以激发的天平动。
2012-06-14 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Wave-driven geostrophic vortices in rotating turbulence
Landau Institute for Theoretical Physics, Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院朗道理论物理研究所）；HSE University（高等经济大学）
该研究通过旋转湍流直接数值模拟，揭示惯性波驱动地转涡旋的机制，发现地转模式能量占比随旋转速率非单调变化，快速旋转可抑制湍流二维化。
2026-10-14 physics.flu-dyn
Acoustic and inertial modes in planetary-like rotating ellipsoids
旋转的充满流体的椭球体的有界振荡可以提供物理洞察变形行星内部的流动动力学。由科里奥利力维持的惯性模式在快速旋转的流体中普遍存在，并且Vantieghem（2014，Proc. R. Soc. A，470，20140093，doi：10.1098/rspa.2014.0093）开创了一种在不可压缩流体椭圆体中计算它们的方法。然而，考虑到密度（和压力）的变化是需要精确的行星应用，这在很大程度上被忽略了椭球模型。为了超越不可压缩的理论，我们提出了一个在刚性无芯椭球的Galerkin方法，基于一个整体的多项式描述。我们应用该方法来研究完全可压缩，旋转和无扩散流体的正常模式。我们考虑一个理想化的模型，它公平地再现了地球的液体核心和类星体的气体行星的密度变化。我们成功地对标准的有限元计算结果进行基准测试。值得注意的是，我们发现，准地转惯性模式可以显着修改的压缩性，即使在中等可压缩的内部。最后，我们讨论了使用正常模式建立简化的动力学模型的行星流。
2021-08-31 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Taylor columns and inertial-like waves in a three-dimensional odd viscous liquid
本文研究了三维奇粘性液体中的类惯性波和泰勒柱现象，通过数值模拟和理论框架验证了波长的存在，并指出非旋转奇粘性液体可恢复刚性旋转液体的泰勒柱特征。
2023-06-27 physics.flu-dyn
Excitation of Inertial Modes in 3D Simulations of Rotating Convection in Planets and Stars
TAPIR, California Institute of Technology（加州理工学院）；Department of Earth and Planetary Sciences, The Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
本研究通过3D模拟揭示了旋转对流中惯性模的激发机制，发现其由差异旋转不稳定性驱动，而非随机对流力。
2026-01-05 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Heavy inertial particles in rotating turbulence : distribution of particles in flow and evolution of Lagrangian trajectories
本文研究旋转均匀湍流中重惯性粒子的分布与轨迹统计，通过速度梯度张量不变量联合分布、停留时间分布和速度自相关，揭示旋转速率与粒子重度共同决定粒子的空间与时间统计特性。
2023-04-14 physics.flu-dyn
Rotating Convection and Gravito-Inertial Wave Generation in Stellar Interiors
重力惯性波可以在对流区和辐射区的界面处以及对流区中的雷诺应力激发。因此，它们的能量通量的大小将随着对流的性质而变化。为了评估对流如何随旋转而变化，本文提出了一种简化的旋转对流局部单峰模型，该模型提供了均方根速度的大小、超绝热度和特征长度尺度作为对流Rossby数以及热扩散系数和粘性扩散系数的函数。在这种对流模型的背景下，两种模型用于评估重力惯性波通量被认为是：界面模型和充分处理的雷诺应力对波的影响。有人发现，有制度的亚惯性波可能携带一个显着的能量通量相对于纯重力波，取决于对流Rossby数，在稳定区域的浮力时间尺度的对流翻转时间的比率，和波的频率。
