Linear Stability Analysis of convective flows in Rotating Baroclinic Annulus with Localized Peripheral Heating: A Floquet-BiGlobal Approach
Amrita Vishwa Vidyapeetham（阿姆里塔维迪亚佩塔姆大学）
本文采用Floquet-Bloch理论与BiGlobal特征值方法，分析了局部加热下旋转流体环的非轴对称基态线性稳定性，揭示了交叉模态斜压能量释放和剪切产生的不稳定机制。
2026-06-07 physics.flu-dyn
Reduced Order Model for a Convective Rotating Annulus with Localized Forcing
Amrita Vishwa Vidyapeetham（阿木塔维迪亚佩特阿姆大学）
针对底部外围局部加热、内壁均匀冷却的旋转流体环，建立基于Galerkin投影的10变量低阶模型，再现了平均经向环流、热风、斜压波振幅及其非线性相互作用，并复现了Nu~Ra^(1/4)标度律和旋转抑制效应。
2026-06-07 physics.flu-dyn
On the necessary conditions for bursts of convection within the rapidly rotating cylindrical annulus
在旋转对流系统中经常发现纬向流。这些喷流不仅是由对流驱动的，它们还可以对对流的性质产生深远的影响。在这项工作中，圆柱形的环形几何形状被利用，以进行非线性模拟，寻求产生强大的带状流和多个射流。参数制度扩展到普朗特数是不统一的。多个射流被发现是间隔根据莱茵缩放的纬向流速度的基础上，而不是对流速度。在一定条件下，非线性对流以准周期爆发的形式出现。平均场的稳定性分析进行了一个基本状态，包含两个纬向流和平均温度梯度从非线性模拟。对流增长率波动与这两个平均数量表明，这两个都是必要的，以爆裂现象的发生。
2013-07-24 physics.flu-dyn
Destabilization of free convection by weak rotation
这项研究提供了一个解释最近观察到的效果不稳定的自由对流弱旋转。在研究了几种模型，其中流动是由对流和旋转的同时作用驱动的，它的结论是，观察到的不稳定的情况下，离心力作用于主要对流环流。在相对较低的普朗特数下，这种反作用可以将主涡分裂成两个反向旋转的涡，其中相互作用导致不稳定。当普朗特数较大时，离心力的反作用使不稳定的热分层变陡，从而触发Rayleigh-Bénard不稳定机制。这两种情况下，可以增强平流的方位角速度扰动的轴，在那里他们的增长和激励扰动的径向速度。考虑到一个组合的对流/旋转流在一个旋转的盖子和一个抛物线的温度分布在侧壁的圆柱体的效果进行了研究。其次，推导了直拉法晶体生长模型中旋转磁场驱动流动和熔体流动的失稳效应的解释。
2011-07-05 physics.flu-dyn
Scaling behaviour of rotating convection in a spherical shell with different Prandtl numbers
本研究构建了200多个不同普朗特数下旋转球壳对流的数值模型，表征了四种流动状态，分析了传热与流速的标度行为，发现传热受边界层控制而流速取决于体相力平衡。
2025-08-13 physics.flu-dyn
A Heuristic Framework for Next-Generation Models of Geostrophic Convective Turbulence
许多地球物理和天体物理现象都是由湍流流体动力学驱动的，其中包含数十个数量级的行为。虽然直接模拟在理解地球物理系统方面取得了很大的进步，但这些模型仍然存在很小的控制参数范围，难以外推到行星环境中。旋转瑞利-贝纳德对流的正则问题提供了另一种方法-在简化的设置中隔离基本物理。旋转对流的理论研究和渐近简化模拟已经揭示了各种可能与自然系统相关的流动行为，但仍然无法直接模拟。代替这一点，几个新的大型旋转对流装置已被设计来表征这种行为。预测这种潜在的新数据流入将如何与现有结果相结合是至关重要的。令人惊讶的是，一个连贯的框架预测极端旋转对流尚未阐明。在这项研究中，我们结合渐近预测，实验室和数值计算结果，和实验的限制，建立一个启发式的框架，广泛的旋转对流研究之间的交叉比较。我们分类的不同领域的现有预测的背景下，渐近流制度。然后，我们考虑的物理约束，确定流动行为的预测和实验的可达性之间的交叉点。将这一框架应用于几种即将推出的设备表明，实验室研究可能很快就能够表征物理相关的流态。这些新的数据可能会改变我们对地球物理和天体物理湍流的理解，这里开发的概念框架应该提供有意义的讨论这些结果所需的理论基础设施。
2018-06-19 physics.flu-dyn
Oscillatory thermal-inertial flows in liquid metal rotating convection
