Eigenvalue bounds for compressible stratified magneto-shear flows varying in two transverse directions
本文导出了基速度、密度和磁场沿两个方向变化的理想可压缩分层磁流体剪切流不稳定性的三个特征值界。第一界可以通过结合霍华德半圆定理和拉格朗日位移的能量原理得到。值得注意的是，不需要特殊的条件来使用这个界限，并且对于某些情况，我们可以建立流的稳定性。第二和第三边界来自Miles-Howard理论的概括，并且与Kochar & Jain的半椭圆定理（J. Fluid Mech.，vol.91，1979，489）和由Cally发现的边界（Astrophys.流体动力学，Vol.31，1983，43）。这项研究的一个重要副产品是，迈尔斯-霍华德稳定性条件仅在没有外加磁场时成立，此外，剪切和分层的方向在任何地方都是一致的。
2021-05-22 physics.flu-dyn
Characteristics of stratified flows of Newtonian/non-Newtonian shear-thinning fluids
本文给出了剪切变稀流体在水平和倾斜槽道中层流分层流动的精确解。本文提出了一种计算Carreau非牛顿流体层流解的迭代算法。精确解用于研究剪切稀化液体的流变性对气/液和液/液两相流特性的影响。研究并流和逆流倾斜系统，包括多解边界的映射。与实际应用有关的方面进行了讨论，如原位滞留，或通过添加一个较低的粘性相实现的润滑效果。这类系统的一个特征是，即使液体具有复杂的流变学（Carreau流体），两相分层流也可以表现为液体在宽范围的操作条件下是牛顿流体。的两种流体模型产生令人满意的预测剪切稀化液体的存在下的能力进行了测试，并提出了一种算法，以先验预测牛顿（零剪切速率粘度）的行为出现在一个给定的操作条件下，以避免大的错误时，幂律被认为是建模的剪切稀化行为的流动特性的预测。两个流体模型封闭隐含的精确解和湍流气体层的影响也得到了解决。
2017-04-26 physics.flu-dyn
Experimental properties of continuously-forced, shear-driven, stratified turbulence. Part 2. Energetics, anisotropy, parameterisation
在第二部分中，我们进一步研究了分层倾斜管道（SID）中的两层交换流的实验特性，这是湍流的，强分层的，剪切驱动的，和连续强迫的。我们使用与第1部分中相同的核心剪切层方法分析相同的最先进的数据集，但我们在这里关注湍流能量学和混合统计。动能和标量能量预算的详细分析揭示了SID湍流的特异性和缩放，而能量谱提供了我们的实验数据的电流强度和局限性的洞察。流动在不同尺度下的各向异性表征了湍流动能的产生和Holmboe波和湍流的耗散机制。然后，我们评估标准的混合parameterisations模型依赖于均匀的涡流扩散系数，混合长度，通量参数，浮力雷诺数或湍流弗劳德数，我们比较有代表性的值与分层混合文献。这些措施的可控流动参数的混合的依赖性也阐明，提供渐近估计，可以外推到更强烈的湍流，量化的产品的倾斜角的管道和雷诺数。这些见解可以作为未来一代的实验数据的基准，具有优越的时空分辨率，需要探测日益激烈的湍流。
2021-03-16 physics.flu-dyn
Stability of stratified two-phase channel flows of Newtonian/non-Newtonian shear-thinning fluids
研究了剪切变稀流体水平和倾斜分层槽道流在全波长扰动下的线性稳定性。Carreau模型已被选择用于剪切稀化流体的流变学建模，因为其能够适当地描述在低剪切速率和高剪切速率下的恒定粘度极限（牛顿行为）。结果以稳定边界的形式在流型图（以相的表观速度为坐标）上给出了几个实际上重要的气-液和液-液系统。的稳定性地图是伴随着空间配置文件的临界扰动，以及在非牛顿层的有效和切线粘度的分布，以显示剪切稀化液体的复杂流变行为的影响，负责触发不稳定的机制。由于所考虑的问题的复杂性，提出了一种工作方法，以减轻搜索的稳定性边界。所提出的方法的实施有助于揭示，在许多情况下，对更简单的牛顿问题的研究足以预测光滑分层流的精确（非牛顿）稳定性边界（即，在水平气液流情况下）。因此，从牛顿流体的稳定性分析中获得的知识适用于那些（通常是高粘度的）非牛顿系统。由于高粘性牛顿液体分层流的稳定性在文献中还没有研究，有趣的发现，粘度的影响也得到了。
2017-06-28 physics.flu-dyn
Localized layers of turbulence in stratified horizontally sheared Poiseuille flow
本文通过直接数值模拟研究水平剪切泊肃叶流中垂直分层流动的非线性不稳定性，揭示谐波共振导致的二次分岔与对称性破缺，并发现远离阈值时流动呈现间歇性爆发，形成局域化分层湍流层与静止波区共存的动力学特征。
2022-12-13 physics.flu-dyn
Symmetrization and asymptotic stability in non-homogeneous fluids around stratified shear flows
本文综述了稳定分层流体中剪切流渐近稳定性理论的最新进展，重点介绍了具有鲁棒性和广泛适用性的新方法。
2023-09-22 math.AP physics.flu-dyn
A wave interaction approach to studying non-modal homogeneous and stratified shear instabilities
Holmboe（1962）假设，在理想化（折线剖面）、均匀或密度分层的无粘剪切层中，两个或多个渐进线性界面波之间的共振相互作用产生指数增长的不稳定性。在本文中，我们推广了Holmboe的线性剪切不稳定性的机制图片（i）最初没有指定波的类型，（ii）通过提供非正常增长的选项。我们提出了一个纯粹的运动学模型，由两个线性的，多普勒频移，渐进的界面波在相反的方向移动，线性剪切不稳定性背后的机制。此外，我们已经找到了一个必要和充分（N&S）的条件存在的指数增长的不稳定性在理想化的剪切流。这两个界面波，从任意初始条件开始，最终锁相和共振（指数增长），提供了N&S条件得到满足。在达到稳定状态之前发生的不稳定机制是非模态的，有利于快速瞬态增长。我们的波相互作用模型的理论基础类似于两个耦合谐振子之间的同步。我们提出的模型是用来研究三个著名的类型的剪切不稳定性-瑞利/开尔文-亥姆霍兹，Holmboe和泰勒-考菲尔德。我们表明，N&S条件为每种不稳定类型提供了一系列不稳定波数，并且该范围与基于规范正模的线性稳定性理论的预测相匹配。
2014-06-30 physics.flu-dyn