2019-02-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
A model of rotating convection in stellar and planetary interiors: II -- gravito-inertial wave generation
引力惯性波在对流区和辐射区的界面处以及在旋转恒星和行星的对流区的大部分中由雷诺应力激发。这种波在旋转恒星的频谱中具有显著的星震特征，特别是在快速旋转的早期型恒星中，这提供了探测其内部结构和动力学的手段。它们还可以将角动量、化学物质和能量从激发区域传输到它们在辐射区域中耗散的地方。为了估计这些波的振幅的激励和对流参数的依赖性，采用了一个单峰模型的恒星和行星对流，如在论文I中所述，它提供了作为旋转速率的函数的均方根对流速度的大小。与此对流模型，两个渠道的波驱动被认为是：激励在对流稳定和不稳定的区域之间的边界和激励由于湍流应力。参数制度的亚惯性波可能携带显着的能量通量，这取决于对流Rossby数，界面刚度，和波的频率。超惯性波也可以增强，但仅限于对流Rossby数接近1时。当激发界面激发波的流动的对流罗斯比数低于取决于界面刚度的临界罗斯比数时，界面激发波在较低截止频率附近具有峰值能量通量，而当对流罗斯比数大于临界罗斯比数时，该通量减小。这个临界罗斯比数。
2020-09-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Resonant tidal responses in rotating fluid bodies: global modes hidden beneath localized wave beams
在旋转恒星和行星中，对流包层中惯性波的激发为潮汐耗散提供了一个重要的通道，但由于惯性波的耗散率不稳定地依赖于潮汐频率。潮汐耗散在某些频率下显著增强，表明潮汐强迫与某些本征模之间可能存在共振。然而，由于惯性波本征值问题的奇异性，这些共振的性质仍然是个谜，在文献中，共振常常被错误地归因于波吸引子。在这封信中，我们揭示了共振潮汐响应对应于惯性模式与大规模的流动隐藏在本地化的波束。强耦合的潮汐强迫和隐藏的大规模流动加强了本地化的波束从临界纬度，导致增强潮汐耗散。这项研究解决了一个长期存在的难题，关于潮汐耗散的频率依赖性，由于惯性波在对流信封。
2021-09-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
The stability of propagating plane inertial waves in rotating fluids
Columbia University（哥伦比亚大学）；IRAP, Université de Toulouse, CNRS, UPS, CNES（图卢兹大学、法国国家科学研究中心、南法第一大学、法国国家空间研究中心）；University of Leeds（利兹大学）
研究旋转流体中传播平面惯性波的稳定性及非线性破裂机制，揭示其在湍流和能量传输中的作用。
2026-02-11 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Hydrodynamic torque on a steadily rotating slender cylinder
使用完全解决的模拟，我们调查所经历的扭矩由一个有限长的圆柱体旋转稳定垂直于其对称轴。纵横比$χ$，即圆柱体的长度与其直径的比率，在1至15之间变化。在蠕动流区，我们采用细长体理论推导出的扭矩的表达式高达4阶相对于小参数$1/\ln(2χ)$。数值结果与相应的预测$χ\gtrsim3$。我们引入了一个\textit{ad hoc}修改的理论预测，以适应与较短的气缸，和第二个修改帐户的扭矩增加有限的惯性效应。在强惯性区域，出现由两对反向旋转涡组成的显著尾流模式。尽管如此，流动仍保持稳定，并呈现两种不同的对称性，其中之一意味着两个气缸端部对扭矩的贡献是相同的。我们建立单独的经验公式的贡献的压力和粘性应力的扭矩所提供的侧表面和缸端。我们表明，在每一个贡献，占主导地位的标度律可以从简单的物理参数推断。这种方法最终导致在整个范围内的惯性制度和纵横比的模拟中考虑的旋转引起的扭矩有效的经验公式。
2021-03-24 physics.flu-dyn
Inertial waves in a differentially rotating spherical shell
