Tangling clustering of inertial particles in stably stratified turbulence
我们在理论上预测和检测实验室实验中的一种新类型的粒子集群（纠缠集群的惯性粒子）在一个稳定的分层湍流与强加的平均垂直温度梯度。在该分层湍流中，平均颗粒数密度的空间分布由于湍流热扩散现象而不均匀，这导致形成平均颗粒数密度的梯度\nabla N，并且通过梯度\nabla N与速度波动的缠结而产生颗粒数密度的波动。平均温度梯度\nabla T通过梯度\nabla T与速度波动的纠缠而产生温度波动。这些波动在小尺度上增加了粒子簇的形成速率。在实验室分层湍流中，这种缠结聚集比在等温湍流中观察到的纯惯性聚集有效得多。特别是，在我们的实验中，在振荡网格等温湍流在空气中没有施加平均温度梯度，惯性集群是非常弱的直径为10微米和雷诺数Re =250的固体颗粒。我们的理论预测是在一个很好的协议所获得的实验结果。
2010-03-17 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Turbulent fluxes of entropy and internal energy in temperature stratified flows
我们导出了低马赫数温度分层湍流中的平均熵和平均内能方程（即，对于湍流对流或稳定分层湍流），并表明湍流熵通量由${\bf F}_s=\overlineρ \, \overline{{\bf u} s}$给出，其中$\overlineρ$是平均流体密度，$s$是熵的波动，上条表示在湍流速度场${\bf u}$系综上的平均。我们证明了熵的湍流通量不同于流体内能的湍流对流通量${\bf F}_c=\overline{T} \, \overlineρ \, \overline{{\bf u} s}$，其中$\overline{T}$是平均流体温度。这种湍流对流通量在天体物理学和地球物理学文献中是众所周知的，它不能在平均熵方程中用作湍流通量。这一结果对低马赫数温度分层湍流是精确的，并且与所用模型无关。我们还推导出方程的速度熵相关性，$\overline{{\bf u} s}$，在小的和大的Peclet数的限制，分别使用准线性的方法和谱τ近似。鉴于温度分层湍流在天体物理和地球物理中的不同应用，这项研究是重要的。
2015-07-30 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Transition phenomena in unstably stratified turbulent flows
我们研究实验和理论上的过渡现象所造成的外部强迫从Rayleigh-Benard对流与大尺度环流（LSC）的限制制度的不稳定分层湍流没有LSC的温度场的行为像一个被动标量。在实验中，我们使用的瑞利-贝纳德装置与两个振荡网格位于附近的侧壁室产生的额外的湍流源。当网格振荡频率大于2 Hz时，湍流对流中的大尺度环流被破坏，大尺度环流的破坏伴随着平均温度分布的强烈变化。然而，在不稳定分层湍流的所有状态下，比率$\big[(\ell_x \nabla_x T)^2 + (\ell_y \nabla_y T)^2 + (\ell_z \nabla_z T)^2\big] / < θ^2 >$略有变化（即使在温度场的行为与被动标量的行为不同的参数范围内）。其中$\ell_i$是湍流沿x、y、z方向的积分尺度，T和θ是流体温度的平均和波动部分。在所有频率的网格振荡，我们已经检测到的长期非线性振荡的平均温度。基于湍流动能、湍流温度脉动和湍流热通量收支方程的理论预测与实验结果一致。
2011-01-22 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Turbulent disruption of density staircases in stratified shear flows
本研究通过降阶模型分析分层剪切湍流中密度阶梯的形成条件，发现菲利普斯机制仅在低湍流普朗特数下有效，海洋中典型高值（Pr_T>0.5-0.7）抑制阶梯形成，解释了海洋内部缺乏密度阶梯的现象。
2023-01-30 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Extreme vertical drafts as drivers of Lagrangian dispersion in stably stratified turbulent flows
本研究利用数值模拟探讨了极端垂直气流对稳定分层湍流中拉格朗日粒子对相对扩散的加速作用，并量化了其与经典Richardson标度的偏差，对大气海洋混合及污染物输运具有重要意义。
2025-09-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Forced Stratified Turbulence: Successive Transitions with Reynolds Number