我们提出了第一个详细的热和速度场表征的对流在一个旋转的圆柱形槽的液体镓，它具有类似的行星核心流体的热物理性质。我们的实验室实验，并密切相关的直接数值模拟，都进行了稳定的对流模式发病前的制度。这使我们能够研究的振荡对流模式，侧壁模式和宽带湍流，发展在液态金属稳定的柱状模式出现之前。我们的热测速测量表明，强烈的惯性，热气流的发展，速度达到可比的非旋转的情况下。振荡体对流和壁模式共存于广泛的我们的实验，随着强纬向流的峰值在Stewartson层，但深入到流体体积中的更高的超临界情况下。的流量包含显着的时间平均螺旋度是反对称的整个中平面，表明振荡的液态金属对流包含的运动分量，以维持系统规模的发电机发电。
2021-01-15 physics.flu-dyn
Scaling regimes in rapidly rotating thermal convection at extreme Rayleigh numbers
本研究通过极端参数下的旋转Rayleigh–Bénard对流直接数值模拟，验证了地转湍流的无扩散标度律，并发现随超临界参数降低，地转区间会发生传热标度律的转变。
2023-04-28 physics.flu-dyn
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
Thermovelocimetric Characterization of Liquid Metal Convection in a Rotating Slender Cylinder
本研究采用新型热测速技术表征细长圆柱内液态镓的旋转Rayleigh-Bénard对流，发现低超临界度下的m=2大尺度涡旋结构，提出壁模态与主体流作用的形成机制，为低普朗特数旋转对流湍流耦合效应提供新见解。
2024-10-04 physics.flu-dyn
A model of rotating convection in stellar and planetary interiors: I - convective penetration
恒星和行星对流的单峰模型推导出均方根速度的大小，程度的超绝热，和特征长度尺度作为旋转速率的函数，以及与热和粘性扩散。对流模型被用来作为一个边界条件的对流不稳定和稳定的分层区域之间的过渡区域的运动方程的线性化，产生的深度对流渗透到稳定区域，并建立该深度和当地的对流Rossby数，扩散率，和这些流量的压力标度高度之间的关系。向上和向下的穿透对流有一个类似的标度与旋转速率和扩散率，但它们取决于不同的压力标度的高度，由于不同的能量过程发生在对流核心的早型恒星与对流信封的晚型恒星。
2019-02-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Rossby numbers and stiffness values inferred from gravity-mode asteroseismology of rotating F- and B-type dwarfs: consequences for mixing, transport, magnetism, and convective penetration
恒星内部物理过程的多维（磁）流体动力学模拟依赖于大量未校准的自由参数，这些参数设定了计算的空间和时间尺度。我们的目标是提供一个asteroseismic校准的波和对流Rossby数，和刚度之间的界面对流核心和辐射信封的中等质量的恒星。我们推导出这些数量的旋转矮星从观察到的性质，其确定的重力和重力惯性模式。我们依赖于近核心的旋转速率和26个B型和37个F型矮星系的asteroseismic模型来自4年开普勒空间测光，高分辨率光谱和盖亚天体测量的文献中推导出它们的对流和波Rossby数。我们计算的刚度在对流/辐射接口从推断的最大浮力频率在接口和对流周转频率的核心。我们使用这些asteroseisically推断的量来预测对流渗透水平，对流核心触发的重力惯性波的局部通量水平，以及核心的潜在旋转和磁性状态。我们的63个重力惯性模式振荡器的样本涵盖了近核心的旋转速率从几乎为零到临界速率。它们的识别模式的频率导致模型的刚度值之间的$10^{2.69}$和$10^{3.60}$的B型恒星，而F型恒星的覆盖范围从$10^{3.47}$到$10^{4.52}$。对流Rossby数来自对流核心的最大对流扩散系数，基于混合长度理论和混合长度系数的值相关的这些散射，变化之间的$10^{-2.3}$和$10^{-0.8}$的B型星和$10^{-3}$和$10^{-1.5}$的F型星。（节略）
2021-12-12 astro-ph.SR physics.flu-dyn
From Geostrophic to Magnetically-Damped Turbulence in Liquid Metal Rotating Magnetoconvection
本研究通过液态镓实验首次测量磁地转状态下的旋转磁对流，揭示了洛伦兹力与惯性力相对大小对流动标度律的影响，发现磁阻尼区传热增强，并外推得到地球核对流的参数区间。
2025-09-03 physics.flu-dyn
Solar-like to Antisolar Differential Rotation: A Geometric Interpretation