本文研究了球壳中不可压缩流体的小振幅惯性波传播特性。对于圆柱形和扁壳形旋转剖面，在无粘极限下，惯性波服从一个二阶混合型偏微分方程。因此，存在两种惯性模式，这取决于特征传播的双曲域是否覆盖整个壳体。这两种惯性模式的发生进行检查，我们表明，惯性波可能传播的频率范围比固体旋转更广泛。使用高分辨率计算的基础上的频谱方法，我们表明，与固体旋转，奇异模式与薄剪切层以下的短周期吸引子仍然存在与差分旋转。它们甚至存在于一个完整的球体中。在粘性为零的极限下，剪切层的宽度似乎对整体背景剪切的依赖性很弱，表现出E^{1/3}与埃克曼数E的比例关系，就像在固体旋转的情况下一样。也存在以E^{1/2}作为Ekman边界层的宽度缩放的薄分离层模式。本文还考虑了壳内惯性波的共转共振行为。对于圆柱旋转，波在共转时被显著地吸收。相比之下，对于扁壳旋转，波可以穿过没有可见吸收的临界层，并且这种模式对于足够小的埃克曼数是不稳定的。
2012-12-01 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Experimental study of the non-linear saturation of the elliptical instability: inertial wave turbulence versus geostrophic turbulence
本文对旋转流体中惯性波参数共振驱动的湍流饱和进行了实验研究。在我们的装置中，一个半米宽的充满水的椭球体被带到固体旋转，然后经历持续的谐波调制其旋转速率。这触发了一对惯性波的指数增长，通过一种称为振动驱动椭圆不稳定性的机制。一旦达到这种不稳定性的饱和，我们观察到一个湍流状态的能量注入到共振惯性波。根据旋转速率调制的幅度，观察到两种不同的饱和状态。在大强迫振幅下，饱和流主要由稳定的地转反气旋组成。当强迫振幅减小时，它的振幅消失，而保持在椭圆不稳定性的阈值以上。在这种二次跃迁之下，饱和流是惯性波的叠加，惯性波处于弱非线性共振相互作用中，这种状态可能渐近地导致惯性波湍流。除了是不稳定旋转流中波主导饱和的第一次实验观察外，本研究也是Le Reun et al，PRL（2017）模型的实验确认，他介绍了这两种湍流状态的可能性。最后讨论了这两个制度之间的过渡及其与地球物理应用的相关性。
2021-01-25 physics.flu-dyn
Trapping and extreme clustering of finitely-dense inertial particles near a rotating vortex pair
针对旋转系统中惯性粒子的捕获问题，通过数值模拟研究旋转Lamb-Oseen涡旋对中粒子的行为，分析St和R的影响，发现极端聚集现象及BBH力的作用，其结果对星子形成等领域有意义。
2024-05-08 nlin.CD physics.flu-dyn
Scaling and energy transfer in rotating turbulence
采用高分辨率直接数值模拟方法，研究了固体旋转条件下准定常流体动力学湍流的惯性范围特性。对于强旋转的非线性能量级联表现出耗尽和显着的各向异性的能量通量进行主要垂直于旋转轴。这对应于向类似于线性泰勒-普劳德曼状态的准二维流的过渡。与沿旋转轴的不自相似缩放的能谱相反，垂直能谱显示具有$k^{-2}_\perp$行为的惯性范围。一种新的现象学为这些观察提供了理论依据。结构函数的标度指数$ζ_p$的顺序为$p=8$垂直于旋转轴测量表明随着旋转速率的增加而降低的不稳定性。所提出的现象学与推断的渐近非间歇性行为$ζ_p=p/2$是一致的。
2007-01-15 physics.flu-dyn
Nonlinear evolution of tidally forced inertial waves in rotating fluid bodies
我们执行的第一个研究潮汐激发的惯性波的非线性演化在均匀旋转的流体体，探索一个简化的模型的流体包络的行星（或太阳型恒星的对流包络）的引力潮汐扰动的轨道伴侣。我们的模型包含一个完全刚性的球形核心，这是由不可压缩的均匀密度流体的包络包围。相应的线性问题进行了研究，在以前的论文中，这项工作延伸到非线性制度，在中等埃克曼数（粘性的科里奥利加速度的比率）。通过进行高分辨率的数值模拟，使用伪谱和谱元素的方法相结合，我们调查的非线性，这导致时间依赖性的流量和相应的耗散率的影响。角动量的沉积是不均匀的，导致在最初均匀旋转的流体中产生显著的差动旋转，即物体不会像简单的固体旋转体那样朝着同步方向发展。这种差异旋转修改潮汐激发的惯性波的属性，改变了流的耗散特性，并最终变得不稳定的二次剪切不稳定，只要埃克曼数是足够小的。我们的主要结果是，包括非线性最终修改的流动和由此产生的耗散从线性计算将预测，这对流体中的潮汐耗散具有重要意义。最后，我们讨论了我们的简化模型的一些局限性，并提出了未来的研究，以更好地了解旋转行星和恒星的潮汐演化的途径。