数值模拟的强制湍流的雷诺数，R，保持固定的强稳定，体积平均密度分层的值的序列。在较小的R值，湍流速度主要是水平的，和动量平衡近似旋和静水。这是一个由所谓的煎饼涡主导的区域，只有内部重力波的弱激发和局部理查森数Ri的大值。在较高的R值有连续的过渡到（a）倾覆运动与局部逆转的密度分层和小或负值的Ri;（b）增长的水平均匀的垂直剪切流分量;和（c）增长的大规模的垂直流分量。在这些转变过程中，饼状涡继续主导湍流的大尺度部分，而重力波分量除了在小尺度上外仍然很弱。
2003-04-22 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Energy cascades in rapidly rotating and stratified turbulence within elongated domains
我们研究强迫，rapildy旋转和稳定分层湍流在一个细长的域使用渐近展开在同时低Rossby数$Ro\ll1$和大域高度相比，能量注入规模，$h=H/\ell_{in}\gg1$。所得方程取决于参数$λ=(h Ro )^{-1}$和弗劳德数$Fr$。一组广泛的直接数值模拟（DNS）进行探索的参数空间$(λ,Fr)$。在弱层结（大$Fr$）下，当$λ$足够大时，观测到一个反向级联.在强分层（小$Fr$）时，流动变得近似流体静力学，并且总是观察到逆叶栅。对于弱分层和强分层，我们提出的理论论据支持所观察到的能量级联现象。我们的研究结果揭示了旋转和分层湍流的相图中的渐近区域，这是很难达到的蛮力DNS。
2021-10-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Generation of large-scale vorticity in rotating stratified turbulence with inhomogeneous helicity: mean-field theory
本文讨论了具有非均匀动力螺旋度的旋转密度分层发展湍流中大尺度涡量产生的平均场论。我们指出，大尺度非均匀流动是由密度分层旋转湍流和均匀动力螺旋度的联合作用或旋转不可压湍流和非均匀动力螺旋度的联合作用产生的。这些效应导致大尺度剪切的形成，并且由于大尺度剪切和雷诺应力诱导的平均涡量的产生的组合效应，其与小尺度湍流的相互作用又引起大尺度不稳定性的激发（称为涡量发电机）。后者是由于大尺度剪切对雷诺应力的影响。快速旋转抑制了这种大规模的不稳定性。
2018-05-13 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Lagrangian intermittency and vertical confinement in stably stratified turbulence
本研究通过分析不同分层强度下均匀分层湍流的拉格朗日速度统计，揭示了轨迹垂直约束增强和水平方向的高阶间歇性，强调了浮力对拉格朗日动力学的重要作用。
2025-03-28 physics.flu-dyn
Single-particle dispersion in stably stratified turbulence
我们提出了稳定分层流的垂直和水平方向的单颗粒分散模型。在垂直方向上的模型是基于观测到的拉格朗日谱的垂直速度，而在水平方向上的模型是一个连续时间的涡约束随机游走过程的组合，从水平风的运输的贡献。运输时间大于拉格朗日周转时间是不普遍的，并依赖于这些风。该模型产生的结果与分层湍流的直接数值模拟，其中单颗粒分散不同的均匀和各向同性湍流的情况下，充分研究的结果吻合良好。
2018-03-05 physics.flu-dyn
Elucidating coherent structures, transport barriers and entrainment in turbulent fountains in stratified media
利用三维有限时间李雅普诺夫指数，分析了不同条件下分层介质中湍流喷泉的流动组织。占主导地位的拉格朗日相干结构负责在三种不同的配置中的运输障碍建议的自相似行为。在提出了一个标准界定的边界面的上升喷泉，我们量化的卷吸和再卷吸率充分发展的流动条件下，使用适当的系数。最后，我们的分析被应用到选择性倒置水槽，湍流喷泉的技术应用，确定湍流的主要机制有利于设备的效率。
2022-05-16 physics.flu-dyn
Impact of turbulence on the stratified flow around small particles
本文研究了密度分层流体中小平移粒子（被动或自推进）周围的湍流。最近发现的[A]。M. Ardekani和R. Stocker，Phys. Rev. Lett. vol.105，084502（2010）]，在没有湍流的情况下，熟悉的斯托克斯流被分层显著地改变。分层引起的不均匀性“打开”浮力引入一个新的“截止”或“筛选”的长度尺度的流量，产生封闭的流线和更快的（指数状）衰减的速度。然而，这一结果并没有解释背景湍流的潜在作用，而背景湍流本质上存在于许多水生环境中。湍流混合了与效果相反的密度。在这里，我们推导并求解对流扩散方程，描述了湍流混合，扩散的分层剂和浮力的相互作用。我们推导出一个精确的表达式，由于弱背景湍流的波动，并表明，较强的湍流可以完全改变周围的颗粒的流动，取消分层的效果和恢复非分层的斯托克斯流。