太阳对流带的旋转速度不同，赤道地区的旋转速度比极地地区快。这种形式的差异旋转，也在许多其他低质量恒星中观察到，被认为是当科里奥利效应比与对流的浮力驱动相关的效应更强时出现的。当浮力占主导地位时，就会出现所谓的反日差速旋转状态，其特征是两极快速旋转，赤道缓慢旋转。这两种状态之间的过渡已被证明发生时，这两个力的强度大致相等，或等价地，当对流Rossby数的系统是统一的。在这里，我们考虑一个过渡的另一种观点，这种现象与对流结构和对流区深度。使用一系列的3-D旋转对流区模拟，我们证明了太阳能/反太阳能转换时发生的柱状对流结构的旋转对流特性达到直径大致相当于壳的深度。当特征对流波长超过两倍的壳层深度，我们发现，相干对流结构所需的维持赤道雷诺应力丢失，和反太阳状态的结果。最后，我们提出了一个力平衡分析，涉及到这个过渡到对流Rossby数的标准在以前的研究中确定的几何解释。
2022-08-10 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
Rotating convective turbulence in moderate to high Prandtl number fluids
针对高普朗特数旋转对流研究不足的问题，开展多Pr值旋转对流实验，发现斜压扭矩平衡的普适性及湍流尺度特征，建立可推广至地球物理场景的流速标度关系。
2023-11-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Large-scale vortices in rapidly rotating Rayleigh-Bénard convection
利用数值模拟的快速旋转Boussinesq对流在一个笛卡尔框，我们研究了长寿命的，大规模的，深度不变的相干结构的形成。这些结构，其中包括集中的旋风，增长到水平的大小的盒子，与速度显着大于对流运动。我们改变旋转速率，热驱动和纵横比，以确定这些大尺度涡（LSV）的存在域。我们发现，需要两个条件，为他们的形成。第一，瑞利数，热驱动的一个度量，必须是它在对流线性开始时的值的几倍;这对应于雷诺数，基于对流速度和盒深度$\gtrsim 100$。第二，对流结构的旋转约束必须很强。这就需要根据对流速度和水平对流尺度$\lesssim 0.15$计算当地的Rossby数。某些波数在光谱空间中被人为抑制的模拟表明，LSV是由小尺度、深度相关的对流运动的相互作用产生的。LSV的存在显著降低了对流热传输的效率。
2014-12-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Connections between Non-Rotating, Slowly Rotating, and Rapidly Rotating Turbulent Convection Transport Scalings
浮力驱动的对流很可能是宇宙中湍流运动的主要驱动力，因此被物理学家，工程师，天文学家和天体物理学家广泛研究。也许并不奇怪，这些不同的社区以不同的方式讨论总的对流行为，通常没有显着的串扰存在于他们之间。在这里，我们试图在这些社区之间建立联系。我们这样做是通过进行一组基本规模的估计，热量和流体动量输送应如何表现在非旋转，缓慢旋转和快速旋转浮力驱动的对流环境。我们发现，缓慢和快速旋转缩放可以通过一个参数，所谓的对流Rossby数$\RoC$，无耗散参数测量浮力驱动相对于旋转的重要性相互关联。此外，我们映射之间的非通量为基础的和通量为基础的，浮力驱动的缩放使用不同的群体。在这样做的过程中，这些缩放显示出不同社区的方法之间存在清晰的联系，并且一些看似不同的缩放实际上是彼此同义的。
2020-09-07 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Propagation of Uncertainty in a Rotating Pipe Mechanism to Generate an Impinging Swirling Jet Flow for Heat Transfer from a Flat Plate
在计算流体动力学（CFD）研究中，由于不同模拟的耦合，一个阶段的不确定性可能会传播到下一个阶段，从而影响预测的准确性。在本文中，不确定性量化的框架被施加到旋转管（\textit{Simulation 1}）撞击在平板上产生的旋转射流的机械设计的两步模拟，以提供对流换热（\textit{Simulation 2}）。第一种方法是随机配置方法（SCM）与克伦肖-柯蒂斯稀疏网格。从分析得出的结论是，模拟系统不表现出显着的敏感性模型输入参数的随机变化，在测试的不确定性范围。此外，一组非线性回归模型的随机速度和湍流分布的管道喷嘴创建和测试，因为冲击射流在雷诺数$Re=23000$是非常常见的文献中，但随机入口条件从来没有提供。数值结果表明，预测的对流传热与使用通过计算流体力学模拟的轮廓之间的差异可以忽略不计。这些建议的替代模型可以直接嵌入到其他计算流体力学应用程序（例如，射流或射流阵列冲击不同形状的板），其中不确定性下的现实旋流可能是感兴趣的。
2019-10-27 physics.flu-dyn
Laboratory study of differential rotation in a convective rotating layer
