Measurements of Flow Velocity and Scalar Concentration in Turbulent Multi-component Jets: Asymmetry and Buoyancy Effects
浮力效应和喷嘴几何形状对湍流射流分散有显著影响。这项工作的动机是涉及氢的应用。以氦气为实验代用品，采用粒子图像测速技术（PIV）和平面激光诱导荧光（PLIF）技术对圆管侧壁圆孔产生的水平浮力射流进行了实验研究，获得了瞬时和时均速度场和浓度场。浮力和不对称性对所产生的流动结构的影响进行了研究，在一定范围内的雷诺数和气体密度。显着差异被发现之间的中心线轨迹，传播速率，和速度衰减的常规水平圆形轴对称射流通过平板和管道泄漏的代表性射流在本研究中考虑的问题。现实管道射流总是不对称的，并发现在近场射流轴偏转。在远场，人们发现，现实的管道泄漏的几何形状导致浮力效应占主导地位比预期更快地通过平板发出的水平圆形射流相比。
2018-11-14 physics.flu-dyn
Puff turbulence in the limit of strong buoyancy
我们提供了一个数值验证最近提出的唯象理论来表征的空间-时间的统计特性的湍流喷烟，无论是在散装的属性，如平均速度，温度和大小，和标度律的速度和温度的差异，在粘性和惯性范围内的尺度。特别是，除了更经典的剪切为主的喷流湍流，我们的主要重点是最近发现的新制度，湍流波动占主导地位的浮力。该理论基于绝热性假设，假设小尺度湍流波动迅速松弛到较慢的大尺度动力学，导致经典Kolmogorov和Kolmogorov-Obukhov-Corrsin理论的推广，用于湍流烟团托管标量场。我们验证了我们的理论，通过大量的直接数值模拟找到很好的协议。
2021-07-28 physics.flu-dyn
Dynamical dispersion in turbulent plumes
湍流浮力羽流的实验观测，由一个恒定的浮力源，已经描述了巨大的成功，使用水平平均模型的质量，动量和浮力通量守恒。然而，实验观测的羽流与时间相关的浮力通量已被证明更具挑战性的定量模型。在羽流的每一个层次，速度的水平变化导致沿轴剪切，因此分散运输相对于平均值。对于随时间变化的源，羽流的动力学特性的轴向分散在流动的演变中具有关键作用。利用混合长度理论的思想，我们引入了一个模型，这种轴向分散，并测试模型与实验观测的羽流中的浮力通量突然减少或突然增加。在这两种情况下，我们发现从一个浮力通量到另一个浮力通量的转变是自相似的，并且利用这些数据，我们发现轴向弥散可以表示为βUb，其中β在0.70-0.88的范围内，U和b分别是高度z和时间t处羽流的水平平均垂直速度和半径。当浮力通量稳定时，我们的模型也退化为经典的羽流模型。
2018-12-14 physics.flu-dyn
Buoyancy-Driven Entrainment in Dry Thermals
\citet{turner1957}提出干热气流由于浮力而夹带（通过一个要求半径增加的约束$a$）。然而，这与通常用于推导夹带率的标度参数背道而驰，该参数依赖于\citet{scorer1957}的自相似性或\citet{morton1956}的湍流夹带假设。\citet{lecoanet2018}研究了湍流驱动卷吸的假设，发现卷吸效率$e$在层流（Re = 630）和湍流（Re = 6300）热气流之间的变化小于$20\%$。这促使我们利用特纳的参数浮力控制夹带除了热的垂直动量方程建立一个模型的热动力学，不调用湍流或自相似性。我们推导出简单的热气流的运动学性质和它们的分数卷吸率$ε$的表达式，并找到直接数值模拟中的值密切的定量协议。特别是，我们的表达式夹带率是一致的参数化$ε\sim B/w^2$，阿基米德浮力$B$和垂直速度$w$。我们还直接验证浮力驱动夹带的作用，通过运行模拟重力是关闭中途通过热的上升。当$g=0$在层流和湍流情况下，卷吸效率$e$都下降到原来的1/3以下，证实了浮力在干热气流卷吸中的中心作用。
2019-08-16 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Transition from shear-dominated to Rayleigh-Taylor turbulence
自然界中的湍流混合层通常以两股不同速度的流体之间存在平均剪切和不稳定浮力梯度为特征。取决于剪切力与浮力的相对强度，前者或后者可能主导两股流之间的湍流和混合。在本文中，我们提出了一个唯象理论，导致识别两个不同的湍流制度：早期制度，占主导地位的平均剪切，和后来的制度占主导地位的浮力。主要的理论结果包括识别的交叉时间尺度，区分剪切和浮力为主的湍流。这个交叉时间取决于三个大规模的流动常数，即浮力差，两股流之间的速度差，和重力加速度。我们验证我们的理论对直接数值模拟（DNSs）的时间湍流混合层与不稳定的分层复合。我们观察到，交叉时间正确地预测从剪切浮力驱动的湍流的过渡，在湍流动能生产，能谱标度和混合层厚度。
2021-06-17 physics.flu-dyn
Buoyant Motion of a Turbulent Thermal
通过引入一个等效的静磁学和浮力运动方程，我们推导出孤立的密度异常，a.k.a.的加速度的解析表达式。热气流特别是，我们调查浮力加速度，定义为阿基米德浮力$B$和相关的扰动压力梯度的总和。对于均匀球形热的情况，异常流体在$2B/3$加速，将固体球的诱导质量的教科书结果扩展到流体球的情况。对于一个更一般的椭球热，我们表明，浮力加速度是一个简单的分析函数的椭球的纵横比。这些理想化的均匀密度的结果，湍流热气流的相关性进行了探讨，通过分析直接数值模拟的热气流在$\textit{Re}=6300$。我们发现，我们的研究结果充分表征热的初始运动的距离相当于它的长度。在这种浮力主导的制度之外，热发展成椭圆形涡旋环流，并开始夹带环境流体。我们的分析表达式不描述这个成熟的热的总加速度，但仍然准确地将浮力加速度与热的平均阿基米德浮力和纵横比。因此，我们的解析公式提供了一个简单而直接的手段来估计湍流热气流的浮力加速度。