2014-11-25 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Contrasting turbulence in stably stratified flows and thermal convection
本文对比了稳定层结湍流和湍流热对流的性质。这些流动之间的一个关键区别是浮力动能馈送的符号$\mathcal{F}_B$。对于SST，由于其稳定的性质，动能通量$\mathcal{F}_B < 0$随波数$k$减小，导致动能谱$E_u(k) \sim k^{-11/5}$陡峭。湍流对流是不稳定的，因此$\mathcal{F}_B > 0$导致$Π_u(k)$与$k$增加;然而，由于浮力相对较弱，这种增加是边际的，因此$E_u(k) \sim k^{-5/3}$与流体动力学湍流相似。本文还描述了上述系统的守恒通量。
2019-02-18 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
On the Power-law Scaling of Turbulence Cospectra Part 1: Stably Stratified Atmospheric Boundary Layer
大气表层中的湍流通量是天气、水文和二氧化碳浓度预测的关键输入。在湍流通量的数值模拟中，通常假设在高波数时湍流共谱中存在-7/3幂律标度。在湍流通量的涡动协方差（EC）测量中，通常需要一个假定的湍流共谱形状来进行高频谱校正，通常假定为-7/3幂律。-7/3幂律标度的推导主要基于量纲分析，并且还观察到其他共谱标度。在这里，我们研究的形状湍流cospectrum在高波数从广泛的实地测量风速，温度，水蒸气和CO2浓度在各种稳定分层的大气条件。在稳定大气边界层的高波数平衡区，我们提出了一种符合-2次方律而不是-7/3律的湍流共谱形状。这一发现有助于改善估计湍流通量的建模和观测。
2018-11-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Invariant manifolds in stratified turbulence
我们提出了一个简化的系统7常微分方程，捕获的时间演变的空间梯度的速度和温度的分层湍流的流体元素。我们证明了不变流形的存在（进一步降低系统的维数），并将结果与稳定分层情况下完全不可压缩Boussinesq方程直接数值模拟的数据进行比较。数值结果在约化系统的不变流形上累积，表明系统处于不稳定的边缘。最后，我们研究了约化系统的稳定性，并表明它与最近在分层湍流中观察到的非单调依赖的层结湍流是相容的。
2019-04-05 physics.flu-dyn
Critical Balance and Scaling of Strongly Stratified Turbulence at Low Prandtl Number
我们扩展了稳定分层湍流的标度关系，从单位普朗特数的地球物理制度的天体物理制度的非常小的普朗特数适用于稳定分层区域的恒星和气体巨星。当普朗特数下降到浮力雷诺数的倒数（即$PrRb<1$）以下时，发现发生向新的湍流状态的过渡，这表明浮力方程中的主导平衡发生了变化。临界平衡参数的应用，然后推导出新的预测的各向异性能谱和占主导地位的平衡的Boussinesq方程的$PrRb\ll1$制度。我们发现，所有的标准标度关系的单位$Pr$稳定分层湍流极限简单地结转，如果弗劳德数，$Fr$，是由一个修改的弗劳德数，$Fr_M\equiv Fr/(PrRb)^{1/4}$取代。地球物理学和天体物理学的制度，从而顺利地连接在整个$PrRb=1$过渡。讨论了该方法在恒星辐射带垂直输运中的应用以及对小尺度发电机不稳定性判据的修正。
2022-12-30 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Dynamical regimes and clustering of small neutrally buoyant inertial particles in stably stratified turbulence
稳定分层流中的惯性粒子在海洋物理学中起着重要作用，从海洋中营养物的动力学到大气中污染物的扩散。我们认为Maxey-Riley方程的小中性浮力惯性粒子在Boussinesq近似，并讨论其有效性的限制。我们发现，粒子的行为作为强制阻尼振荡器，不同的制度取决于粒子的斯托克斯数和流体的Brunt-Väisälä频率。使用直接的数值模拟，我们研究的颗粒动力学，我们表明，在这些流动中的小中性浮力颗粒往往集群在低的局部涡度区域。这些粒子虽然很小，但其行为与示踪剂有着根本的不同。
2022-12-07 physics.ao-ph 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
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