实验研究了旋转圆柱形流体层中大尺度方位向速度场的演化规律。考虑了两种情况：由外围的边缘加热器提供的直接循环和由中央加热器提供的间接循环。详细的三维结构的平均大尺度速度场重建使用PIV技术。由于科里奥利力的作用，旋向流导致差动旋转。差异旋转的特征在于径向和垂直梯度的平均值的方位角速度。正向环流提供了较强的负平均径向梯度，并随Grasshoff数的增大而增大。在间接环流的情况下，在中等的格拉肖夫数下出现明显的负梯度。平均垂直梯度的行为是完全不同的：一个积极的垂直梯度增长Grasshoff数直接环流，而一个弱的负梯度的特点是间接环流。这种差异来自于气流的结构--直接环流提供了一个位于反气旋气流上方的大气旋区域，而间接环流导致这两个区域在径向方向上强烈分离（中心部分被气旋气流占据，外围被反气旋气流占据）。经圈环流导致积分角动量的显著变化。直接环流使积分角动量增大，间接环流使积分角动量减小。在相同的加热功率下，直接环流条件下角动量的增加远大于间接环流条件下角动量的减少。
2008-06-07 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Convective Differential Rotation in Stars and Planets I: Theory
我们推导出缩放的微分旋转在缓慢和快速旋转的对流区使用数量级的方法。我们的计算适用于恒星和流体行星和所有旋转速率，以及磁化和纯流体动力系统。我们发现剪切$|R\nablaΩ|$的顺序的角频率$Ω$的缓慢旋转系统与$Ω\ll |N|$，其中$N$是\brvs \频率，并发现它下降的幂律$Ω$的快速旋转系统与$Ω\gg |N|$。进一步计算了纬向环流率和斜压性，并检验了快速旋转极限下的磁场强度。我们的结果与模拟和观测结果基本一致，我们与同伴论文中的结果进行了详细的比较。
2020-08-20 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
The role of thermal buoyancy in stabilizing the axial dipole field in rotating two-component convective dynamos
Centre for Earth Sciences, Indian Institute of Science（印度科学研究所地球科学中心）
双组分对流通过热和组分浮力驱动，产生主要轴向偶极场。强组分浮力导致偶极场不稳定，但弱热浮力通过磁流体静力学波自发生成稳定偶极场。更高组分浮力触发极性转换，且热浮力贡献下限约为10%。
2026-03-28 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
Heat transport in the geostrophic regime of rotating Rayleigh-B{é}nard convection
本文报道了在具有纵横比$Γ= 1/2$的圆柱形对流单体中旋转Rayleigh-B{é}nard对流热输运的实验测量结果。流体是普朗特数Pr = 0.7的氦气。控制参数的范围是瑞利数$4 \times 10^9 < {\rm Ra} < 4 \times 10^{11}$和埃克曼数$2 \times 10^{-7} < {\rm Ek} < 3 \times 10^{-5}$（对应于泰勒数$4 \times 10^9 < {\rm Ta} < 1 \times 10^{14}$和对流Rossby数$0.07 < {\rm Ro} < 5$）。我们确定交叉弱旋转湍流对流旋转为主的地转对流，通过实验测量的归一化热传输Nu。在地转制度中的旋转状态的热输送，归一化的零旋转热输送，是一致的尺度的$({\rm RaEk}^{-7/4})^β$与$β\approx 1$。一个相图，封装旋转热对流的潜在地转湍流制度的测量。
2013-09-25 physics.flu-dyn
Supergravitational turbulent thermal convection
高瑞利数对流湍流在许多自然现象和工业中普遍存在，例如大气环流、海洋流动、行星流体核心中的流动以及能量产生。在这项工作中，我们提出了一种新的方法来提高瑞利数热对流，利用离心加速和快速旋转的圆柱环，以达到60倍地球重力的有效重力。我们发现，在该政权的科里奥利效应是强的，Nusselt数与瑞利数的标度指数超过三分之一，一旦瑞利数是足够大的。对流卷沿反方向旋转，标志着纬向气流的出现。目前的研究结果开辟了一个新的途径，探索高瑞利数湍流热对流，并将提高地球物理和天体物理流动和其他强旋转系统的流动动力学和传热过程的理解。
2022-01-04 physics.flu-dyn
Rapidly rotating radiatively driven convection: experimental and numerical validation of the `geostrophic turbulence' scaling predictions
本研究通过实验和直接数值模拟验证了快速旋转辐射驱动热对流在'地转湍流'区域的热传输、温度涨落、流速和流动结构标度预测，证明其是观察地球物理和天体物理扩散无关对流区域的有效实验装置。
2024-10-11 physics.flu-dyn
How do tidal waves interact with convective vortices in rapidly-rotating planets and stars?