2014-01-03 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Mean flow anisotropy without waves in rotating turbulence
我们解决的问题是如何在流动的各向异性受背景旋转有利于结构沿旋转轴拉长，特别是在湍流。一个新的，无波的机制，确定挑战目前的理解过程。在旋转轴附近传播的惯性波通常被认为是各向异性传输能量的最有效机制。它们已被证明可以将能量转移到大的各向异性柱状结构。然而，他们不能解释形成更简单的稳定各向异性现象，如泰勒柱。在这里，我们的实验表明，一个以上的机制，涉及科里奥利力可能会促进各向异性。特别是，在快速旋转的限制，即在低Rossby数，有利于旋转方向的平均湍流产生的各向异性，既不是因为惯性波，也不遵循相同的机制，在稳定的泰勒列，但从科里奥利力和平均平流之间的相互作用。
2020-02-27 physics.flu-dyn
Magnetic field induced by elliiptical instability in a rotating tidally distorded sphere
人们通常认为，地球或更普遍的其他行星的地球发电机是由熔融核心内的对流流体运动产生的。然而，这种热对流或成分对流的替代方案可以在这些行星最终的进动或其液体核心可能的潮汐扭曲所产生的惯性波共振中找到。本文将回顾我们的一些实验工作，致力于椭圆不稳定性和提出一些新的结果时，实验流体是液态金属。我们特别表明，施加的磁场是扭曲的自旋模式所产生的椭圆形不稳定性。在我们的实验中，磁场很弱（20高斯），洛伦兹力与惯性力相比可以忽略不计，因此磁场不会改变流体流动，并且通过磁场测量恢复了不稳定性的纯流体动力学增长率。
2005-11-28 physics.flu-dyn
Density-contrast induced inertial forces on particles in oscillatory flows
本文提出一种解析形式体系，推广Maxey--Riley方程以描述任意振荡流中密度失配球形颗粒的惯性力，并通过直接数值模拟证明其对细胞等近密度匹配物体的快速位移与分离具有重要作用。
2023-08-08 physics.flu-dyn
Triadic resonances driven by thermal convection in a rotating sphere
我们报告的第一次在旋转对流系统的三元共振。使用直接数值模拟，我们发现旋转球形流体中的对流模式可以激发一对惯性模式，其频率和波数与三阶共振条件相匹配。根据对流模式的结构，三元共振可以导致具有较低频率和波数的一对模式的增长，或者具有较高频率和波数的一对模式的增长，为双向能量级联提供了可能的机制。增加的热强迫导致充分发展的湍流，这也表现出波浪状运动，并让人想起惯性波湍流的能量谱。我们的研究结果表明，惯性波的相互作用在旋转对流中起着重要的作用，这对于理解行星和恒星内部的动力学是非常重要的。
2020-12-22 astro-ph.EP nlin.PS physics.ao-ph
Convection in Rotating Spherical Fluid Shells
本章首先描述了旋转对流的环形模型。然后介绍了球壳问题的基本方程，并讨论了球壳中柱状对流的发生。惯性模式对流的发病描述盛行在很低的普朗特数。有限振幅对流的性质概述了广泛的普朗特数。赤道附着对流被认为是从惯性模式对流演变而来的。
2009-06-05 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Tidal dissipation in stably stratified and semi-convective regions of rotating giant planets: incorporating Coriolis forces
本研究建立纳入科里奥利力的球形布西涅斯克模型，发现旋转巨行星的稳定分层流体核可显著增强惯性波与重惯性波的潮汐耗散，足以解释土星卫星迁移率，对系外巨行星潮汐演化也有重要意义。