Statistical State Dynamics of Vertically Sheared Horizontal Flows in Two-Dimensional Stratified Turbulence
强分层湍流的模拟常常表现出相干的大尺度结构，称为垂直剪切水平流（VSHF）。VSHF出现在二维（2D）和三维（3D）分层湍流具有相似的垂直结构。VSHF形成的机制尚未完全了解。本文利用统计状态动力学（SSD）方法研究了二维Boussinesq分层湍流模型中VSHF的形成和平衡。在SSD中，运动方程直接用湍流状态的统计变量表示。限制到2D湍流提供了一个分析和计算上有吸引力的SSD的实现称为S3 T，其中SSD表示耦合方程的水平平均结构方程的集合平均扰动协方差。与完全非线性模拟相比，这种二阶SSD通过二阶产生精确的统计数据。特别是，S3 T捕捉自发出现的VSHF和相关的密度层中看到的模拟湍流保持均匀的大规模随机激励。S3 T系统的一个优点是，VSHF的形成机制，这是新兴的VSHF和随机激发的大尺度重力波之间的波-平均流相互作用，在S3 T系统中被解析地理解。与完全非线性模拟的比较验证了S3 T解决方案准确地预测的规模选择，依赖于随机激励强度，和非线性平衡结构的VSHF。这些结果有助于VSHF理论和地球物理的湍流射流，如海洋的赤道深射流的例子。
2018-07-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Turbulent Prandtl number and characteristic length scales in stably stratified flows: steady-state analytical solutions
在这项研究中，湍流普朗特数（$Pr_t$）的稳定性依赖的量化通过一个新的和简单的分析方法。基于方差和通量收支方程，首先提出了一种混合长度尺度公式，并建立了它与已知长度尺度的函数关系。其次，利用这些长度尺度的比值导出$Pr_t$和梯度理查森数之间的显式关系。此外，还对几个关键湍流变量进行了理论预测（例如，耗散率，归一化通量）。从我们提出的方法的结果进行比较，对其他竞争的配方，以及公布的数据集。总的来说，不同的方法之间的协议是相当不错的，尽管他们不同的理论基础和假设。
2021-09-13 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Linking dissipation, anisotropy and intermittency in rotating stratified turbulence
分析一个大的数据库的高分辨率的三维直接数值模拟的衰减旋转分层流，我们发现，异常混合和耗散，显着的各向异性，和强烈的不连续性都同时观察到在一个中间政权的参数，其中波和涡非线性相互作用。由分层控制的临界行为发生在Richardson数为1阶时，并且流动接近于不稳定状态。这证实了中央动力学的作用，在旋转分层湍流，大规模的不稳定性，这发生在垂直速度和温度波动，作为一种调整机制的能量转移中存在的强波。
2019-10-05 physics.flu-dyn
Characterization of local energy transfer in large-scale intermittent stratified turbulent flows via coarse graining
该研究针对大气海洋中分层湍流的大规模间歇性问题，改进空间滤波程序分析极端垂直气流的影响，发现其能触发跨尺度能量传递并加强特定尺度下动能与势能的耦合。
2025-04-15 physics.ao-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Energy cascades in rotating and stratified turbulence in anisotropic domains
ENS（巴黎高等师范学院）
研究显示，在旋转和层化湍流中，逆向能量级联可在特定条件下由干燥流体动力学产生，可能影响中间尺度大气自组织过程。
2025-08-01 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Magnetic concentrations in stratified turbulence: the negative effective magnetic pressure instability
在强密度分层的存在下，磁流体湍流获得定性的新特性：形成磁通量浓度。在这里，我们回顾这种机制的理论基础，现在被称为负有效磁压不稳定性。我们还提出了直接数值模拟强分层层中的强迫湍流，并讨论了定性和定量的相似之处，相应的平均场模拟。最后，讨论了与太阳黑子形成的相关性。
2016-12-24 astro-ph.SR 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