Experimental properties of continuously-forced, shear-driven, stratified turbulence. Part 1. Mean flows, self-organisation, turbulent fractions
我们研究了分层倾斜管道（SID）中的交换流的实验性质，这些交换流同时是湍流的，由平均垂直密度梯度强烈分层的，由平均垂直剪切驱动的，并且连续地由重力强迫。我们专注于核心剪切层远离管道壁，这些流量是优秀的实验可实现的近似规范双曲正切分层剪切层，其迫使允许平均和湍流特性达到准稳态。我们分析了国家的最先进的数据集的时间分辨密度和速度在三维子体积的管道在16个实验，涵盖了一系列的流态（霍姆波，间歇性湍流，全湍流）。在第1部分中，我们首先揭示了多维参数空间（雷诺数，体理查森数，速度密度层厚度比）中的允许区域，以及它们与实验可控参数的联系。哈罗德平均余额，然后揭示了微妙的动量强迫和耗散机制，在每一层中，扩大或锐化的密度接口，以及这些流量的流向非周期性的重要性。平均流量表明自相似的速度和密度分布的趋势，增加湍流，梯度理查森数统计支持以前的内部混合理论的平衡理查森数，边际稳定性和自组织临界。湍流体积分数拟能和翻转阈值的基础上量化不同制度之间的湍流的性质，同时突出了在时空间歇性流动中获得代表性统计数据的挑战。这些见解可能会刺激和协助发展的数值模拟与更高程度的实验现实主义。
2021-03-16 physics.flu-dyn
Layer formation in horizontally forced stratified turbulence: connecting exact coherent structures to linear instabilities
我们认为湍流分层的“Kolmogorov”流，驱动水平剪切的正弦体强迫的形式中存在一个强加的背景线性稳定分层在第三个方向。这种流动结构允许对相干结构的形成进行受控调查，相干结构在这里通过随着分层强度的增加而使背景切变倾斜来将流动组织成水平层。通过数值收敛精确的稳定状态从直接数值模拟的混沌流，我们表明，第一次，一个强大的连接线性理论预测不稳定性从无穷小扰动的强大的有限振幅非线性分层状态中观察到的湍流。我们调查所观察到的垂直长度尺度是如何与主要的线性不稳定性，并与先前考虑的剪切不稳定性导致在其他水平剪切流层形成的例子进行比较。
2017-09-11 physics.flu-dyn
On the inertial effects of density variation in stratified shear flows
在本文中，我们首先回顾了著名的Boussinesq近似在分层流。使用标度参数，我们表明，当背景剪切是弱的，Boussinesq近似产生（i）$A_t\ll \mathcal{O}(1)$或（ii）$Fr_c^2 \ll \mathcal{O}(1)$，其中$A_t$是密度变化的平均密度和$Fr_c$是相速度与长波速度的比率。第二个子句意味着，与通常接受的概念相反，具有大密度变化的流动也可以是Boussinesq的。事实上，我们表明，深水表面重力波是Boussinesq，而浅水表面重力波不是。然而，在中等/强剪切的存在下，Boussinesq近似意味着常规接受的$A_t\ll \mathcal{O}(1)$。为了了解密度变化的惯性效应，我们的第二个目标是探索各种非Boussinesq剪切流，并研究不同类型的稳定传播波，可以存在于不同背景密度和涡度的两种流体之间的界面。此外，三种类型的密度界面-中性，稳定和不稳定-嵌入在背景剪切层，进行了研究。从这些配置，其中包括开尔文-亥姆霍兹，Holmboe，瑞利-泰勒和三角喷流，随之而来的不稳定性进行了研究的共振波相互作用。密度分层和剪切的稳定性，这些流动配置的影响进行了探讨。某些结果，如密度分层的失稳作用、剪切的稳定作用等，显然是违反直觉的，但如果从波相互作用的角度来解释不稳定性，则是可能的物理解释。
2018-12-01 physics.flu-dyn
Linear inviscid damping for shear flows near Couette in the 2D stably stratified regime
研究了一类二维不可压缩稳定分层流体库埃特流附近剪切线的线性稳定性。我们的主要结果包括近最佳的衰减率的扰动的定态的速度是单调的剪切流$(U(y),0)$，并有一个指数密度分布。在库埃特流$U(y)=y$的情况下，我们恢复率预测哈特曼在1975年，通过采用显式逐点的方法在频率空间。作为一个副产品，这意味着最佳的衰减率，以及在$L^2$的涡量的李雅普诺夫不稳定性。对于库埃特附近更一般的剪切流的以前未探索的情况下，无粘阻尼结果遵循加权能量估计。关于稳定层结区的每个结果也适用于Boussinesq方程。值得注意的是，我们的研究结果举行下著名的迈尔斯-霍华德标准分层流体。
2021-01-06 math.AP physics.flu-dyn
Lagrangian and Eulerian accelerations in turbulent stratified shear flows
采用直接数值模拟的方法研究了均匀剪切湍流和均匀稳定层结中流体质点的拉格朗日（LA）和欧拉加速度（EA）特性。Richardson数从对应于非分层剪切流的$Ri=0$变化到对应于强分层剪切流的$Ri=1$。LA和EA的概率密度函数（pdf）都具有拉伸指数形状，并且它们对Richardson数具有强烈且相似的影响。EA的极值比LA观察到的极值更强。几何统计学解释说，由于欧拉和对流加速度的相互抵消，EA的幅度大于其拉格朗日对应物，因为这两个矢量在统计上显示出反平行的偏好。一个基于小波的尺度相关分解的LA和EA进行。对于较小尺度的湍流运动，加速度pdf的尾部变得更重。因此，平坦度随着尺度的减小而增加，这表明在较小尺度下具有更强的不稳定性。LA和EA的联合PDF表明，随着理查森数的增加，在更大尺度的湍流运动的趋势更强的相关性。对纳维-斯托克斯方程中各项的考虑表明，LA主要由压力梯度项决定，而EA主要由非线性对流项决定。
2021-07-21 physics.flu-dyn
Anisotropy of emergent large-scale dynamics in forced stratified shear flows
Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics（应用数学与理论物理系）；University of Cambridge（剑桥大学）
研究揭示了强迫层化剪切流中大尺度动力学的各向异性，通过数值模拟发现剪切层半深度收敛至有限值，并观察到大尺度流结构的形成。
2025-10-28 physics.flu-dyn
Sensitivity of vortex pairing and mixing to initial perturbations in stratified shear flows