2018-09-23 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Data-driven algebraic models of the turbulent Prandtl number for buoyancy-affected flow near a vertical surface
本文研究了垂直表面附近受浮力影响的流动的湍流普朗特数（$Pr_t$）的行为，作为{Gibson \& Leslie，\emph{Int. Comm. Heat Mass Transfer}，Vol. 11，pp. 73-84（1984）}。通过分析平均速度最大值的位置差热垂直平面通道中，我们{识别} {无穷大异常}的涡动粘度$ν_t$和湍流普朗特数$Pr_t$，因为这两项除以平均速度梯度，根据标准定义，在垂直浮力流。为了预测感兴趣的量，例如Nusselt数，通过符号回归的机器学习框架与各种成本函数一起使用，例如平均速度梯度，借助于最新的垂直自然和混合对流的直接数值模拟（DNS）数据集。研究取得了两个重要成果：$(i)$是一种新的机器学习代数模型，作为$Pr_t$的倒数，成功地处理了垂直自然对流和混合对流的无穷大问题;和$(ii)$，所提出的具有嵌入坐标系不变性的模型可以方便地实现在Molds平均标量方程中，并且被证明在当前参数空间中是鲁棒的和精确的，其中，对于垂直自然对流，瑞利数的范围为$10^5$至$10^9 $，对于垂直混合对流，体理查森数$Ri_b $的范围为$ 0$至$ 0.1$。
2021-04-05 physics.flu-dyn
The energy- and flux budget theory for surface layers in atmospheric convective and stably stratified turbulence
本研究基于布辛涅斯克近似建立大气对流与稳定分层近地面层的EFB湍流闭合理论，揭示近地面层上下部湍流产生机制的差异，推导了可用于建模的多类湍流特征量垂直廓线的理论关系。
2022-06-13 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Connections between Non-Rotating, Slowly Rotating, and Rapidly Rotating Turbulent Convection Transport Scalings
浮力驱动的对流很可能是宇宙中湍流运动的主要驱动力，因此被物理学家，工程师，天文学家和天体物理学家广泛研究。也许并不奇怪，这些不同的社区以不同的方式讨论总的对流行为，通常没有显着的串扰存在于他们之间。在这里，我们试图在这些社区之间建立联系。我们这样做是通过进行一组基本规模的估计，热量和流体动量输送应如何表现在非旋转，缓慢旋转和快速旋转浮力驱动的对流环境。我们发现，缓慢和快速旋转缩放可以通过一个参数，所谓的对流Rossby数$\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
Buoyancy-induced velocity dip in turbulent open Poiseuille--Rayleigh--Bénard convection
Institute of Extreme Mechanics, School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University（西北工业大学航空学院极端力学研究所）；National Key Laboratory of Aircraft Configuration Design, Key Laboratory for Extreme Mechanics of Aircraft of the Ministry of Industry and Information Technology（飞机构型设计全国重点实验室、工业和信息化部飞机极端力学重点实验室）
本研究通过DNS模拟揭示了开放PRB通道中湍流混合对流中速度凹陷现象的形成机制，提出基于浮力与剪切平衡的模型，准确再现了速度剖面。
2026-09-01 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Turbulent transport and entrainment in jets and plumes: a DNS study
我们提出了一个新的DNS数据集的统计轴对称湍流射流，羽流和强迫羽流在一个域的大小$40 r_0 \times 40 r_0 \times 60 r_0$，其中$r_0$是源直径。该数据集提供了证据的有效性的Priestley和球夹带模型在不分层的环境（不包括该地区附近的源），这是进一步证实了王和法律和Ezzamel \emph{et al.}实验数据集，后者被纠正为一个小的，但有影响力的共流，影响统计。我们表明，在射流和羽流的核心区域的湍流实际上是难以区分的，虽然各向异性张量的不变量揭示了显着的变化，在羽流边缘附近的湍流。DNS数据表明，湍流普朗特数约为0.7射流和羽流。对于羽流，该值是径向动量和浮力的径向湍流输送比率不同的结果。然而，对于射流，该值源于浮力和速度分布的不同传播，尽管径向湍流传输项的比率近似为1。DNS数据没有显示出与浮力剖面与速度剖面宽度之比的逐渐变化相关的相似性漂移的任何证据。
2016-07-25 physics.flu-dyn
Abyssal Slope Currents
研究通过多洋盆真实模拟与西地中海分析，揭示深海斜坡顺行流及其边界层跨等密度面输运机制，并提出新的一维地形旋转层结斜坡底边界层模型。
2025-02-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Jets with Reversing Buoyancy
在时间$t=0$处，将重质流体的射流向上注入到较轻的流体中，并且在时间$t=t_i$处达到最大高度，然后围绕向上的流回。将轻质流体向下注入到重质流体中，也会出现类似的流动情况。本文导出了$t_i$的精确解析表达式。该表达式仍然适用于层流和湍流浮力射流有或无旋流。