On dissipation time scales of the basic second-order moments: the effect on the Energy and Flux-Budget (EFB) turbulence closure for stably stratified turbulence
本文利用直接数值模拟（DNS）评估基本二阶矩耗散率，修订稳定分层湍流的EFB湍流闭合理论，揭示TKE、浮力通量与TPE间的关键反馈机制，维持任意Richardson数下的剪切稳定分层湍流。
2025-01-29 physics.flu-dyn
Turbulence in stratified rotating topographic wakes
本研究通过大涡模拟系统探究层化旋转三维地形尾流的湍流产生机制，明确了近尾流湍流耗散由KHI和CI两种不稳定性主导的参数依赖关系，为地球物理尾流的观测与模拟提供依据。
2025-08-25 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Generation of a large-scale vorticity in a fast rotating density stratified turbulence or turbulent convection
在滞弹性近似下，我们发现了一种不稳定性，这种不稳定性会导致在快速旋转的小尺度湍流或湍流对流中产生大尺度涡量，并且沿旋转轴具有非均匀流体密度。大尺度不稳定导致两种模态的激发：（i）以垂直涡度为主的模态，其平均速度与垂直坐标无关;（ii）以水平涡度为主的模态，其平均动量与垂直坐标无关。在快速旋转的密度分层流体动力学湍流或湍流对流中，可以激发出以垂直涡量为主的模态。对于这种模式，平均熵在气旋性涡旋内部耗尽，而在反气旋性涡旋内部增强。只有在快速旋转的密度分层湍流对流中才能激发出以水平涡为主的模态。发展的理论可能与解释在大行星中观察到的巨大风暴的大斑点的起源有关，例如，木星的大红斑和土星的大斑点。它也可能有助于解释快速旋转的晚型恒星中高纬度斑点的起源。
2019-11-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Inertial floaters in stratified turbulence
我们调查的动力学和统计的惯性颗粒分层湍流输送，在粒子密度的平均密度分布的流体中的中间的情况下。在这些条件下，颗粒倾向于在相应的流体等密度线周围形成薄层。所产生的层的厚度由浮力（将粒子吸引到等密度线上）和惯性（阻止它们精确地跟随它）之间的平衡决定。通过大量的数值模拟，我们探索了系统的参数空间，发现在一定的参数范围内，粒子在层内形成分形簇。
2017-12-07 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
On the emergence of helicity in rotating stratified turbulence
我们进行数值模拟的衰减旋转分层湍流，并显示，在Boussinesq框架，螺旋度（速度-涡度相关性），观察到的超级单体风暴和飓风，是自发创建的，由于浮力和旋转之间的相互作用共同的大规模大气和海洋流。螺旋度产生于涡旋和惯性重力波（惯性和重力具有各自的相关频率$f$和$N$）的联合作用，并且当波足够强时发生。对于$N/f < 3$的螺旋度产生的量是正确的预测准线性平衡方程。在该区域之外，直到本研究中获得的最高雷诺数，即$Re\approx 10000$，螺旋度的产生被发现是持久的$N/f$大$\approx 17$，和$ReFr^2$和$ReRo^2 $分别大$\approx 100$和$\approx 24000$。
2013-01-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Law of the wall in an unstably stratified turbulent channel flow
我们进行直接数值模拟的不稳定分层湍流槽道流解决浮力的影响，边界层动力学和平均场的数量。我们系统地跨越摩擦雷诺数（$Re_τ$）和瑞利数（$Ra$）的空间中的参数范围。我们的重点是偏离对数定律的墙壁，由于浮力运动。对流在相关范围内的影响进行了讨论，提供速度，温度和雷诺应力以及摩擦系数的平均剖面的测量。提出了一种唯象模型，并示出捕捉所观察到的偏差的速度分布在对数律区域从非对流的情况下。
2022-06-10 physics.flu-dyn
Turbulence comes in bursts in stably stratified flows
简单层流和复杂湍流有明显的区别。但在某些情况下，对于夜间的行星边界层，一个稳定而有序的流动可以发展出强烈而零星的湍流活动，这些湍流活动随着时间的推移慢慢消失。这种现象是不理解的，模型也很差;然而，它是我们理解天气和气候动力学的核心。我们在这里提出了一个简单的模型，它表明，在稳定分层的湍流，更强的爆发时，可以发生的流动预计是更稳定的。爆发是由储存在波中的能量的快速非线性放大产生的，并且与垂直速度和温度（或密度）波动之间的能量交换有关。在2048^3个点的网格上进行的直接数值模拟证实了这个有些矛盾的结果，即在更稳定的流动中，可以测量到更强的事件，这不仅表现在温度和垂直速度导数上，而且还表现在场本身的振幅上。