采用直接数值模拟（DNS）方法，研究了不同初始扰动对Kelvin-Helmholtz不稳定性和涡对作用下剪切层流演化的影响。背景流的纯随机扰动的影响对扰动的次谐波分量的相位敏感，该扰动的波长是开尔文-亥姆霍兹不稳定性的波长的两倍。如果Kelvin-Helmholtz模和它的次谐波模之间的相位关系是最佳的，或者接近最佳，则发生涡旋配对。当存在相位差时，涡配对被延迟，并且该延迟随着相位差的增加而增加。在三维模拟中，如果相位差足够大，则涡旋配对被抑制，从而降低混合量和混合效率。对于一个足够接近最佳相位的给定相位差，流动对特征值扰动的响应与对随机扰动的响应非常相似。除了传统的诊断，我们定量地表明，在一个随机扰动的非模态傅立叶分量迅速演变为模态和描述的过程中使用拉格朗日轨迹的涡配对。
2018-11-27 physics.flu-dyn
Sheared stratified turbulence driven by Kolmogorov flow
Institute of Atmospheric Sciences and Climate, National Research Council（大气科学与气候研究所，国家研究委员会）
研究由Kolmogorov流驱动的分层湍流，发现高分层导致稳定界面促进层流化，同时混合层中湍流持续并遵循幂律关系。
2025-12-15 physics.flu-dyn
Resonant triad interactions in stably-stratified uniform shear flow
我们研究精确和近共振三重相互作用（RTI）在一个二维稳定分层均匀剪切流限制在两个无限平行的墙壁之间的粘性和扩散效应的情况下。当三个相互作用的波满足$k_1 \pm k_2 = k_3$和$ω_1 \pm ω_2 = ω_3$形式的共振条件时，RTI发生，其中$k_i$和$ω_i$分别是第i个波（$i \in {1,2,3}$）的波数和频率。线性稳定性问题的解析解，它给出了修改的贝塞尔函数的形式的特征函数。它被确定为具有相同的频率$ω$，但不同的波数$k_m$和$k_n$的两个主要模式之间的相互作用产生两个不同的二次模式：一个时间相关的（超谐波）模式具有频率$2ω$和波数$k_m +k_n$，和其他时间无关的（亚谐波）模式与$ω= 0$和波数$k_m - k_n$。控制超谐波模的空间振幅的微分方程的数值求解以及解析使用的方法的参数变化。结果表明，与超简谐模微分方程相关联的线性算子与线性稳定性算子相同，且微分方程的可解性条件与RTI的存在性相关联.色散关系所预言的共振三波相互作用的存在，通过显示超谐波模的空间振幅的发散来证明。在稳定分层剪切流中的波相互作用的各种情况下进行了分析，在存在一个谐振三和弦的各种频率和线性分层。
2021-09-02 physics.flu-dyn
On the internal gravity waves in the stratified ocean with shear flows
本文考虑了描述剪切流分层海洋中重力波动力学的一个基本问题。我们发展的渐近表示的波场的格林函数。我们探讨了由扰动源产生的内重力波的远场，并提出了计算其动力学的渐近算法。
2013-08-16 math-ph math.MP physics.ao-ph
Effect of free surface on submerged stratified shear instabilities
在这里，我们考虑了区域的浅度以及空气-水自由表面对下面流体的分层剪切不稳定性的影响。首先，我们数值求解非Boussinesq泰勒-戈尔茨坦方程光滑的速度和密度分布的模型剪切层与自由表面。当流体的深度与剪切层厚度相比相对较浅时，存在于自由表面处的表面重力波更接近存在于剪切层中的波。这可能导致共振波相互作用，使流动不稳定到更多种类的模态不稳定性。为了更深入地了解不稳定机制，我们进行了分析研究与折线配置文件。此外，还开发了降阶折线轮廓，基于其构建色散图。通过这些图，我们已经证实了导致每种不稳定性的共振相互作用波。已经发现了两种新的不稳定性，其中之一，被称为表面重力-界面重力（SG-IG）模式，由于表面重力波和界面重力波之间的相互作用而产生，如果没有内部密度分层，则不存在。另一种模式--地面重力-低涡（SG-LV）模式是由于地面重力波与低涡波相互作用而产生的，它超过Kelvin-Helmholtz不稳定性成为最不稳定的模式。除了Holmboe不稳定性，观察到显着的差异，在所有其他不稳定性发生在浅域时，空气-水界面被替换为一个刚性盖。我们推断，刚性盖近似是有效的大垂直域。我们还表明，如果剪切是在自由表面缺席，我们的问题可以使用Boussinesq型近似建模。
2018-03-20 physics.flu-dyn
Short-wavelength secondary instabilities in homogeneous and stably stratified shear flows
我们提出了一个数值研究三维，短波长的线性不稳定性的Kelvin-Helmholtz（KH）涡在均匀和分层的环境。使用二维数值模拟产生的基流的特征在于基于初始一维速度和浮力剖面定义的雷诺数和理查森数。局部稳定性方程，然后解决封闭的流线在涡基流，这是假定准定常。对于非层结的情况下，椭圆形不稳定性的涡核占主导地位，在被接管的涡边缘的双曲线不稳定性。对于分层的情况下，早期的不稳定性包括一个占主导地位的椭圆形不稳定性的核心和双曲线不稳定性的强烈影响的分层在涡边缘。在中间时间，当地的方法显示了一个新的分支的不稳定性（对流分支），出现在涡核，随后向涡边缘移动。更多的对流不稳定分支出现在涡核处并远离，然后在大部分时间合并形成涡外围内最不稳定的区域。从本地的方法的主导不稳定性特征被证明是在良好的定性一致性与结果从全球不稳定性研究均质和分层的情况下。分区分析，然后用来阐明剪切和分层上确定的不稳定性的作用。浮力的作用被证明是至关重要的主要KH不稳定饱和后，与占主导地位的对流不稳定发生在最强的静态不稳定分层的区域。最后，我们强调了潜在的洞察力的作用，当地的方法可以提供在其他流量的二次不稳定性的理解。
2018-02-14 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
Nonlinear interactions between an unstably stratified shear flow and a phase boundary