本研究针对快速旋转天体中潮汐惯性波与大尺度对流涡旋相互作用的建模难题，采用准地转半解析模型结合线性分析与模拟，揭示了不稳定区湍流耗散机制与稳定区动量混合、次级波发射规律，完善了潮汐演化理论。
2023-03-08 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Connecting wall modes and boundary zonal flows in rotating Rayleigh--Bénard convection
使用直接的数值模拟，我们研究旋转瑞利-贝纳德对流在一个圆柱形细胞的瑞利，埃克曼，普朗特数从壁模式的发病到地转制度，一个非常重要的地球物理和天体物理背景下的广泛范围。我们通过长度和时间尺度的连续性和对流热传输的边界纬向流，与湍流体对流在地转制度共存的散装对流发病前发生的线性壁模式状态。我们定量崩溃漂移频率，边界长度，和热输运数据从众多来源在许多数量级的瑞利和埃克曼数。阐明壁面模式和边界纬向流的热输运贡献对于表征有限物理容器中旋转对流的地转制度的性质至关重要，并且对于将实验室对流的地转制度与地球物理和天体物理系统连接起来至关重要。
2021-09-13 physics.flu-dyn
Stability of convective rolls in a horizontal layer rotating about an inclined axis
该研究分析了倾斜轴旋转水平层中Boussinesq对流的滚柱稳定性，证明临界瑞利数与水平旋转分量无关，且数值模拟显示增大水平旋转分量可增强滚柱在非线性区的稳定性。
2023-12-23 nlin.PS 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
Convective Differential Rotation in Stars and Planets II: Observational and Numerical Tests
差速自转是恒星和行星中许多未解之谜的核心。在第一部分中，我们预测的数量级和缩放的差异旋转在流体动力学和磁流体动力学对流区。我们的研究结果适用于缓慢和快速旋转的系统，并提供了一个一般的图片，在恒星和流体行星的差异旋转。进一步计算了纬向环流、熵梯度和斜压性的标度。在这篇配套论文中，我们将这些预测与各种观测和数值模拟进行了比较。除了少数例外，我们发现，这些都是一致的，在缓慢旋转和快速旋转的限制。我们的结果有助于定位红巨星的核心包层剪切，建议在大质量恒星的内部重力波的旋转相关的频移，并可能解释观测到的偏离冯Zeipel的重力暗化晚型星。
2020-08-20 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Large-scale weakly nonlinear perturbations of convective magnetic dynamos in a rotating layer
Institute of Aeronautical Technology（航空技术研究所）；Institute of Earthquake Prediction Theory and Mathematical Geophysics, Russian Ac. Sci.（俄罗斯科学院地震预测理论与数学地球物理研究所）
本文提出一种不依赖alpha效应的生成大规模磁场的新机制，通过分析旋转层中弱非线性扰动的演化，揭示了扰动尺度与扰动状态周期的关系，展示了数值结果中的稳定性和不稳定性行为。
2015-08-01 cs.NA math.NA nlin.CD
Consequences of high effective Prandtl number on solar differential rotation and convective velocity
观测表明，太阳对流模拟获得的大尺度对流速度可能被高估（对流难题）。一个可行的解决方案可能是小规模发电机，这不能完全解决全球模拟。小尺度的洛伦兹力抑制对流运动和湍流混合的熵之间的上升流和下降流，导致一个大的有效普朗特数（$\Pr$）。我们在不同热导率（$κ$）的三维全球旋转对流模拟中探索了这一想法，即，在不同的$\Pr$。与以前的非旋转模拟一致，对流速度随着$\Pr$的增加而减小，只要热传导通量可以忽略不计。在低$κ$模拟中，由于低熵羽流的连续沉积，在对流区底部附近形成亚绝热层。我们的低$κ$模拟的最有趣的结果是，对流运动伴随着对流结构的变化，越来越多的小尺度羽流的影响。这些羽流倾向于径向向内传输角动量，从而建立一个反太阳的差异旋转，与太阳旋转轮廓形成鲜明对比。如果这样的低扩散羽流，驱动的辐射表面冷却，在太阳中存在，那么我们的研究结果提出了质疑的想法，一个高效的$\Pr$可能是一个可行的解决方案，太阳对流难题。我们的研究还强调，任何依赖于向下羽流的难题的解决方案必须考虑角动量传输以及热传输。
2018-04-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The effects of nonlinearities on tidal flows in the convective envelopes of rotating stars and planets in exoplanetary systems
在紧密的系外行星系统中，潮汐相互作用在很长的时间尺度上驱动行星和恒星的轨道和自旋演化。在低质量恒星和巨型气态行星的对流包层中，潮汐惯性波（由科里奥利加速度恢复）在被激发和随后阻尼（例如通过粘性摩擦）时，特别是在系统生命的早期，对潮汐耗散有很大的贡献。已知这些波会受到非线性效应的影响，包括触发纬向流形式的差异旋转。在这项研究中，我们使用一个现实的潮汐体强迫激发惯性波，通过在波的动量方程中的平衡潮汐的剩余作用。通过在绝热不可压缩对流壳层中进行三维非线性流体动力学模拟，我们研究了非线性项的加入如何影响潮汐流的性质，以及能量和角动量的重新分布。特别是，我们确定并证明删除负责非物理的角动量演化在以前的数值研究中观察到的条款。在我们的新的设置，我们观察到建立强大的圆柱剪切纬向流，修改以前的线性理论预测的潮汐耗散率。我们证明，这种差异旋转波的影响整齐地解释了线性和非线性耗散率之间的差异，在我们的许多模拟。我们还强调了惯性波的共转共振和参数不稳定性的主要作用，这是观察到足够高的潮汐强迫振幅或低粘度，在影响潮流响应。