2015-04-04 physics.flu-dyn
High-fidelity velocity and concentration measurements of turbulent buoyant jets
本文通过同步PIV和LIF测量并结合折射率匹配方法，获取均匀与分层环境中正负浮力射流的高保真速度与浓度数据，用于评估现有湍流模型并为开发能准确捕捉浮力主导湍流混合的新模型提供基础。
2024-02-26 physics.flu-dyn
The modification of turbulent thermal wind balance by non-traditional effects
地球自转的纬向分量在地球物理学中常常被忽略。这被称为“传统近似法”，这类问题的垂直速度和纵横比通常都很小，因此是合理的。海洋锋是具有强水平浮力梯度的区域，与示踪剂和营养物的强垂直输送有关。鉴于这些相对较大的垂直速度，非传统的旋转可能会发挥作用，在管理锋面动态。本文用渐近方法研究了非传统旋转对湍流热成风平衡中锋面的影响。一般水平浮力剖面的解决方案，并在一个简单的情况下，直前检查。非传统的影响被发现强烈地依赖于锋的方向，并可能导致急流的产生和锋面环流和垂直输送的修改。
2021-07-19 physics.flu-dyn
Nonlinear effects in buoyancy-driven variable density turbulence
我们考虑由\cite{LR2007}模拟的浮力驱动湍流中的涡度$\boldsymbol ω = \boldsymbol{\nabla} \times {\mathbf u}$和密度梯度$\boldsymbol{\nabla} θ$的尺度$L^{2m}$ -范数$D_{m,ω}$和$D_{m,θ}$的等级的时间依赖性，其中$θ=\log (ρ^*/ρ^*_0)$。$ρ^*({\mathbf x},\,t) $是两种不可压缩混溶流体的混合物的组成密度，流体密度为$ρ^*_2 > ρ^*_1$，$ρ^*_{0}$是参考归一化密度。使用公开的约翰霍普金斯湍流数据库的数据，我们提出的证据表明，$L^{2}$ -密度梯度$\boldsymbol{\nabla} θ$的空间平均值可以达到非常大的值，即使在低阿特伍德数$At = (ρ^*_{2} - ρ^*_{1})/(ρ^*_{2} + ρ^*_{1}) = 0.05$的流量，这意味着非常强的混合的密度场在小尺度上可以出现在浮力驱动的湍流。这种大的增长增加了密度梯度$\boldsymbol{\nabla} θ$在有限时间内爆炸的可能性。
2016-01-13 nlin.CD physics.flu-dyn
Disentangle plume-induced anisotropy in the velocity field in buoyancy-driven turbulence
本文提出了一种消除湍流速度场中悬崖结构所产生的各向异性的方法，并在湍流Rayleigh-Bénard（RB）对流系统中进行了检验。研究发现，在RB系统中，速度场中的悬崖结构是由热羽流产生的。这些悬崖结构引起的不对称的速度增量，这导致我们考虑的正和负的速度结构函数（VSF）。正速度增量不包括悬崖结构，而负速度增量包括悬崖结构。我们的研究结果表明，正VSFs的标度指数与均匀和各向同性湍流（HIT）的预测非常一致，而负VSFs的标度指数在热羽流丰富的地方与HIT的预期存在显着偏差。这些结果表明，正负VSF可以用来定量研究悬崖结构在速度场中的作用，并有效地解开由这些结构引起的相关各向异性。
2011-02-01 physics.flu-dyn
Dynamics of an autocatalytic reaction front: effects of imposed turbulence and buoyancy-driven flows
Aix Marseille Univ, CNRS, Centrale Marseille, 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）
研究通过自催化反应揭示湍流中火焰前沿的动力学，发现湍流输运和密度差异对反应前沿传播有重要影响。
2026-03-06 physics.flu-dyn
Turbulence energetics in stably stratified geophysical flows: strong and weak mixing regimes
传统上，湍流能量学的特征在于湍流动能（TKE），并单独使用TKE预算方程建模。在稳定分层中，TKE由速度剪切产生，并通过粘性耗散和抵抗浮力而扩展。分层效应的特征在于浮力梯度与剪切力平方之比，称为理查森数，Ri。人们普遍认为，在Ri超过临界值Ric时，局部剪切不能维持湍流，并且流动变成层流。我们通过将能量分析扩展到湍流位能和总能量（TPE和TTE = TKE + TPE）来修正这一概念，考虑它们的预算方程，并得出结论，TTE是由剪切在任何分层中维持的保守参数。因此，不存在“能量Ric”，这与流体动力学不稳定性阈值Ric不稳定性相反，其典型值在0.25到1之间变化。我们证明，这个区间，0.25<Ri<1，分离两个不同的湍流制度：强混合和弱混合，而不是湍流和层流制度，作为经典的概念状态。这解释了Ri>>1时自由大气和深海湍流的持续发生，阐明了湍流边界层与自由流动的主要区别，为改进湍流闭合模式提供了依据。
2008-07-11 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Variable-density buoyancy-driven turbulence with asymmetric initial density distribution