采用高分辨数值模拟方法研究了Péclet（$Pe \in \left[0, 50\right]$）和Rayleigh（$Ra \in \left[2.15 \times 10^3, 10^6\right]$）数为中等值时，Rayleigh-Bénard-Poiffille流动在演化相边界上的流动.平均剪切力和浮力的相对影响使用整体Richardson数：$Ri_b = Ra \cdot Pr/Pe^2 \in [8.6 \times 10^{-1}, 10^4]$进行量化，其中$Pr$是普朗特数。对于$Ri_b = \mathcal{O}(1)$，我们发现，Poiffille流抑制对流运动，导致热传输是由于传导;和，对于$Ri_b \gg 1$的流动特性和热传输密切对应于纯对流的情况。我们还发现，对于某些$Ra$和$Pe$，如$Ri_b \in \left[15,95\right]$，有一个模式的对流单体与一个优选的纵横比的竞争。此外，我们发现在固-液界面上的行波时，$Pe \neq 0$，在定性协议与其他剪切对流在吉尔平\emph{et al.}的实验（\emph{J. Fluid Mech} { \bf 99}（3），第。619-640，1980）和Toppaladoddi和Wettlaufer的线性稳定性分析（\emph{J. Fluid Mech.} { \bf 868}，…
2021-01-19 physics.flu-dyn
Stably stratified exact coherent structures in shear flow: the effect of Prandtl number
我们研究如何已知的不稳定平衡的Navier-Stokes方程在平面Couette流适应的存在下，施加稳定的密度差的两个边界之间的普朗特数$Pr$的变化值，粘度密度扩散率的比率，和固定的中等雷诺数，$Re=400$。在两个渐近极限$Pr \to 0$和$Pr \to \infty$，它被发现，这样的解决方案存在于任意高的散装分层，但不同的物理原因。在$Pr \to 0$极限中，由于密度扩散超过平流，远离恒定稳定密度梯度的密度变化变得非常小，允许平衡存在于体Richardson数$Ri_b \lesssim O(Re^{-2}Pr^{-1})$中。或者，在高普朗特数，密度变得均匀化的内部占主导地位的平流，创建强烈稳定的分层边界层，后退到墙上的$Pr\to\infty$。在这种情况下，密度分层和流动基本上解耦，从而减轻增加$Ri_b$的影响。渐近分析中的被动标量制度$Ri_b \lesssim O(Re^{-2})$，揭示了$O(Pr^{-1/3})$厚分层边界层与$O(Pr^{-2/9})$全爆发，引起密度手指的$O(Pr^{-1/9})$长度和$O(Pr^{-4/9})$宽度，侵入一个均匀的内部。最后，增加$Re$到$10^5$在这个制度表明，内部稳定分层密度层可以形成远离边界，分离良好的混合区域。
2019-04-09 physics.flu-dyn
Dynamic Transitions and Baroclinic Instability for 3D Continuously Stratified Boussinesq Flows
本文的主要目的是研究三维连续分层旋转Boussinesq模型的基本（带状）剪切流的非线性稳定性和动力学转变。模式方程是地球物理流体动力学的基本方程，其基本的纬向切变流对理解许多重要的地球物理流体动力学过程，如纬向翻转海洋环流和地球物理斜压不稳定性起着至关重要的作用。本文首先导出了基本剪切流的能量稳定性阈值，并根据临界水平波数和系统参数（如Froude数、Rossby数、Prandtl数和剪切流强度）得到了非线性稳定性判据。接下来，我们证明了系统总是经历一个动态的过渡，从基本的剪切流的时空振荡模式或圆的稳定状态，作为剪切强度$Λ$的基本流跨越一个临界阈值$Λ_c$。此外，我们表明，动态过渡可以是连续的或灾难性的，是由一个过渡参数$A$的符号，充分表征不同模式的非线性相互作用。系统的数值方法进行了探索在不同的流动参数区的过渡。我们发现，该系统只允许临界本征模与水平波指数$(0,m_y)$。这种模式水平地具有由与x轴对齐的$m_y$辊组成的图案。此外，在数值上，我们遇到了连续过渡到多个稳定状态，连续和灾难性的时空振荡过渡。
2018-01-26 physics.flu-dyn
Analysis of scale-dependent kinetic and potential energy in sheared, stably stratified turbulence
采用滤波方法分析了剪切稳定分层湍流中不同尺度$\ell$下的湍流动能和湍流位能收支。在流动中的竞争效应被认为是，随着尺度之间的能量通量的物理机制，和预算被用来分析数据从直接数值模拟（DNS）在浮力雷诺数$Re_b=O(100)$。在大尺度下，平均TKE超过TPE一个数量级，差异随着$\ell$的减小而减小。在更大的尺度上，从未观察到浮力是正的，浮力总是将TKE转换为TPE。随着$\ell$的减小，局部对流区域的概率增加，尽管在低至Ozmidov尺度的尺度下它仍然很小。尺度之间的TKE和TPE通量都是尺度下的平均值和它们的瞬时值是正相关的，但不是强烈的，这是由于不同的物理机制，这些通量。此外，这些通量所产生的子网格领域的贡献被证明是显着的，除了过滤规模的贡献与应变自放大，涡拉伸，和密度梯度放大的过程。概率密度函数（PDF）的$Q,R$不变的过滤速度梯度被认为是。与各向同性湍流不同，随着$\ell$的增加，PDF的剪滴形状消失，PDF变得关于$R=0$对称，这意味着涡旋拉伸和压缩区域以及应变放大或抑制区域变得等概率。
2021-10-19 physics.flu-dyn
Regime transitions in stratified shear flows: the link between horizontal and inclined ducts
我们提出了解析解的二维速度场和密度场的近似层流分层倾斜管道（SID）的流动，扩散占主导地位的惯性在沿通道的动量方程，但它是可以忽略不计的密度输运方程。我们把这种近似称为流体静力学/重力/粘性动量和平流密度（HGV-A）近似，由于在控制方程的领先平衡。该解析解适用于长管道限制下的双层结构中的层流。在这种条件下，无量纲体积通量由弗劳德数$Fr^* =Re_g/(A\,K)$给出，其中$Re_g$为重力雷诺数，$A$为管道的纵横比，$K$为取决于管道倾斜度的几何参数，并从分析解中获得。HGV-A近似的解析解验证了实验室实验的结果，并使我们能够获得新的洞察SID流的动力学和属性。最重要的是，$Fr^*$的恒定值描述了在水平和倾斜管道中逐渐增加的湍流状态之间的过渡：从层流到界面波，再到间歇湍流和持续湍流。
2022-09-14 physics.flu-dyn
Self-Replicating Three-Dimensional Vortices in Neutrally-Stable Stratified Rotating Shear Flows
一个以前未知的不稳定性创建空间填充晶格的三维涡在线性稳定，旋转，分层剪切流。不稳定性从一个易激发的临界层开始。该层通过从背景剪切中汲取能量而增强，并卷起成涡流，从而激发新的临界层和涡流。涡流自相似地复制以产生湍流涡流的晶格。漩涡会一直持续下去。这种自我复制发生在分层的库埃特流和原行星盘的死区，在那里它可以去稳定开普勒流。