2022-07-26 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Efficiency of tidal dissipation in slowly rotating fully convective stars or planets
湍流对流被认为是一种有效的粘性阻尼平衡潮汐流，驱动自旋和轨道演化的封闭对流双星系统。与混合长度预测相比，当潮汐频率$|ω_t|$超过占主导地位的对流涡旋的周转频率$ω_{cν}$时，这种粘度应该减少，但这种减少的效率一直存在争议。我们重新审视这一长期存在的争议，使用一个理想化的全球模型的直接数值模拟。我们模拟了在一个完整的球体中的热对流，并在外部强迫的平衡潮汐流，测量有效粘度$ν_E$作用于潮汐流时，$|ω_t|/ω_{cν} \gtrsim 1$。我们表明，$ν_E$的频率降低与（未扰动）对流的频谱。对于低于湍流叶栅（$|ω_t|/ω_{cν} \sim 1-5$）中的中频，频谱显示出反常的$1/ω^α$幂律，该幂律导致频率降低$ν_E \propto 1/|ω_t|^α$，其中$α< 1$取决于模型参数。然后，我们得到了$|ν_E| \propto 1/|ω_t|^δ$与$δ> 1$的较高频率，和$δ=2$的Kolmogorov湍流叶栅。一般的$|ν_E| \propto 1/|ω_t|^{2}$抑制下发现较高的频率内的对流耗散范围（但与负值）。我们的研究结果表明，更好地了解对流的频谱是必要的，以准确地预测的效率潮汐耗散在恒星和行星中产生这种机制。
2020-08-29 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Asymptotic scaling relations for rotating spherical convection with strong zonal flows
本文通过球壳旋转对流的直接数值模拟，结合渐近理论与应力平衡分析，推导并验证了强纬向流随Ekman数的标度关系，表明粘性在快速旋转对流中仍不可忽略。
2023-08-09 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Heat transport in rotating convection without Ekman layers
对具有自由滑移边界的平板层中旋转对流的数值模拟表明，对流可以根据由Reynolds数、Prandtl数和Ekman数构成的量进行分类。出现三种不同的流动制度：层流接近对流的发病，湍流中的热流接近非旋转对流的热流，和一个中间制度，其中的热流规模根据幂律独立的热扩散率和运动粘度。
2009-06-16 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Large-scale vortices and zonal flows in spherical rotating convection
出于对恒星和行星内部动力学的理解，我们对旋转球中的Boussinesq对流进行了一组直接数值模拟。该域是内部加热与固定的温度和无应力的边界条件，但固定的热流和无滑移的边界条件也被简要考虑。我们特别关注的大尺度相干结构和平均纬向流，可以在系统中发展。在普朗特数的团结，作为热强迫（测量的瑞利数）增加以上的对流发病的值，我们发现一个松弛振荡制度，其次是地转湍流制度。除此之外，我们第一次看到在旋转轴上形成的大尺度相干涡旋的存在。所有制度的边界都很好地描述了对流Rossby数$Ro_c$的临界值，从振荡到地转湍流的过渡，然后到大尺度涡旋制度的值分别为$Ro_c\approx 0.2$和$Ro_c\approx 1.5$。纬向流由对流Rossby数控制，并在流从地转湍流区向大尺度涡旋区过渡时改变其方向。虽然非纬向流速和热传递可以用地转湍流区的惯性尺度来描述，但大尺度涡的形成似乎会降低非纬向流速和对流热传递的效率。
2021-03-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Semi-convection in rotating spherical shells: flows, layers and dynamos
CNRS（法国国家科学研究中心）
通过直接数值模拟研究旋转球壳几何中的半对流不稳定性，发现流动自组织形成密度阶梯和分层结构，并产生类行星的偶极磁场。
2026-07-24 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Diffusion-free scaling in rotating spherical Rayleigh-Bénard convection
直接数值模拟揭示了三个明显不同的流动区域在旋转球Rayleigh-Bénard对流。在低纬度地区$\mathrm{I}$，在热的内球和冷的外球之间产生垂直（平行于旋转轴）对流柱。中纬度地区$\mathrm{II}$主要是由垂直排列的对流柱之间形成的北半球和南半球的外球。无扩散尺度，这表明体积占主导地位的对流，起源于这个中纬度地区。在赤道区域$\mathrm{III}$中，涡流受到外部球形边界的影响，并且比区域$\mathrm{II}$中的涡流短得多。在球形瑞利-贝纳德对流中，具有背景旋转的热驱动湍流被发现具有三个明显不同的流动区域的特征。无扩散标度表明热传递是以体积为主的，它起源于中纬度地区，在该地区，垂直排列的涡旋在外球的南北半球之间伸展。这些结果表明，在旋转对流的流动物理性质是定性的不同，在平面和球形几何。这一发现强调了研究球形几何中的对流对于更好地理解地球物理和天体物理流动现象至关重要。
2021-10-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Diffusion-Free Dynamics in Rotating Spherical Shell Convection Driven By Internal Heating and Cooling