采用高分辨率直接数值模拟方法，研究了低Atwood数（0.05）和高Atwood数（0.75）时不同初始密度分布对浮力驱动的均匀变密度湍流（HVDT）演化的影响。HVDT旨在模拟加速驱动的瑞利-泰勒不稳定性和激波驱动的里希特迈尔-梅什科夫不稳定性，并揭示新的物理，所产生的变密度效应的湍流混合。在这里，纯轻和纯重流的初始量被改变，主要是为了模拟瑞利-泰勒和里希特迈尔-梅什科夫不稳定性混合层的不同位置处的变密度湍流，其中混合流体的量不相等。研究发现，对于低Atwood数情况，非对称初始密度分布对HVDT的整体和局部流动演化的影响有限。然而，在高阿特伍德数，无论是全球流动的演变和局部流动结构的强烈影响的初始组成比。由更轻的流体组成的流动达到更高的湍流水平，并且局部统计在时间演化中更早地达到其充分发展的行为。在后期的时间衰减，其中大部分的流量是混合良好的，所有的参数变得独立的初始组成比为低和高阿特伍德数的情况下。
2020-04-03 physics.flu-dyn
Analysis and reformulation of the $k$--$ω$ turbulence model for buoyancy-driven thermal convection
Pohang University of Science and Technology（浦项科技大学）
本文分析并改写了$ k $--$ ω $湍流模型，以解决浮力驱动湍流在RANS模型中的表示问题，通过推导无限层Rayleigh-Bénard对流的标准$ k $--$ ω $模型解析解，得到新的Nu与Ra、Pr的关系，改进了传统浮力处理的不足。
2026-01-21 physics.flu-dyn
Flow organization and heat transfer in turbulent wall sheared thermal convection
我们进行直接数值模拟壁面剪切瑞利-贝纳德（RB）对流瑞利数$Ra=10^8$，普朗特数单位，壁面剪切雷诺数高达$Re_w=10000$。使用Monin-Obukhov长度$L_{MO}$，我们确定了三种不同的流动状态，浮力为主的制度（$L_{MO} \lesssim λ_θ$ ;与$λ_θ$的热边界层厚度），过渡制度（$0.5H \gtrsim L_{MO} \gtrsim λ_θ$ ;与$H$域的高度），和剪切为主的制度（$L_{MO} \gtrsim 0.5H$）。在浮力占主导地位的政权的流动动力学是类似的湍流热对流。过渡状态的特征在于随着剪切力的增加而逐渐伸长的辊。在剪切为主的制度的流动包括非常大规模的曲折卷，类似于传统的库埃特流中发现的。作为这些不同的流动状态的结果，对于固定的$Ra$并且随着剪切的增加，由于热辊的破碎，热传递首先降低，然后在剪切主导的状态开始时增加。对于$L_{MO} \gtrsim 0.5H$，努塞尔数$Nu$有效地缩放为$Nu \sim Ra^α$，其中$α\ll 1/3$，而我们发现$α\simeq 0.31$处于浮力主导的状态。在过渡区的有效标度指数是$α> 1/3$，但在这个区域的温度和速度的轮廓还不是对数，从而表明瞬态动力学，而不是热对流的最终制度。
2019-09-23 physics.flu-dyn
On the logarithmic profile of temperature in the atmospheric convective boundary layers
有壁面的湍流在自然界和工程系统中广泛存在，例如地球表面附近的空气流动、河流中的水流以及汽车或飞机周围的流动。VonKármán于1930年提出的壁面约束湍流中的普遍对数速度剖面是湍流的少数几个精确物理描述之一。然而，当存在浮力效应时，该通用测井定律不能充分描述平均速度和温度分布。Monin-Obukhov相似理论（MOST）于1954年提出，是解释浮力效应和描述大气边界层的基础理论。MOST已被用于几乎所有的全球天气、气候和水文模式，以描述平均速度、温度和标量廓线对浮力的依赖关系。根据MOST，随着浮力效应变得重要，对数温度分布图被打破。相比之下，在这里我们表明，这个长期存在的MOST理论不适用于温度。我们提出了一个新的理论，近壁温度的对数分布，纠正MOST陷阱，并支持高分辨率的直接数值模拟和对流大气边界层的实地观测。浮力效应不会改变对数性质，而是与通用的冯卡门斜率相比，调制温度曲线的斜率。新的公式具有广泛的应用，例如在气候模型中，拟议的新温度记录法应导致更真实的大陆表面温度，这受到浮力的强烈影响。
2020-02-22 physics.flu-dyn
Buoyancy-driven melt rate of a vertical ice surface in seawater
The Chinese University of Hong Kong（香港中文大学）
本文针对无限垂直通道的湍流双扩散对流系统提出盐热通量理论，扩展得到海水中垂直冰面的浮力驱动融化速率估算方法，其结果与数值模拟及实验室实验数据吻合良好。
2026-08-04 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Heat flux scaling in turbulent Rayleigh-Bénard convection with an imposed longitudinal wind
本文对纵向风扰动下的Rayleigh-Bénard对流进行了数值研究。结果表明，在风的作用下，由于羽状扫掠机制，通过气室的垂直热通量最初减小，当湍流强迫对流超过浮力时，垂直热通量再次增大。因此，努塞尔数是剪切雷诺数的非单调函数。我们提供了一个简单的模型，捕捉良好的精度观察到的所有动态制度。我们希望我们的研究结果可以导致一个更根本的理解之间的复杂的相互作用的平均风和羽流喷射的瑞利-贝纳德现象。
2013-11-19 nlin.CD physics.flu-dyn
A thermal Green-Naghdi model with time dependent bathymetry and complete Coriolis force
本文通过对称破缺李群不变变分原理，推导出包含时变海底地形、完整科里奥利力和非均匀热浮力的广义 Green-Naghdi 方程，为海底地形变化引起的波动动力学提供建模基础。
2025-04-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