2013-06-17 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Two pathways to diapycnal mixing in strongly stratified flows with no initial vertical shear
Department of Applied Mathematics, Baskin School of Engineering, University of California Santa Cruz（加州大学圣克鲁兹分校巴斯金工程学院应用数学系）
研究无初始垂直剪切的强分层流中湍流的两条路径：一条通过水平剪切不稳定的垂直调制模态产生垂直剪切，进而触发开尔文-亥姆霍兹不稳定性；另一条通过垂直不变模态演化出二维涡旋，再经三维双曲不稳定性产生垂直剪切，最终导致小尺度混合。
2026-06-12 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Regime transitions and energetics of sustained stratified shear flows
本研究探讨了持续分层剪切流的长期动力学，通过 SID 实验揭示了倾角 $θ$ 和 Reynolds 数 $Re$ 导致的四种流动形态，并基于 360 次实验与能量收支分析提出了与经验高度吻合的形态转变标度律。
2019-01-22 physics.flu-dyn
The linear instability of the stratified plane Couette flow
本文研究了在垂直于水平剪切方向上稳定分层的平面Couette流的稳定性。这种流动的兴趣来自地球物理和天体物理的应用背景剪切和垂直稳定分层通常共存。我们执行的线性稳定性分析的流在一个区域，这是周期性的流向和垂直方向和限制在横流方向。稳定性图被构造为雷诺数Re和弗劳德数Fr的函数，比较剪切和分层的重要性。我们发现，流动变得不稳定时，剪切和分层是相同的顺序（即Fr $\sim$ 1）和以上的雷诺数Re $\gtrsim$ 700的中等值。不稳定性的结果从共振机制已经知道在渠道流动的背景下，例如在浅水近似的非分层平面Couette流。结果证实了完全非线性直接数值模拟，并尽我们所知，构成了第一个证据的线性不稳定的垂直分层平面Couette流。我们还报告了一个实验室流的研究所产生的透明带夹带的两个垂直的圆柱体，并沉浸在一个充满盐水线性分层密度的坦克。我们观察到一个强大的时空模式的出现，接近由线性分析表示的Fr和Re的阈值，并探索可访问的稳定图的一部分。在数值模拟的支持下，我们得出结论，所观察到的图案是由线性理论预测的相同的不稳定性的签名，虽然略有修改，由于流向限制。
2017-11-30 physics.flu-dyn
Topology of rotating stratified fluids with and without background shear flow
本文研究背景正弦剪切流对旋转浅水方程和连续分层原始方程拓扑的影响，证明庞加莱波相位奇点在剪切下依然存在，从而解释了赤道 Kelvin 波和 Yanai 波在剪切流中的持续存在。
2023-07-19 cond-mat.mes-hall physics.ao-ph physics.flu-dyn
Stratified shear flow instabilities in the non-Boussinesq regime
斜压扭矩对波传播的影响通常被忽略的Boussinesq近似下，在这里进行了研究，特别关注的相关后果的剪切不稳定性所产生的一对涡传播波之间的相互作用的机械解释。为了说明和阐明修改波传播的物理效应，我们考虑三个例子的复杂性增加：波传播支持的均匀背景流;波传播支持的分段线性基本状态具有一个跳跃;和不稳定问题的分段线性基本状态具有两个跳跃，这支持剪切不稳定的可能性。我们发现，非Boussinesq效应引入了一个偏好的波的传播方向，这取决于该地区的剪切波的支持的符号。这反过来又会影响波的锁相，这对剪切不稳定性的机械解释至关重要，并且在这里被认为具有内在的稳定趋势。
2015-07-22 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Energy transfer, Intermittency and Mixing in Shear-Driven Stratified Turbulence
Indian Institute of Technology Kharagpur（印度理工学院卡拉格普尔分校）
通过直接数值模拟研究不同弗劳德数下分层剪切湍流的能量传递、间歇性和混合，发现中间分层区间出现垂直剪切水平流并增强混合，能谱正向传递为主，强分层增强间歇性，混合系数约为0.1。
2026-07-03 nlin.CD physics.flu-dyn
Variational Mode Decomposition for estimating critical reflected internal wave in stratified fluid
内波反射产生的剪切在海洋条件下沉积物的输运和再悬浮中起着至关重要的作用。特别地，当这些波经历\textit{critical reflection}现象时，反射波可以产生非常大的剪切。将反射波与入射波分离是一项技术挑战，因为这两种波共享相同的时间频率。在我们的研究中，我们提供了一系列的实验测量的内波在\textit{critical reflection}配置，我们分析了它们使用2D-VMD-prox分解方法。这种分解方法适用于专门分解波的内波临界反射，显示其性能的改善，相对于先前存在的内波分解方法。能够自信地隔离反射波使我们能够将我们的结果与临界反射的粘性和非线性模型进行比较，该模型正确地描述了边界中产生的剪切速率作为实验参数的函数的依赖性。
2020-12-13 physics.flu-dyn
On physical optics approximation of viscous stratified shear flows
针对含湍流粘性涡系数的分层剪切平均流扰动问题，推导了仅考虑水平粘性的修正四阶Taylor-Goldstein方程，用WKB方法给出其缓变条件下的几何与物理光学近似，分析了渐近解在奇异值附近的行为。
2021-03-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
The viscous Holmboe instability for smooth shear and density profiles