2023-11-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Where we observe that helical turbulence prevails over inertial waves in forced rotating flows at high Reynolds and low Rossby numbers
本文研究了在雷诺数Re~1* 10 ^5和Rossby数Ro~3*10^-3范围内存在固体旋转时螺旋湍流的谱律。强迫函数是一个完全的螺旋流，也可以看作是模仿大气对流运动的效果。我们测试了螺旋的情况下，以前开发的模型（Baerenzung等，2008年a）对直接数值模拟（DNS）的变体，使用的数据从运行的网格上的15363个点;我们还比较了其效率与频谱大涡模拟（LES）（Chollet和Leopold 1981），以及一个欠分辨率的DNS。该模型包括螺旋度的贡献的频谱涡耗散和涡噪声的行为最好，允许恢复的流量的统计特征。然后，使用DNS进行超出当今可行范围的参数空间探索。在固定的雷诺数，降低Rossby数会导致一个政权的波介导的惯性螺旋度级联到小尺度。然而，在固定的Rossby数，增加雷诺数导致系统的主导湍流能量交换的惯性波的作用是削弱直接级联的能量，同时加强大尺度。我们发现，一个有用的参数划分的数据是NC = ReRo = U2 rms/[nu Ω]，与Urms，nu和Ω的均方根速度，粘度和旋转速率分别。决定多少能量级联是直接的或反向的参数，在这种情况下，级联到小尺度主要是螺旋度与Ro有关。
2009-12-17 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Horizontal shear instabilities in rotating stellar radiation zones: I. Inflectional and inertial instabilities and the effects of thermal diffusion
旋转混合是恒星演化的关键过程，它在恒星辐射带中传递角动量和化学元素。在过去的二十年里，人们一直把重点放在由垂直切变不稳定引起的湍流输送。然而，不稳定性所产生的水平剪切和强度的各向异性湍流运输，他们可能会触发仍然相对未开发。本文研究了恒星辐射带中稳定层结、自转和热扩散对水平剪切不稳定性的综合影响。数值求解了描述双曲切线水平剪切剖面流动线性不稳定性的特征值问题。作为第一步，我们考虑一个极$f$平面的重力和旋转矢量对齐。确定了两种类型的不稳定性：弯曲和惯性不稳定性。当垂直波数为零且沿外加流方向流向波数为有限时，由拐点引起的弯曲不稳定性是最不稳定的。三维弯曲不稳定性是不稳定的分层，而它是稳定的热扩散。惯性不稳定性是旋转驱动的，WKBJ分析表明，其增长率达到最大值$\sqrt{f(1-f)}$在无粘极限的垂直波数趋于无穷大，其中$f$是无量纲科里奥利参数。当层结增加时，有限垂直波数的惯性不稳定性稳定，而热扩散则使其不稳定。此外，我们发现了一个自相似的屈曲和惯性不稳定性的基础上重新标度参数$PeN^2$与Péclet数$Pe$和Brunt-Väisälä频率$N$。
2020-02-06 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
The complex interplay between tidal inertial waves and zonal flows in differentially rotating stellar and planetary convective regions I. Free waves
在近距离两体系统的潮汐相互作用的量化是最感兴趣的，因为他们有一个至关重要的影响的架构和旋转的历史的机构。各种研究表明，任何一个天体的潮汐消散都对它的结构和动力学非常敏感，就像存在于类太阳恒星和巨型气态行星的外对流层中的差异旋转一样。特别是，潮汐波可以强烈地与纬向流在所谓的共转共振，其中波的多普勒频移抵消。我们的目标是提供一个深入的物理了解潮汐惯性波的动力学在共转共振，在存在的差分旋转配置文件典型的低质量恒星和巨行星。通过建立一个倾斜的剪切盒，我们研究了自由惯性波在共转时的传播和透射，更一般地说，在临界水平上，这是控制波微分方程中的奇点。通过构建一个不变量称为波作用通量，我们确定了不同的制度，波传输在临界水平，这是证实了一维三层数值模型。我们发现，惯性波可以完全透射，强烈阻尼，甚至放大后，越过临界水平。这些制度的发生取决于假设的差分旋转的轮廓，在性质以及纬度的临界水平，和波的参数，如惯性频率和纵向和垂直波数。因此，波可以在临界水平阻尼时将其作用通量沉积到流体中，或者在临界水平放大时将其作用通量提取到流体中。这两种情况都可能导致潮汐相互作用体之间的显著角动量交换。