The entrainment and energetics of turbulent plumes in a confined space
我们分析了卷吸和能量的相等和相反的轴对称湍流空气羽流在一个垂直受限的空间中的瑞利数为$1.24\times 10^{7}$使用理论和直接数值模拟。在足够大的长宽比的域上，稳定状态由穿过两层近似均匀浮力之间的界面的湍流羽流组成。如Baines和Turner（J. Fluid Mech.vol.37，1969，pp. 51-80），在穿透界面时，由于其相对于局部环境的平均浮力减小，每个羽流中的流动变得受迫并且表现得像恒定动量射流。为了观察羽流的行为，我们将域划分为对应于每个羽流的子域。相对小的长宽比的区域在子域之间产生一个单一的主平均流环流，并通过卷吸进入羽流来维持。在较大的纵横比的子域之间的平均流量分叉，表明存在的二次环流与夹带到射流中的每一层内。为了研究流动的能量学，我们使用可用势能（APE）的局部定义。对于羽流与高斯速度和浮力分布，我们开发的理论表明，动能耗散之间的射流和羽流平均分配，并共同占几乎一半的输入APE的边界。相反，APE耗散和背景势能（BPE）产生的$1/4$发生在喷流中，其余的$3/4$发生在羽流中。这些散装的理论预测同意从模拟观察到的BPE生产内$1\%$，并形成一个相似的解决方案，模拟APE耗散和BPE生产的垂直依赖的基础。
2020-02-09 physics.flu-dyn
Understanding the effect of Prandtl number on momentum and scalar mixing rates in neutral and stably stratified flows using gradient field dynamics
本研究通过分析梯度控制方程揭示了 Prandtl 数增加导致稳定分层湍流中势能耗散率下降和动能耗散率上升的机制，并提出了估计最小尺度浮力影响的替代参数。
2023-08-01 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Effect of large-scale coherent structures on turbulent convection
在实验室条件下，研究了宽高比为$A \approx 2$和$A\approx 4$（瑞利数在$5 \times 10^6$ ~ $10^8$范围内变化）的矩形腔室内气流中大尺度相干结构对湍流对流全局特性的影响。大尺度拟序结构包括单胞流型和双胞流型。我们发现，在具有大尺度拟序结构的湍流对流中，湍流动能产生的主要贡献来自于非均匀大尺度运动。具有拟序结构的大瑞利数对流中的湍流是由剪切而不是浮力产生的。我们确定了全局参数的缩放（例如，湍流动能的产生和耗散、湍流速度和湍流积分尺度、大尺度切变等）湍流对流与室的底壁和顶壁之间的温差的关系。这些标度与我们的理论预测是一致的。我们证明了具有大尺度相干结构的湍流对流的不均匀程度是小的。
2009-05-17 astro-ph.SR nlin.CD physics.ao-ph
Buoyancy driven turbulence and distributed chaos
它示出，使用最近的直接数值模拟，实验室实验和大气测量的结果，浮力驱动的湍流表现出广泛的多样性的类型的分布式混沌与其拉伸指数谱$\exp(-k/k_β)^β$。具有$β= 1/3$的分布混沌（由螺旋度相关积分确定）是稳定分层湍流的最常见特征（由于强螺旋波的存在）。这些波主要支配速度场的垂直分量的谱特性，而水平分量则由弱和强稳定层结（$β=2/3$）的扩散过程支配。对于最后一种情况，低边界的影响可以克服波动效应，并导致速度场垂直分量的$β=1/2$（空间平移对称性的自发破缺-均匀性）。对于Rayleigh-Taylor混合区的不稳定分层湍流，扩散过程（$β=2/3$）是浮力作用下两种流体各向异性混沌混合中最常见的主导过程。强约束条件决定了直立池中Rayleigh-Bénard湍流对流的分布混沌。即：通过有限边界（$β= 1/2$）或通过细胞沿浮力方向的非理想取向（$β=4/7$）自发破坏空间平移对称性（均匀性）。在所有类型的湍流中，惯性尺度范围的出现导致分布混沌和$β=3/5$的变形。
2016-08-01 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Multiplicity of chaotic and turbulent regimes in Rayleigh-Bénard convection
利用分布混沌方法，对Rayleigh-Bénard对流中的多个混沌和湍流区域进行了研究，并将其从确定性混沌的开始到充分发展的湍流进行了分类，得到了实验室实验和数值模拟结果的支持。结果表明，制度可以取代对方取决于瑞利数的值和位置的对流单体（在大部分的流动或在边界层）。基于惯性浮力和螺旋度的不变量在这些区域的形成中起着至关重要的作用。从经典到极限状态的过渡也在这方面进行了讨论。
2019-12-23 physics.flu-dyn
Buoyancy-driven exchange flows in inclined ducts
本文通过层化倾斜管道实验系统研究浮力驱动交换流，揭示流态、质量通量和界面厚度对五个无量纲参数的复杂标度律，并提出三类候选模型解释观测结果。
2019-07-08 physics.flu-dyn
Scaling laws and local enhancements of buoyancy flux in stratified turbulent flows