Holmboe波不稳定性是分层剪切不稳定性的经典例子之一，通常被解释为重力波和涡度波之间的共振的结果。历史上，通过无限雷诺数下的线性稳定性分析（$Re$）和在已知无粘线性稳定性结果不稳定的区域中相对较低的$Re$下的直接数值模拟对其进行了研究。在本文中，我们进行线性稳定性分析的经典的“黑兹尔模型”的分层剪切层（其中的背景速度和密度分布被假定为具有不同的特征垂直尺度的双曲正切函数形式）在一系列不同的参数在有限的$Re$，发现新的不稳定区域的参数空间。特别是，我们发现不稳定时，理查森数是处处大于$1/4$，在那里的流量将是稳定的无限$Re$的迈尔斯-霍华德定理。我们发现不稳定的模式，没有临界层，并表明，尽管新的不稳定的粘度的必要性，相对于扩散的背景配置文件的增长率最大化在大$Re$。我们用这些结果来阐明分层剪切不稳定的波共振和过度反射的解释。我们认为Holmboe不稳定的定义，其特征在于通过传播的涡流以上或以下的剪切层，而不是任何参考尖锐的密度接口。
2019-11-22 physics.flu-dyn
Instability of tilted shear flow in a strongly stratified and viscous medium
本文对低雷诺数下强分层流体中倾斜平行尾迹进行了线性稳定性分析。本研究的一个特别重点是对最近实验观察到的低弗劳德数模式的理解（Meunier，J. Fluid Mech.，第699卷，2012年，pp. 174-197）。在低Froude数的限制下，线性化的运动方程可以简化为水平面上的Orr-Sommerfeld方程，除了包含垂向耗散的粘性项。基于该方程，提出了低弗劳德数模态是一种水平屈曲不稳定性，在小倾角时应保持二维。为了支持这一主张，渐近制度，这个方程将是严格有效的，随后讨论了有关以前的参数在适当的垂直长度尺度。此外，对平行尾迹的绝对和对流不稳定性进行了分析，定性地与实验结果吻合较好。低弗劳德数模式被发现是稳定的弗劳德数增加，在实验中。在有限弗劳德数下出现的小垂向流速，其大小与弗劳德数的平方成正比，在稳定中起着关键作用。它修改了弯曲的不稳定性，也与矛盾的稳定浮力增加弗劳德数。最后，我们提出了底流在倾斜角变化时的一些可能的行为，它们可以提供一个更好的近似，以产生与实验一致的行为。
2019-09-25 physics.flu-dyn
Turbulent transport in a strongly stratified forced shear layer with thermal diffusion
这项工作提出了数值计算结果的热量和化学物质的运输剪切诱导湍流强烈分层，但热扩散的环境。在这种状态下驱动的剪切不稳定性有时被称为“长期”剪切不稳定性，即使当流动的梯度理查森数（浮力频率与剪切速率之比的平方）很大时，只要佩克莱数（热扩散时间尺度与湍流涡旋的周转时间尺度之比）很小，也会发生剪切不稳定性。我们已经确定了一组简单的标准来确定这些不稳定性是否会发生。一般来说，我们发现，只要流体的热扩散率非常大（通常大于$10^{14}$ cm $^2$ /s），它们就可能是相关的，例如在大质量恒星（$M\ge 10 M_\odot$）的外层就是这种情况。使用一个简单的模型设置，其中剪切力是被迫由空间正弦，恒定振幅的体力，我们已经确定了几个制度，从有效的非分层非常强烈分层，每个都有自己的一套动力学特性。除非系统处于两个极端的政权之一（有效非分层或完全稳定），然而，我们发现（1）只有大约10%的输入功率用于热传输，而其余90%是粘性耗散的;（2）Zahn（1992）的模型很好地近似了有效组分混合系数，其中$D \simeq 0.02 κ_T /J$是热扩散率，$J$是梯度理查森数。然而，这些结果需要通过不同模型设置和更高有效雷诺数下的模拟来确认。
2015-12-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The dynamics of stratified horizontal shear flows at low Péclet number
我们考虑一个垂直分层，水平强迫Kolmogorov流的动力学。天体物理系统的普朗特数往往是渐近小的启发，我们的重点是很少研究的限制高雷诺数，但低Péclet数（定义为雷诺数和普朗特数的产品）。通过线性稳定性分析，我们证明了二维模式对无穷小扰动的稳定性与分层无关，而三维模式在强分层和强热扩散的极限下总是不稳定的。随后的非线性演化和过渡到湍流的数值研究使用直接数值模拟。对于足够大的雷诺数，四个不同的动力学制度自然出现，这取决于背景分层的强度。通过考虑占主导地位的平衡的控制方程，我们推导出每个政权的比例律解释的数值数据。
2020-10-26 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Vertically Sheared Horizontal Flow-Forming Instability in Stratified Turbulence: Analytical Linear Stability Analysis of Statistical State Dynamics Equilibria
在弱或非旋转的层结湍流中经常观察到垂直带状的纬向急流，赤道平流层的准两年振荡和海洋的赤道深急流就是两个例子。解释分层湍流中射流的形成是地球物理流体动力学的一个基本问题。统计状态动力学（SSD）提供了强大的方法来分析湍流系统表现出紧急组织，如带状射流。在SSD中，动力学方程被直接写入湍流统计的演变，使得能够直接分析湍流的非相干分量和作为射流形成基础的相干大尺度结构分量之间的统计相互作用。SSD的二阶闭合，称为S3 T，以前已被应用于显示，在正压β-平面湍流中出现的带状射流通过统计不稳定性，被称为纬向不稳定。二维Boussinesq湍流提供了一个简单的非旋转分层湍流模型，类似于行星湍流的β平面模型。被称为垂直剪切水平流（VSHF）的射流经常出现在Boussinesq湍流的模拟中，但其动力学尚未被清楚地理解。在这项工作中，S3 T分析的纬向不稳定性扩展到研究VSHF出现在二维Boussinesq湍流使用的解析公式S3 T服从扰动稳定性分析。VSHF的形成是通过一个不稳定性，这是类似于在分层湍流的纬向不稳定性β-平面湍流。这种不稳定性被证明是惊人的相似的zonostrophic不稳定性，这表明，射流出现在地转和非旋转分层湍流可以被理解为相同的通用现象的实例。
2018-07-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Long ring waves in a stratified fluid over a shear flow
由卫星观测记录的海浪通常具有曲线形的锋面，并在不同的海流上传播。在本文中，我们研究了分层流体中存在与深度相关的水平剪切流时的长线性和弱非线性环形波。它表明，尽管冲突的几何形状的波和剪切流，存在一个线性模态分解（不同于已知的分解在笛卡尔几何），它可以用来描述扭曲的波前的表面和内部波，并系统地推导出2+1维圆柱Korteweg-de Vries型方程的振幅。一般的理论适用于两层流体中的波的情况下，分段恒定电流，强调剪切流的影响的波前的几何形状。波前的畸变由非线性一阶微分方程的奇异解（一般解的包络）描述，构成在此曲线几何中的色散关系的概括。在同一剪切流中传播的表面波和界面波的波前形状存在着显著的差异。