2021-01-12 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Viscous dissipation by tidally forced inertial modes in a rotating spherical shell
本文研究了球壳内旋转流体的受迫惯性模的性质。我们的强迫是类似潮汐的，但它的主要性质是在大尺度上。我们的解首先证实了Ogilvie（2005）在二维模型上得到的一些分析结果。我们还注意到，随着强迫频率的变化，如果Ekman数E较低（通常情况下），耗散会发生剧烈变化。然后，我们研究三维的情况下，并比较上述模型的结果。这些解决方案显示，像他们的二维对应，尖峰耗散曲线时，强迫的频率是变化的，他们也显示小频率间隔的粘性耗散是独立的粘度。然而，我们表明，在这些频率间隔的流体的响应是至关重要的主导剪切层，在临界纬度上的内球发射。当吸引子被剪切层激发时，就达到了渐近状态。二维模型不共享此属性。最后，共振的三维模型对应于一些选定的最小阻尼本征模式。与它们的二维对应部分不同，这些模式不与简单的吸引子相关联;相反，它们以具有弱收缩特征网的频率间隔出现。此外，我们还证明了当内核的相对半径小于临界值0.4E^{1/5}时，内核是可以忽略的。对于这些球壳，全球解给出了流动的一个很好的近似。
2009-09-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Large-scale clustering of inertial particles in a rotating, stratified and inhomogeneous turbulence
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
Wake of inertial waves of a horizontal cylinder in horizontal translation
本文从理论和实验上分析了直径为$d$的水平圆柱体在绕垂直轴以速率$Ω$旋转的流体中以恒定速度$U$水平平移后的尾流。使用粒子图像测速测量在旋转框架，我们表明，尾流是稳定的雷诺数${\rm Re}=Ud/ν$远大于在非旋转流体的旋转。在探索的参数范围内，稳定性极限为${\rm Re} \simeq (275 \pm 25) / {\rm Ro}$，${\rm Ro}=U/2Ωd$为Rossby数，表明稳定化过程受边界层中的Ekman抽吸控制。在低Rossby数时，尾流的形式为惯性波的静止模式，类似于船后表面重力波的尾流。我们将这种定常尾流模式与最初由[Johnson，J. Fluid Mech.120，359（1982）]提出的模型进行比较，该模型假定自由滑移边界条件和弱流向扰动。我们的测量结果表明与此模型的${\rm Ro}\lesssim 0.3$的定量协议。在较大的Rossby数，尾迹的相位模式是接近的预测为一个无限小的线对象。然而，尾流振幅和相位的起源是不正确的描述弱流向扰动模型，要求在中等转速的边界条件的替代模型。
2018-02-21 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Inertial waves in a rotating spherical shell: attractors and asymptotic spectrum
研究了粘性趋于零时球壳中惯性模态的渐近性质。我们首先考虑由无粘解所满足的双曲型方程（庞加莱方程）的特征所作的映射。特征是在壳的椭圆形部分中的直线，并且映射显示，一般地，这些线朝向充当吸引子的周期性轨道收敛。然后，我们研究这个特征路径和本征解的无粘问题之间的关系，并表明，在一个纯粹的二维问题，收敛到一个吸引子意味着相关的速度场不是平方可积的。我们给出的参数，推广这一结果到三维。然后，我们考虑粘性的问题，并显示如何粘度转换成内部剪切层，在一般情况下背叛的吸引子预期的模式的本征频率的奇点。我们发现，有嵌套层，最薄和最内层缩放与$E^{1/3}$规模，$E$是埃克曼数。利用惯性波包围绕吸引子传播，我们给出了剪切层厚度的下限，并说明了如何计算本征频率的原则。最后，我们表明，随着粘度降低，本征频率倾向于一组值，这是不密集的$[0,2Ω]$，相反的情况下，全球（$Ω$是系统的角速度）。因此，我们的几何方法打开的可能性，描述的本征模和本征值的天体物理/地球物理埃克曼数（$10^{-10}-10^{-20}$），这是遥不可及的数字，这是一个广泛的类容器。