CNRS, École Centrale de Lyon, INSA Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, LMFA（法国国家科学研究中心、里昂中央理工学院、里昂国立应用科学学院、克洛德·贝尔纳里昂大学、流体力学与声学实验室）；Dipartimento di Fisica, Università della Calabria（卡拉布里亚大学物理系）；Leibniz Institute of Atmospheric Physics, University of Rostock（罗斯托克大学大气物理研究所）；French American Center for Theoretical Sciences, CNRS, KITP, University of California, Santa Barbara（美法理论科学中心、法国国家科学研究中心、加州大学圣塔芭芭拉分校KITP）；Laboratoire de Physique, Ecole Normale Supérieure de Lyon and CNRS（里昂高等师范学校物理实验室及法国国家科学研究中心）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；National Center for Atmospheric Research（美国国家大气研究中心）；Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Física（布宜诺斯艾利斯大学理学院物理系）；CONICET - Universidad de Buenos Aires, Instituto de Física Interdisciplinaria y Aplicada (INFINA)（阿根廷国家科学研究委员会-布宜诺斯艾利斯大学交叉与应用物理研究所）；Cooperative Institute for Research in the Atmosphere（大气研究合作研究所）
通过直接数值模拟研究分层湍流中浮力通量的标度行为，发现其空间分布具有强非高斯尾部，且偏度随浮力雷诺数呈幂律增长，域平均浮力通量随分层增强呈现对数增长并趋于小偏移。
2026-06-08 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
Discontinuous Transitions Towards Vortex Condensates in Buoyancy-Driven Rotating Turbulence
使用旋转瑞利-贝纳德对流的直接数值模拟，我们探讨了湍流状态之间的过渡，从一个3D的流动状态到准2D的凝聚称为大尺度涡（LSV）。我们改变瑞利数$Ra$作为控制参数，并研究系统响应（强度的LSV）的序参量评估的能量含量在流和高档能量通量。通过灵敏地探测参数空间中的LSV存在的区域的边界，我们发现不连续的过渡，我们确定存在的滞后回线以及无记忆的突然增长动力学。我们还表明，凝聚态的产生与能量输运到系统的最大模式的不连续过渡相吻合。
2022-01-22 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
Analysis of coherence in turbulent stratified wakes using spectral proper orthogonal decomposition
本文采用谱本征正交分解（SPOD）方法，在雷诺数为$Re = 5 \times 10^{4}$，弗劳德数为$Fr$ = $2, 10$的条件下，提取并分析了圆盘湍流尾迹中的相干结构。研究发现，两种尾迹的SPOD本征谱均表现出低秩行为，且低阶模态对总涨落能量的相对贡献随$x/D$的增大而增大。涡脱落（VS）机制，这对应于$St \approx 0.11-0.13$在两个尾流，是积极的和占主导地位的整个域在两个尾流。在VS模式下SPOD本征谱峰的连续下游衰减是非分层尾流的一个显著特征，浮力抑制了这种衰减，特别是对于$Fr = 2$。当下游距离超过$Nt = Nx/U = 6 - 8$时，VS频率处和附近的能量出现在尾流的外部区域。可视化显示，非定常重力内波（IGW）出现在相同的$Nt = 6 - 8$。VS机制和非定常IGW生成之间的因果关系也建立使用基于SPOD的重建和分析的压力传输项。在SPOD分析中，这些IGW也作为主导SPOD本征模形状的结构变化而被拾取。$Fr = 2$尾流在{ $Nt > 15$ }处的尾流核心中显示分层，其由下游位置$x/D > 30$处VS频率的领先SPOD本征模式捕获。$Fr = 2$尾流的VS模式是流向相干的，由$x/D \gtrsim 30$处的V形结构组成。总的来说，我们发现，相干的唤醒，发起的VS模式在身体，延长浮力远下游。此外，这种相干性在空…
2021-12-23 physics.flu-dyn
Scalings of heat transport and energy spectra of turbulent Rayleigh-Benard convection in a large-aspect-ratio box
本文在普朗特数Pr=0.71的瑞利数$7 \times 10^4 \le Ra \le 2 \times 10^6$范围内，对大长径比箱体内的湍流对流进行了直接数值模拟。在几乎所有的长度尺度上，湍流区的垂直速度和温度之间都有很强的相关性。所有的速度和温度的频谱显示了一个$-5/3$规律的一个宽频带的频率。流动中不同点的水平速度的变化产生单一的幂律。速度和温度的概率密度函数只有在较高的瑞利数下才接近高斯分布。温度的平均值和方差清楚地显示了边界层、表面层和一个近均匀的体区。随着Rayleigh数的增加，边界层厚度减小，体积均匀性增强。湍流动能的波数谱在容器的中心和近壁区域分别呈现Kolmogorov型（$E(k)\sim k^{-5/3}$）和Bolginao-Obukhov型（$E(k)\sim k^{-11/5}$）行为。在湍流动能收支中，浮力产生和耗散之间存在近似平衡。通过在涡度拟能预算中加入浮力产生，修正了泰勒关于湍流拉伸产生和湍流涡度拟能耗散的近似方程。目前的结果支持先前提出的$2/7$幂律依赖的平均努塞尔数的瑞利数产生的指数为0.272，但不一定支持建议的分类“软”和“硬”湍流的基础上，这个指数。
2017-08-08 physics.flu-dyn
A model for drift velocity mediated scalar eddy diffusivity in homogeneous turbulent flows