2015-10-30 nlin.PS physics.ao-ph physics.flu-dyn
Stratified shear flow instabilities at large Richardson numbers
在Boussinesq极限下对二维分层剪切流不稳定性进行了数值模拟。密度变化长度尺度被选择为比速度变化长度尺度小四倍，使得Holmboe或Kelvin-Helmholtz不稳定模式取决于全局Richardson数Ri的选择而存在。研究了三种不同的Ri值，Ri =0.2、2、20。三个被测值的流动都是不稳定的，这是由于不同的模式，即：Kelvin-Helmholtz模式（Ri=0.2），第一Holmboe模式（Ri=2），和第二Holmboe模式（Ri=20）最近发现的，这是第一次在非线性阶段进行检查。结果表明，在非线性阶段，第二Holmboe模式的速度扰动幅度较小，但与第一Holmboe模式相当。然而，由于第二Holmboe模式的势能的增加大于第一模式。Kelvin-Helmholtz模式的动能比Holmboe模式大两个数量级，势能比Holmboe模式大大约十倍。本文的结果表明，尽管在大Richardson数下混合被抑制，但它是不可忽略的，并且不能排除强层结环境中的湍流混合过程。
2009-01-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
The stability of stratified spatially periodic shear flows at low Péclet number
这项工作解决的问题，分层，空间周期性剪切流在低Péclet数，但高雷诺数的稳定性。这个很少被研究的极限是由天体物理系统激发的，在天体物理系统中，普朗特数通常很小。此外，它可以使用Lignieres提出的一组简化的“低Péclet数方程”来研究[Astronomy & Astrophysics，348，933-939，1999]。通过线性稳定性分析，我们首先确定了无穷小扰动不稳定的条件。我们将Squire定理推广到低Péclet数方程，证明了第一不稳定模总是二维的。然后，我们进行能量稳定性分析的低Péclet数方程，并证明，对于一个给定的雷诺数值，在临界强度的分层，任何光滑的周期性剪切流是稳定的任意振幅的扰动。在该参数范围内，流动只能是层流，而不会发生湍流混合。发现线性和能量稳定性的条件是不同的，因此，我们确定了一个区域中的参数空间有限振幅不稳定性可能存在。使用直接数值模拟，我们确实发现，该系统是这样的有限振幅不稳定性。我们确定数值多远的线性稳定区域的参数空间湍流可以持续。
2015-07-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn
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
The effects of spanwise confinement on stratified shear instabilities
我们考虑横向限制对速度和密度分布的不稳定性的影响，这让人想起分层倾斜管道中的交换流，例如Lefauve等人最近的实验（J. Fluid Mech. 848，508-544，2018）。使用正常模式流向和时间的扩展管道中的流动与各种纵横比$B$和非平凡的横向速度分布，我们计算二维（2D）的色散关系与相关的本征函数变化的“”方向，其中的密度变化，展向方向，既垂直于管道壁和流向。我们还比较了这些二维色散关系的所谓的一维（1D）色散关系的展向不变扰动，不同的纵横比$B$和散装理查森数$Ri_b$。在这个有限的参数空间中，侧壁的存在具有稳定作用。此外，占展向变化的扰动的结果在过多的不稳定模式，其数量增加的展弦比增加。这些模式在其空间结构，这是合理的比较，所谓的一维斜（1D-O）的色散关系获得的斜波的奇偶规律。最后，我们表明，在大多数情况下，最不稳定的二维模式是一个在展向方向上的振荡最少，作为粘性阻尼的结果。然而，在一个有限的区域的参数空间和分层的情况下，我们表明，一个更复杂的“扭曲”的结构为主的涡度的二级模式变得更不稳定，比最少振荡的开尔文-亥姆霍兹模式与展向涡度。
2021-10-12 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 transport by diffusive stratified shear flows: from local to global models. III. A closure model
能够解释恒星辐射带中缺失的混合是更好地理解恒星演化的关键一步。Zahn（1974）认为，热扩散剪切诱导湍流可能是造成这种混合的原因。在本系列论文的第一部分和第二部分中，我们证明了当湍流的性质是局部的时，Zahn（1974，1992）的混合模型是适用的。但是，我们也发现了局限性的模型时，这种局部性条件失败，特别是附近的湍流区域的边缘。在本文中，我们提出了一个二阶闭合模型的动量和化学物质的传输剪切诱导湍流在强分层，热扩散环境（所谓的低Péclet数限制），这是建立在Garaud \& Ogilvie（2005）的工作。直接数值模拟（DNSs）的比较表明，该模型是能够预测的平均流量和应力张量（包括动量输运）在扩散剪切流的垂直剖面，往往具有相当好的精度，至少在一个因素的顺序统一在最坏的情况下。该模型非常简单，可以在恒星演化程序中实现，并且所有的模型常数都已针对DNSs进行了校准。虽然它的使用仍然存在重大的限制（例如，它只能用于低佩克莱数，缓慢旋转的限制），我们认为，它是更可靠的比大多数天体物理学的处方，用于恒星演化模型今天。
2018-03-30 astro-ph.SR 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
Mixing in stratified gravity currents: Prandtl mixing length
分层流中剪切引起的垂直混合是温盐环流的一个重要组成部分。我们实验确定的垂直通量的动量和密度的强制重力流使用高分辨率的速度和密度测量。一个恒定的涡流粘度模型提供了一个穷人的物理混合的描述，但普朗特混合长度模型的动量和密度通量的平均速度和密度梯度的作品。对于$<Ri_g > \approx 0.08$和$Re_λ\approx 100$，混合长度是相当恒定的，大约相同的大小，与湍流剪切长度相当。
2009-03-06 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Two-dimensional Moist Stratified Turbulence and the Emergence of Vertically Sheared Horizontal Flows