University of Exeter（埃克塞特大学）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）；Durham University（杜伦大学）
研究通过内部加热和冷却驱动旋转球壳对流，发现部分对流性质无扩散依赖，为恒星和巨行星对流模型发展提供新思路。
2025-12-17 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
The Effect of Velocity Shear on Dynamo Action Due to Rotating Convection
最近的数值模拟发电机行动所造成的旋转对流揭示了一些严重的问题，在应用的标准图片的平均场电动力学在高值的磁雷诺数，从而强调了大规模的磁场发电机在这一制度的困难。在这里，我们考虑运动发电机过程中的旋转对流层的Boussinesq流体的附加影响的大规模水平速度剪切。剪切流的减弱增强了发电机的增长速率，并且还导致在大尺度上产生显著的磁场。通过频谱滤波技术，我们分析了主要负责发电机行动的速度模式，并表明，从全流产生的磁场依赖于速度场的尺度范围。对流体进行过滤，使剪切流和对流之间的尺度真正分离，也会导致发电机作用;然而，在这种情况下，磁场的结构与全速场产生的结构非常不同。我们还表明，发电机行动的性质是大致相似的，无论是否在没有剪切流可以支持发电机行动。
2012-11-22 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
Large-scale-vortex dynamos in planar rotating convection
最近的几项研究已经证明了大尺度涡旋如何在旋转平面对流中自发产生。在这里，我们研究发电机性能的旋转Boussinesq对流等流量。对于中等值的磁雷诺数（$100 \lesssim Rm \lesssim 550$，其中$Rm$基于盒深度和对流速度），产生大尺度（即系统尺寸）磁场。磁能的振幅随时间振荡，与大尺度涡旋的振荡振幅几乎异相。一旦磁场达到临界强度，大尺度涡旋就会被破坏，这表明这些振荡是磁源的。发电机机制依赖于那些长度尺度介于大尺度涡旋和典型对流单体尺寸之间的流动分量;不需要较小尺度的流动。尽管大尺度涡旋基本上是二维的，但它在磁感应强度中起着至关重要的作用;因此，我们将这种发电机称为大尺度涡旋发电机。对于较大的磁雷诺数，发电机是小规模的，具有在对流单体的规模达到峰值的磁能谱。在这种情况下，小尺度磁场通过破坏允许其形成的对流速度之间的相关性来持续抑制大尺度涡旋。因此，在高$Rm$时对大尺度涡旋的抑制可能限制了大尺度涡旋发电机与具有中等$Rm$值的天体（如行星）的相关性。在这种情况下，在低磁普朗特数的大规模涡流发电机的操作能力是极大的兴趣。
2017-01-31 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Rayleigh-Benard convection in a nonuniformly rotating electrically conductive medium in an external spiral magnetic field
研究了螺旋磁场中导电流体非均匀旋转层中对流流动的稳定性。磁对流的固定和振荡模式被认为取决于角旋转速度（Rossby数$\textrm{Ro}$）和外部方位磁场（磁Rossby数$\textrm{Rb}$）的轮廓上的轮廓。利用Galerkin方法得到了Lorentz型方程的非线性动力系统。对这些方程的数值分析表明，对流的混沌行为的存在。找到了混沌运动发生的判据，它取决于对流参数：Rayleigh $\textrm{Ra}$、Kerrasekhar $\textrm{Q}$、Taylor $\textrm{Ta}$的无量纲数和外方位磁场的Rossby磁数$\textrm{Rb}=-1$，Rayleigh $(\textrm{Ro}=-1)$和Kepler $(\textrm{Ro}=-3/4)$的角速度分布。
2019-05-14 nlin.CD physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Transitions in turbulent rotating Rayleigh-Bénard convection
对无滑移和自由滑移边界条件下的旋转Rayleigh-Bénard对流进行了数值模拟。我们的目标是找到一个标准区分对流为主的科里奥利力从那些几乎不受旋转。如果使用热传递作为流动处于哪种状态的指示器，则发现对于两种边界条件，流动状态之间的过渡总是发生在雷诺数、普朗特数和埃克曼数的某个组合的相同值处。如果在另一方面，一个使用的螺旋度的速度场，以确定流动几乎独立于旋转，一个发现在参数空间中的一个不同的位置的过渡。
2010-06-21 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Rapidly rotating plane layer convection with zonal flow
本文研究快速旋转层中热成风作用下对流与斜压不稳定性的起始及过渡，通过渐近分析与数值解揭示长波长模态最先失稳，并指出地核斜压不稳定性可能驱动发电机。
2011-11-01 astro-ph.EP physics.flu-dyn
On the inverse cascade and flow speed scaling behavior in rapidly rotating Rayleigh-Bénard convection