2000-07-05 astro-ph cond-mat nlin.PS
Wave reflection and transmission at interface of convective and stably stratified regions in a rotating star or planet
本文用一个简化的模型研究了对流区与稳定层结区（如恒星的辐射层或气态行星的层结层）交界处的波反射和透射。考虑对流区的惯性波和稳定层结区的重力惯性波。我们从极地开始，然后扩展到任何纬度。讨论了六种情况（见表1），在情况2中，两种波在两个区域共存。对于情况2进一步讨论四种配置。计算了波浪反射和透射的角度和能量比。结果表明，波浪的传播和透射取决于浮力频率与旋转频率的比值。在快速旋转的恒星或行星中，波穿过界面传播，入射波的大部分能量被传输到另一个区域，而在慢速旋转的恒星或行星中，波的传输被抑制。
2020-09-02 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
The coupling between inertial and rotational eigenmodes in planets with liquid cores
地球是一个快速旋转的物体。离心力使其形状类似于扁平的椭圆体，科里奥利力在其流体核心中支持波，称为惯性波。这些波可以导致流体的全局振荡或模式。地球自转轴的周期性变化（章动）可以导致地幔和流体核之间的角动量交换，并激发这些惯性模式。除了存在的粘性扭矩，无论边界的形状，小压扁的核幔边界（CMB）允许惯性模式施加压力扭矩的地幔。这些力矩有效地将地球的刚体动力学与流体核的流体动力学耦合。在这里，我们提出了第一个高分辨率的数值模型，同时解决了地幔的刚体动力学和液核的纳维-斯托克斯方程。这种方法自然地考虑到在当前章动模型中被忽略的流体中的耗散过程。我们发现，自由核章动（FCN）模式，主要是一个环形流体流动，如果地幔有一个大的转动惯量，进入共振附近的模式，如果地幔的转动惯量减少。这些模式相互作用似乎与Schmitt（2006）在具有不同扁平度的均匀旋转椭球体中发现的模式相互作用完全相似。
2019-05-09 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Spontaneous generation of inertial waves from boundary turbulence in a librating sphere
在这项工作中，我们报告的激励惯性波在一个librating球，即使是振动频率，这些波不直接被迫。这种自发产生来自赤道附近Ekman边界层中的离心不稳定性引起的局部湍流，并且不依赖于天平动频率。我们的特点，这些惯性波的关键特征与以前的研究中产生的内部波在分层流从本地化的湍流模式类比。特别地，时间谱表现出优选的激发频率值。这种一阶现象对于存在局部湍流的任何旋转流都是通用的，并且与行星应用完全相关。
2013-09-11 physics.class-ph physics.flu-dyn
Computation of Fluid Flows in Non-inertial Contracting, Expanding, and Rotating Reference Frames
我们提出了计算流体流动的方法，其特征在于由大的程度的膨胀/收缩，其中流体的速度是由与膨胀/收缩和/或旋转的流动相关联的散装组件占主导地位。我们考虑在一个同源的膨胀/收缩和/或旋转参考系中的流体动力学欧拉方程的制定。调整帧运动以最小化局部流体速度。这种方法允许非常有效地适应流动程度的大程度变化。此外，通过排除整体流对总能量的贡献，该方法消除了感兴趣的流中的高马赫数问题。该方法的一个重要的实际优点是，它可以很容易地实现几乎任何隐式或显式欧拉流体动力学格式和自适应网格细化（AMR）的战略。我们还详细考虑了方程的不变性和存在的保守制定的方程的特殊类的膨胀/收缩参考系。特别强调的是放在广泛的数值测试的方法为各种参考系运动，这是代表的实际应用的方法。我们研究的准确性，保守性和收敛性能的方法在问题中，这不是它的最佳应用程序，以及在系统中，使用这种方法是最大的好处。这种详细的调查的数值解的行为是用来定义的要求，需要考虑在设计特定问题的流体运动反馈机制。
2006-05-31 astro-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