2013-08-29 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Absorption of waves by large scale winds in stratified turbulence
大气是一种非线性分层流体，其中存在内部重力波。这些波与流动相互作用，导致波湍流，其显示与在各向同性和均匀流动中观察到的湍流的重要差异。我们数值研究的作用，这些波和它们的相互作用与大尺度流，垂直剪切水平风组成。我们计算了它们的空间和时间分辨的能量谱（四维谱），并表明大部分能量集中在沿水平风多普勒频移的色散关系。我们还观察到，当均匀的风，让发展在每个水平层的流动，波的相速度等于水平风速具有可以忽略不计的能量。这表明它们的能量向平均流的非局部转移。这两种现象，多普勒频移和吸收的波与风速，是不考虑在当前的理论分层波湍流。
2014-12-09 physics.flu-dyn
Evolution of a Stratified Turbulent Cloud under Rotation
本文结合线性解析、数值模拟与 Lagrangian 粒子追踪，研究旋转分层流体中湍流云的演化，揭示惯性-重力波对柱状结构倾斜、云扩张及能量转移的控制作用。
2023-11-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Energy and flux budget closure theory for passive scalar in stably stratified turbulence
针对稳定分层湍流，发展了被动标量（非浮力和非惯性粒子或气体混合物）的能量和通量收支（EFB）封闭理论。EFB湍流闭合的物理背景是基于湍流动能和势能以及动量和浮力的湍流通量以及颗粒的湍流通量的收支方程。EFB湍流闭合是为从中性到非常稳定的分层地球物理流而设计的，它意味着在任何分层处，湍流都是由速度切变维持的。在定常状态下，导出了被动标量的湍流通量和各向异性非对称湍流扩散张量的表达式，并得到了该张量各分量的普适通量理查森数依赖关系。湍流扩散张量在垂直方向上的对角分量被强分层抑制，而在水平方向上的对角分量没有被抑制，并且它们与湍流扩散张量的其他分量相比是占主导地位的。这意味着，任何最初创建的强烈不均匀的粒子云演变成一个薄煎饼在水平面上的垂直方向上的厚度非常缓慢的增加。湍流Schmidt数随梯度理查森数线性增加。考虑到这些结果的应用程序的大气边界层湍流，理论关系推导出允许确定的湍流扩散张量作为一个函数的垂直坐标测量的单位的地方Obukhov长度尺度。所得到的关系式在模拟大气边界层湍流和自由大气湍流中的颗粒弥散方面具有潜在的应用价值。
2021-06-02 physics.ao-ph 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
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
Experimental study of temperature fluctuations in forced stably stratified turbulent flows
本文对稳定分层强迫湍流中的温度脉动进行了实验研究。在有垂直温度梯度的实验中，湍流是由两个位于腔室侧壁附近的振荡格栅产生的。用粒子图像测速仪测量湍流场和平均速度场，用专门设计的带灵敏热电偶的温度探头测量温度场。我们发现，比例$\big[(\ell_x \nabla_x \bar{T})^2 + (\ell_y \nabla_y \bar{T})^2 + (\ell_z \nabla_z \bar{T})^2\big] / <θ^2 >$几乎是恒定的，是独立的网格振荡的频率，并具有相同的幅度，稳定和不稳定的分层湍流，其中$\ell_i$是沿$x, y, z$方向的湍流的积分尺度，$\bar{T}$和$θ$是流体温度的平均和湍流波动分量。我们证明了，对于大频率的网格振荡，温度场可以被认为是一个被动标量，而对于较小的频率的温度场的行为作为一个主动场。基于湍流动能、湍流位能（$\propto <θ^2 >)$）和湍流热通量收支方程的理论预测与实验结果符合较好。与先前在不稳定分层强迫湍流中获得的实验结果进行了详细的比较。
2012-11-27 physics.flu-dyn
Routes to stratified turbulence revealed by unsupervised classification of experimental data
本文利用无监督聚类和降维方法分析分层倾斜管道实验数据，识别出多种能量湍流类型及间歇性转变路径，为多物理场湍流降阶建模提供新途径。
2023-05-06 physics.flu-dyn
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
Sheared stably stratified turbulence and large-scale waves in a lid driven cavity