旋转Rayleigh-Bénard对流的数值研究与使用的渐近模型，捕捉快速旋转，小埃克曼数限制，$Ek \rightarrow 0$。普朗特数（$Pr$）和渐近定标瑞利数（$\widetilde{Ra} = Ra Ek^{4/3}$，其中$Ra$是典型的瑞利数）是系统变化的.对于足够强的对流，逆动能级联导致深度不变的大尺度涡旋（LSV）的形成。相对于动能，我们发现从对流为主的状态过渡到LSV为主的状态在渐近约化（小尺度）雷诺数$\widetilde{Re} \approx 6$为所有调查值的$Pr$。深度平均动能与对流动能的比值在$\widetilde{Re} \approx 24$处达到最大值，然后随着$\widetilde{Ra}$的增加而减小。LSV的相对动能的减少与对流相关性随瑞利数增加而减少有关。对流流速的标度行为进行了研究，虽然在瑞利数和普朗特数的有限范围内观察到$\widetilde{Re} \sim \widetilde{Ra}/Pr$形式的线性标度，但在$\widetilde{Ra}$的最高可访问值处观察到与此标度的明显偏离。控制方程中存在的力的计算表明，粘性力与浮力的比率是$\widetilde{Ra}$的递增函数，在所研究的参数范围内接近1。
2020-03-03 physics.flu-dyn physics.geo-ph
The effects of rotation on a double-diffusive layer in a rotating spherical shell
迄今为止，湍流对流中双扩散分层的数值研究都忽略了旋转的影响。我们进行的第一步，通过研究科里奥利力如何影响旋转球壳内的双扩散层的方向。为此目的，我们已经运行的参数制度，这些层预计将形成和连续增加的旋转速度的结果，快速旋转被发现有一个类似的稳定效果的整体对流通量的增加的稳定性比$R_ρ$在非旋转设置。我们还研究了King、Stellmach和Buffett（2013）在瑞利-贝纳德对流情况下提出的旋转约束机制在多大程度上受到双扩散对流的影响：如果将其分类扩展为稳定性比$R_ρ$的函数，则其分类也适用于球壳中的双扩散对流情况。此外，我们检查了盐水和热努塞尔数的比率，并将我们的结果与Spruit（2013），Rosenblum等人（2011）和Wood，Garaud和Stellmach（2013）的模型进行了比较。我们发现我们的数据最适合Spruit的模型。我们的研究结果，快速旋转进一步减少对流传输，这是已经降低了双扩散对流，可以发挥重要作用，例如，一些快速旋转的巨行星的内部建模，因为气态巨行星最近被提出受到双扩散对流。
2014-04-24 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Contactless transfer of angular momentum by rotating laser beam
实验研究了旋转激光束与固体靶之间角动量的非接触传递。在浸没在水中的玻璃碳靶上照射脉冲激光束，沿圆形轨迹扫描靶表面，观察到这种效应。在靶上方的液体层厚度较小时，靶旋转方向与激光束的方向一致，而在液体层厚度较大的情况下，靶旋转方向与激光束的方向相反。这种效应被解释为激光加热引起的液体中的热毛细流动和对流流动之间的相互作用。
2014-07-17 physics.flu-dyn physics.gen-ph physics.optics
Weakly nonlinear magnetic convection in a nonuniformly rotating electrically conductive medium under the action of modulation of external fields
本文研究了轴向均匀磁场中导电流体非均匀旋转层中稳态对流不稳定性的弱非线性阶段，其影响因素包括：a）层边界温度调制; b）重力调制; c）磁场调制; d）旋转角速度调制。应用微扰论的方法，对稳态Rayleigh数的超临界性小参数，得到了上述调制类型的非线性非自治Ginzburg-Landau方程。利用Ginzburg-Landau方程的解，我们确定了各种类型的外场调制和导电流体的旋转的角速度的不同轮廓的非稳态传热的动力学。
2019-11-13 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Rotating convection with a melting boundary: an application to the icy moons
该研究通过在MagIC代码中实现相场模拟，探究冰卫星中旋转对流与熔融边界的相互作用，揭示冰壳地形变化规律与演化时间尺度，并推断土卫二、土卫六的冰层底部非轴对称地形振幅。
2024-12-12 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Scaling regimes in spherical shell rotating convection
旋转球壳中的瑞利-贝纳德对流可以被认为是许多天体物理和地球物理流体流动的简化模拟。在这里，我们使用三维直接数值模拟来研究这个物理过程。我们构建了一个数据集的200多个数值模型，涵盖了广泛的参数范围与Ekman数跨越$3\times 10^{-7} \leq E \leq 10^{-1}$，瑞利数范围内$10^3 < Ra < 2\times 10^{10}$和普朗特数单位。我们调查的标度行为的本地（长度尺度，边界层）和全球（努塞尔和雷诺数）的属性在各种物理制度从开始的旋转对流弱旋转对流。接近临界时，对流由粘性、科里奥利力和浮力之间的三重力平衡主导。对于更大的超临界，我们的数值数据的一个子集的渐近无扩散性标度旋转对流$Nu\sim Ra^{3/2}E^{2}$在一个狭窄的分数的参数空间界定的$6\,Ra_c \leq Ra \leq 0.4\,E^{-8/5}$。使用分解成散装和边界层的贡献的粘性耗散率，我们建立了一个理论缩放的流速，准确地描述了数值数据。在快速旋转的湍流对流中，流体体积由科里奥利、惯性和浮力之间的三重力平衡控制，而耗散的其余部分可以归因于埃克曼层中的粘性摩擦。超过$Ra \simeq E^{-8/5}$，对流流动的旋转约束逐渐失去，流动特性发生变化，以匹配旋转主导和非旋转对流之间的状态变化。量$Ra E^{12/7}$为分离旋转和非旋转对流提供了精确的过渡参数。
2016-10-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