本文研究了二维Boussinesq系统中受凝结和蒸发影响的湿分层湍流。该问题被设置在一个周期性的域，并采用简单的蒸发和冷凝计划，其中这两个过程推动包裹饱和。数值模拟表明，从最初的空间不相关的条件下，一个潮湿的湍流状态组成的有序结构与明确的幂律型光谱标度的出现。在快速凝结和强分层的极限渐近分析表明，初始条件下有足够的水物质饱和域，方程支持一个简单的状态，其特征在于由静水，饱和，垂直剪切水平流（VSHF）的湿平衡。在这样的初始条件下，通过长时间的数值模拟，验证了湿平衡的出现。具体而言，从不相关的数据，随后的发展潮湿的湍流状态，该系统经历了一个相当突然的过渡到一个政权，这是接近饱和，并占主导地位的强VSHF。另一方面，初始条件没有足够的水物质饱和域，不达到湿平衡。相反，该系统保持在一个动荡的状态和振荡的湿平衡。即使没有达到平衡，这些一般的初始条件下，振荡的时间尺度的湿平衡是远远大于所施加的时间尺度的凝结和蒸发，从而表明一个明显的主导慢成分的湿分层二维湍流系统。
2011-08-31 physics.ao-ph physics.flu-dyn
The evolution of localized vortex in stably stratified flows
在Boussinesq近似下，利用流体冲量概念分析了稳定分层流中局部涡的演化。描述流体脉冲的时间发展的方程组具有积分-微分特征，其中表示分层效果的项出现为流体脉冲的分量的卷积积分和时间依赖的“记忆”函数。这些功能的情况下，外部的平行剪切流只在重力的方向上变化，并受到本地化的二维和三维扰动计算。从演化方程的解可以看出，在这两种情况下，都有一个理查森数的范围，其中与扰动相关的流体冲量呈指数增长。对于二维和三维情况，该范围的上限为Ri ~ 1.23和Ri ~ 0.89。这两种情况的特征还在于Richardson数的临界值（两种情况下约Ri ~ 0.3），超过该值，解表现出振荡行为。事实上，这种振荡行为已经在湍流中观察到，正如本研究所示，它是嵌入稳定分层剪切流中的非波动局部涡的固有特征。这篇论文写于2001年，现在出版，没有任何修改和新的补充。
2021-12-12 physics.flu-dyn
Irreversible mixing by unstable periodic orbits in buoyancy dominated stratified turbulence
我们认为湍流驱动的大规模水平剪切Kolmogorov流（即正弦体强迫）和背景线性稳定分层与浮力频率$N_B^2$施加在第三，垂直方向的流体中的运动粘度$ν$。这种流动是已知的组织成层的非线性不稳定的稳定状态，倾斜的垂直背景剪切，可以证明是有限振幅饱和的一系列不稳定性，最初从层流状态。在这里，我们调查的下一个顺序的运动在这个系统中，即依赖于时间的机制，密度场是不可逆的混合。这项调查是使用“循环流分析”。我们确定（不稳定）的周期性轨道，这是嵌入在湍流吸引子，并使用这些轨道作为代理的混沌流。我们发现，适当测量流动“混合效率”的时间平均值$\mathscr{E}= χ/(χ+\mathcal{D})$（$\mathcal{D}$是体积平均动能耗散率，$χ$是体积平均密度方差耗散率）随时间平均浮力雷诺数$\overline{Re}_B= \overline{\mathcal{D}}/(νN_B^2)$非单调变化，并以$1/6$为界，与Osborn（1980）的经典模型一致。在低$\overline{Re}_B \sim O(1)$下具有较低不可逆混合效率的不稳定轨道和在中等$\overline{Re}_B \sim 10$下具有接近最佳$\mathscr{E} \lesssim 1/6$的不稳定轨道之间存在质的不同的物理性质。较弱的轨道，不可避免地嵌入在更强的分层流，其特征在于应变或“冲刷”…
2017-09-11 physics.flu-dyn
Stability analysis of shear flows in a Hele-Shaw cell
本文研究了Hele-Shaw盒中非均匀不可压缩流体运动的数学模型。提供了剪切流类的线性稳定性分析。研究了惯性、线摩擦和不可渗透边界在Kelvin-Helmholtz不稳定性发展中的作用。在长波近似下，得到了粘性和密度分层流动的简化一维模型的层次。Saffman-Taylor不稳定性发展的解释给出了这些模型的框架。
2015-01-27 physics.flu-dyn
Goldilocks mixing in oceanic shear-induced turbulent overturns
我们提出了一个新的物理动机的参数化，基于索普和Ozmidov尺度的比例，不可逆的湍流通量系数$Γ_{\mathcal M}= {\mathcal M}/ε$，即不可逆率${\mathcal M}$在分层流中的背景势能增加，由于宏观运动的湍流动能耗散率的比例。我们的参数化涵盖了所有三个关键阶段（至关重要的是，在时间上）的剪切诱导分层湍流生命周期：初始，“热”的增长阶段，中间大力强迫阶段，和最后的“冷”的tetralization衰减阶段。涵盖所有三个阶段使我们能够突出中间阶段的重要性，我们称之为“金发姑娘”阶段，因为它显然是最佳的（因此既不太热也不太冷，但刚刚好）平衡，其中从背景剪切到湍流混合的能量传递是最有效的。$Γ_{\mathcal M}$在此阶段接近1/3，我们证明，这似乎与持续湍流$\sim 0.2-0.25$的临界或边际Richardson数的调整有关。
2021-08-11 physics.flu-dyn
Nonlinear modeling of wave-topography interactions, shear instabilities and shear induced wave breaking using vortex method
线性剪切不稳定性的理论研究通常使用简单的速度和密度分布（例如，恒定的，分段的），以获得良好的定性和定量预测的初始扰动。此外，这种简单的配置文件提供了一个极小模型，以获得否则难以捉摸的剪切不稳定性的机械理解。然而，除了少数特定情况下，简单的配置文件的功效仍然限于线性稳定性范例。在这项工作中，我们提出了一个通用的框架，可以模拟各种分层剪切不稳定性的完全非线性演化，以及波-波和波地形相互作用的问题，具有简单的配置文件。为此，我们已经修改了经典的涡方法，将Birkhoff-Rott方程扩展到多个接口，此外，还将背景剪切穿过密度接口。后者更微妙，并且源于理解伯努利方程不仅限于无旋流，而且可以修改以使其适用于分段速度剖面。我们已经解决了各种各样的问题，基本上可以减少到多个相互作用的界面范例，例如溢出和暴跌断路器，分层剪切不稳定性，如Holmboe和泰勒-考菲尔德，射流，甚至波地形相互作用的问题，如布拉格共振。自由滑移边界是一个涡面，用涡方法也能有效地捕捉到它的影响。我们发现，极小模型捕捉关键的非线性特征，例如，波浪破碎特征，如尖点形成和卷起，这是在实验和/或广泛的模拟中观察到的，具有平滑，逼真的轮廓。
2017-09-27 physics.flu-dyn