为了确定控制平均流和湍流的参数，并了解它们对动量和热传递的影响，我们对具有非零垂直平均温度梯度的盖驱动腔中的稳定分层湍流进行了实验研究。我们发现，平均速度模式（例如，大尺度环流的形式和大小）强烈地取决于温度分层的程度。在强稳定层结情况下，强湍流区位于主大尺度环流附近。在强稳定层结的情况下，我们发现了大尺度的非线性振荡，这种振荡可以解释为非线性的重力波。在非线性阶段，速度场和温度场中这些波的主要含能频率之比约为2。波的振幅在弱湍流区域（靠近空腔的底壁）增加，由此垂直平均温度梯度增加。
2014-08-26 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Waves and vortices in the inverse cascade regime of stratified turbulence with or without rotation
我们研究了分层湍流中波和涡之间的能量分配，有或没有旋转，对于各种参数，侧重于大尺度能量逆级联中的波和涡的行为。为此，我们在雷诺数Re=1000的立方体箱中进行直接数值模拟，Brunt-Väisälä频率N和惯性频率f的比值从1/4到20不等，并进行纯分层运行。测量分层强度的弗劳德数在0.02 < Fr < 0.32的范围内变化。我们发现，逆叶栅是由慢准地转模占主导地位。它们的能谱和通量表现出逆级联的特征，尽管它们的能量是不守恒的。令人惊讶的是，当N/f比增加时，慢涡仍然占主导地位，在分层情况下也是如此，尽管越来越少。然而，当N/f增加时，慢模的逆级联变得越来越弱，并且在纯分层情况下它消失。我们讨论了如何消失的逆级联的能量增加N/f可以解释的波和涡，并确定三个主要的影响，可以解释这种过渡的基础上无粘不变量参数。
2015-09-08 physics.ao-ph 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
Small-Scale Dynamo in Stably Stratified Turbulence
我们提出了三个主要性质的小规模发电机在稳定分层湍流的数值研究：发病标准，增长率，和磁场各向异性的性质在运动学制度。结果表明，所有这三个发电机性能控制的规模之间的分离的Ozmidov规模和粘性或电阻规模。除了临界磁雷诺数，这使得分层的小规模发电机开始在高和低磁普朗特数制度，分别为临界浮力和磁浮力雷诺数的定义。在恒星辐射带中存在小尺度发电机可能会通过产生麦克斯韦应力影响动力学和/或影响差分旋转区域中的大尺度发电机机制。以太阳辐射带为代表，应用起始判据，我们发现，在太阳速跃层的稳定层结湍流中，层结的强度足以使小尺度发电机处于边缘活跃状态。
2021-02-03 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Revisiting Bolgiano-Obukhov scaling for moderately stably stratified turbulence
根据著名的Bolgiano-Obukhov中等稳定分层湍流的\citep{Bolgiano_1959,Obukhov_1959}现象学，惯性范围内的能谱显示出双重标度;动能遵循（i）对于$k < k_B$的$\sim k^{-11/5}$，和（ii）对于$k > k_B$的$\sim k^{-5/3}$，其中$k_B$是Bolgiano波数。类似于被动标量湍流的$k^{-5/3}$标度是假定浮力对$k>k_B$来说不重要的直接结果。我们重新审视了这个假设，并利用动能和势能通量的恒定性和简单的理论分析，我们发现$ k^{-5/3}$谱是不存在的。这是因为小尺度下的速度场太弱，无法像被动标量湍流那样建立恒定的动能通量。本文还导出了第二区存在的定量条件。
2019-06-25 physics.flu-dyn
From waves to convection and back again: The phase space of stably stratified turbulence
我们发现，分层湍流的相空间主要由两个缓慢不变的流形丰富的物理，嵌入在一个更大的盆地快速演变。平衡时流体附近的局部不变流形对应于波，而全局不变流形对应于局部对流的发生。使用一个减少模型来自Boussinesq方程，我们提出，波非线性地积累能量到一个点，使流体元素从本地流形逃逸，并迅速发展到全球流形，在那里动能可以更有效地消散。在此之后，流体元件返回到第一歧管。随着分层增加，第一歧管的体积增加，并且第二歧管变得更难接近。这就解释了最近观察到的这些流动中的不稳定性增强和边缘不稳定性。简化的模型还允许我们研究结构的形成，在流动中的场梯度的对齐，并确定每个流体元素的平衡关系。
2019-12-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Critical balance in magnetohydrodynamic, rotating and stratified turbulence: towards a universal scaling conjecture