本文针对含漂移速度的均匀湍流中被动标量输运问题，提出一个描述涡扩散率衰减的新模型，并结合欧拉场测量方法与直接数值模拟验证其准确性和理论一致性。
2023-10-25 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Anisotropy, inhomogeneity and inertial range scalings in turbulent convection
本文详细研究了湍流Rayleigh-Bénard对流中的逐尺度收支，旨在检验Kolmogorov（1941）和Bolgiano（1959）理论对这种流动的适用性。特别强调的是各向异性和非均匀的影响：SO（3）分解的结构函数（Arad等1999）和Danaila等（2001）提出的描述非均匀性的方法被用来推导非均匀和各向异性的推广Kolmogorov和Yaglom方程适用于RB对流。这些方程中的各项是使用来自$\rayleigh=10^6$和$\prandtl=1$（纵横比A=5）处湍流Boussinesq对流DNS的数据计算的。对各向同性分量的分析表明，浮力强迫和大尺度不均匀性对三阶速度结构函数的形状有显著影响，而Yaglom方程中出现的混合三阶速度结构函数在小尺度范围内具有明显的标度指数1.的各种低$\ell$度各向异性组件的方程的幅度也估计，并示出其各向同性的同行在中等规模到大规模。最后，定性分析表明，浮力强迫在尺度小于Bolgiano尺度的影响可能仍然很重要，直到$\rayleigh=10^9$，从而防止柯尔莫哥洛夫缩放出现在对流流动中，在较低的瑞利数。
2006-01-25 astro-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
Gyrotactic phytoplankton in laminar and turbulent flows: a dynamical systems approach
回转式藻类是底部重的运动细胞，其游动方向由引导它们向上的浮力扭矩和流体速度梯度之间的平衡决定。回转运动，近年来，已成为一个典范模式的浮游植物运动的流动。这种特殊形式的运动性的本质吸引力是一种机械描述的可用性，尽管它很简单，但它揭示了预测性，丰富的现象学，很容易补充，包括形状的影响，对流体的反馈和随机性（例如，在细胞取向）。在这篇综述中，我们考虑最近的理论，数值和实验结果来讨论如何，根据流动特性，回转可以产生不均匀的浮游植物分布在很宽的范围内，从毫米到公里，在层流和湍流。特别是，我们专注于非线性剪切流中的回旋捕获现象和湍流中的分形聚类。我们将证明从动力系统理论中借用的思想和工具在解释和解释这些现象中的有用性。
2019-03-22 nlin.CD physics.flu-dyn
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
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
Atwood and Reynolds numbers effects on the evolution of buoyancy-driven homogeneous variable-density turbulence
采用高分辨率直接数值模拟方法研究了Atwood数小于0.75和大雷诺数下浮力驱动的均匀变密度湍流（HVDT）的演化。为了帮助理解浮力驱动HVDT的高度非平衡性质，根据湍流动能导数的行为，将流动演化分为四个不同的区域。结果表明，每个政权有一个独特的类型的依赖阿特伍德和雷诺数。结果发现，局部统计的流量的基础上的流量组成更敏感的阿特伍德和雷诺数相比，那些基于整个流量。还观察到，在较高的阿特伍德数，不同的流动特征达到其渐近雷诺数行为在不同的时间。与以前使用的其他形式相比，基于Favre波动动量定义的能谱对于具有恒定性质的变密度流具有较少的粘性效应的大尺度污染。能谱的演变突出了四种流型的不同动力学特征。因此，能谱的斜率在中到大尺度上从-7/3到-1，作为产生耗散比的函数。经典Kolmogorov谱出现在中高尺度在最高雷诺数检查，湍流开始衰减后。最后，浮力驱动的HVDT和更传统的固定湍流之间的异同进行了讨论，并提出了新的策略和工具进行分析。
2020-04-02 physics.flu-dyn
The origins of $k^{-2}$ spectrum in the decaying Taylor-Green magnetohydrodynamic turbulent flows
我们研究了Lee等人（2010）报道的具有零大尺度磁通量的衰减Taylor-Green磁流体动力学流中$k^{-2}$谱的起源。这种标度指数的一个可能的候选者是弱湍流现象。从我们的数值模拟中，我们观察到，在磁泰勒-格林流的电流片形成的区域的磁不连续性。基于这一观察，并通过研究电流片的能量谱的影响，使用过滤技术，我们认为，不连续性是负责的$-2$幂律缩放的能量谱的流。
2013-06-06 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-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
Energy analysis of 2D electro-thermo-hydrodynamic turbulent convection
Union College（联合学院）；Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学）
本文通过高保真度谱求解器和深度学习方法，研究二维电热流体湍流对流中能量和涡量的动态行为及相干结构。
2026-03-01 physics.flu-dyn
Partially-Averaged Navier-Stokes Closure Modeling for Variable-Density Turbulent Flow
本文将部分平均Navier-Stokes（PANS）方程的框架扩展到变密度流、\text{i.e.}、多材料和/或可压缩混合问题，这些问题具有密度变化和由剪切和浮力机制产生的湍流动能。所提出的方法是用来获得PANS BHR-LEVM关闭。这包括\textit{a-priori}测试，以分析和制定有效选择控制物理分辨率的参数的指南，从而控制PANS的分辨率范围。两个典型的测试用例，涉及瞬态湍流，流体动力学不稳定性，和相干结构的方法的精度和潜力：泰勒-格林涡（TGV）在雷诺数$\mathrm{Re}=3000$，和瑞利-泰勒（RT）流在阿特伍德数$0.5$和$(\mathrm{Re})_{\max}\approx 500$。这些代表性的问题，湍流产生的剪切和浮力过程，构成了新模型的初始验证空间，其结果进行了全面的讨论，在随后的两项研究。计算表明，PANS可以准确地预测选定的流动问题，解决只有一小部分的尺度的大涡模拟和直接的数值模拟策略。结果还重申，PANS模式的物理分辨率必须保证解决的关键不稳定性和相干结构的流动。其余的尺度可以通过适当的湍流尺度依赖闭合来模拟。
2021-07-15 physics.flu-dyn
Moist turbulent Rayleigh-Benard convection with Neumann and Dirichlet boundary conditions
采用三维直接数值模拟方法，研究了Rayleigh数在10^4 ~ 1.5 \times 10^7之间，Prandtl数Pr=0.7时，两平行不可渗透平板间扩展层内具有相变的Rayleigh-Benard湍流对流.两套不同的边界条件的温度和总水含量进行了比较：施加恒定振幅转化为Dirichlet边界条件的标量场波动的静态扩散平衡和恒定施加通量边界条件，导致在诺依曼边界条件。湿湍流对流在整个研究中处于条件不稳定状态，其中不饱和气团是稳定的，饱和气团是不稳定的层结。直接比较具有相同参数的两组边界条件需要从不同的饱和平衡态开始湍流模拟。与干Rayleigh-Benard对流相似，湍流速度波动、云量和对流浮力通量的差异随着Rayleigh数的增加而减小。在最高的瑞利数的系统中发现，在一个两层的制度，干燥的无云和稳定的分层层与低湍流水平低于完全饱和和多云的湍流等于经典的瑞利-贝纳德对流层。两者都被一个强烈的反演分开，随着瑞利数的增加，反演变得越来越窄。
2012-07-02 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Two-Scalar Turbulent Rayleigh-Benard Convection: Numerical Simulations and Unifying Theory
我们进行直接数值模拟湍流瑞利-贝纳德（RB）对流，同时驱动的两个标量分量（说，温度和盐浓度）具有不同的分子扩散系数，并测量各自的通量和雷诺数。为了解释这些结果，我们推广了传统RB对流的Grossmann-Lohse理论~（Grossmann and Lohse，J. Fluid Mech.，407，27-56; Phys. Rev. Lett.，86，3316-3319; Stevens等人，流体力学杂志，730，295-308）到这两个标量湍流对流。我们的数值结果表明，广义理论可以成功地预测的两个标量的通量和雷诺数的整体趋势。事实上，对于这里探讨的大多数参数，该理论甚至可以以良好的精度预测通量和雷诺数的绝对值。目前的研究扩展了Grossmann-Lohse理论在浮力驱动对流领域的通用性。
2017-12-15 physics.flu-dyn
Turbulent mixed convection in vertical and horizontal channels
本文利用直接数值模拟研究了由压力梯度和浮力共同驱动的垂直通道湍流混合对流，发现其与混合Rayleigh-Bénard对流响应高度一致，并揭示了中等剪切对小尺度热羽流的抑制作用。
2024-06-28 physics.flu-dyn
Shear-driven magnetic buoyancy in the solar tachocline: The mean electromotive force due to rotation
太阳磁周期的主要理论范例是一个$αω$ -发电机过程，其中差动旋转和湍流螺旋流的组合产生了每11年反转一次的大规模磁场。大多数$αω$太阳发电机模型依赖于太阳速跃层中的差异旋转来产生强的环向场。这样的模型中最有问题的部分是通过一个被称为$α$效应的过程产生大尺度极向场。虽然这通常归因于旋转影响下的小尺度对流运动，但这种再生过程的效率受到一些数值模拟的质疑。出于可能的条件内的速跃层，本文的目的是调查的极向场再生的替代机制，即在剪切产生的，旋转的磁性层的磁浮力不稳定性。我们使用一个局部的，完全可压缩的模型，其中施加的垂直剪切风了最初的垂直磁场。磁场最终变得非常不稳定，我们测量由此产生的平均电动势（EMF）。对于足够快的旋转，我们发现，平均电动势的一个重要组成部分是对齐的平均磁场的方向，这是典型的$αω$ -发电机模型的特征。因此，我们的研究结果表明，磁浮力可能直接有助于产生大规模的极向场在太阳。
2023-01-12 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Revisiting Reynolds and Nusselt numbers in turbulent thermal convection
在本文中，我们扩展了Grossmann和Lohse的（GL）模型[Phys. Rev. Lett. { \bf 86}，3316（2001）]，用于预测湍流Rayleigh-Bénard对流（RBC）中的雷诺数（Re）和努塞尔数（Nu）。为了实现这一目标，我们使用功能形式的前因子的散逸率在散装和边界层。函数形式的出现是由于抑制的非线性相互作用中存在的墙壁和浮力相比，自由湍流，随着偏离的粘性边界层剖面从普朗特-Blasius理论。我们执行60数值运行在一个三维单位盒的范围内的瑞利数（Ra）和普朗特数（Pr），并确定上述功能的形式，使用机器学习。与GL模型相比，修正后的预测与过去的数值和实验结果更好地吻合，特别是对于极端普朗特数。
2020-12-21 physics.flu-dyn