提出临界平衡-线性传播和非线性相互作用时间尺度之间的尺度平衡-可以用作确定各向异性波系统中强湍流谱的通用标度猜想。磁流体动力学（MHD），旋转和分层湍流被认为是在这种假设下，特别是，一个新的和实验上可检验的能量级联方案和一组缩放的频谱提出了低Rossby数旋转湍流。有人认为，在中性流体中，临界平衡的各向异性级联提供了一个自然的路径，从强各向异性在大尺度上的各向同性Kolmogorov湍流在非常小的尺度。还有人认为，在最近的低Rossby数旋转湍流数值模拟中看到的kperp^{-2}谱可能类似于数值MHD湍流的kperp^{-3/2}谱，在这个意义上，它们可以通过假设波动近似地被极化（排列）为惯性波（MHD的Alfven波）来解释。
2011-06-04 astro-ph.GA astro-ph.SR nlin.CD
Large-scale confinement and small-scale clustering of floating particles in stratified turbulence
本文研究了小惯性粒子在分层湍流中的运动。我们推导出一个简化的模型，有效的Boussinesq近似内，小颗粒的动力学存在的平均线性密度分布。通过广泛的直接数值模拟，我们调查的统计分布的粒子作为一个函数的两个无量纲参数的问题。我们发现，粒子的垂直约束主要是由分层的程度，与弱依赖于粒子的属性。相反，小尺度分形聚类，典型的惯性颗粒在湍流中，取决于颗粒的弛豫时间，几乎是独立的流动分层。薄浮游植物层的形成，我们的研究结果的影响进行了讨论。
2015-09-11 nlin.CD physics.flu-dyn
On the Two-point Correlation of Potential Vorticity in Rotating and Stratified Turbulence
发展了一个描述Boussinesq方程描述的旋转和分层湍流中位涡两点统计的框架。位涡两点关联函数动力学的Karman-Howarth方程揭示了在Rossby、Froude、Prandtl和Reynolds数参数的某些区域中惯性范围动力学的可能性。对于大Rossby数和Froude数的情况，以及准地转动力学的情况，我们导出了位涡与速度之间的三阶混合相关的具有2/3前因子的线性标度律，这一结果类似于湍流理论中三阶速度结构函数的Kolmogorov 4/5律。
2006-03-15 nlin.CD physics.flu-dyn
Geometry of stratified turbulent mixing: local alignment of the density gradient with rotation, shear and viscous dissipation
本文提出基于速度梯度张量构造两个正交基的几何分析方法，研究分层湍流中密度梯度与旋转、剪切及黏性耗散的局部对齐，并利用分层倾斜管道实验揭示高剪切区密度梯度优先沿最小耗散方向且垂直于rotex-剪切平面的规律。
2023-09-19 physics.flu-dyn
Energy- and flux-budget turbulence closure model for stably stratified flows. Part II: the role of internal gravity waves
我们改进了我们先前的能量和通量预算湍流闭合模型（Zilitinkevich等人，2007，2008）的稳定分层的大气流动，并扩展它占额外的垂直通量的动量和额外的生产的湍流动能，湍流位能（TPE）和湍流通量的位温由于大尺度重力内波（IGW）。IGW的主要效应如下：通量理查森数的最大值（在无IGW区为0.2-0.25的普适常数）变得强可变。在垂直均匀层结中，它随波浪能的增加而增加，甚至可以超过1。在非均匀层结中，当IGW向较强层结传播时，最大通量理查森数随波浪能的增大而减小，最大通量趋于零，然后变为负值。也就是说，位温的垂直通量呈反梯度变化。IGW还降低了湍流的各向异性，增加了TPE在湍流总能量中的份额。根据方向（向下或向上），IGW加强或削弱总的垂直动量通量。该模式的预报结果与大气和实验室试验、直接数值模拟和大涡模拟的数据相一致。
2009-08-18 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Small-scale dynamos in simulations of stratified turbulent convection
小规模的发电机行动往往被认为是造成宁静的太阳磁场。我们的目的是确定在非旋转湍流对流在低磁普朗特数的小规模发电机的激励条件和饱和水平。我们使用高分辨率的直接数值模拟弱分层湍流对流。我们发现，发电机激励的临界磁雷诺数增加的磁普朗特数减少，这可能表明，小规模的发电机行动是不自动明显的机构与小磁普朗特数的太阳。作为磁雷诺数（${\rm Rm}$）的函数，发电机的增长率是一致的${\rm Rm}^{1/2}$缩放。未发现${\rm Rm}$的生长速率对数增加的证据。
2018-02-26 astro-ph.SR physics.flu-dyn
