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
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
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
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
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
Deep learning of mixing by two 'atoms' of stratified turbulence
目前的全球海洋模式依赖于特设参数化的diapycnal混合，其中混合的效率是全球性的假设是固定在$20\%$，尽管越来越多的证据表明，这一假设是值得怀疑的。作为小尺度海洋湍流的一种解释，我们可以集中于对Kelvin-Helmholtz（KHI）或Holmboe波（HWI）不稳定性敏感的分层剪切流。最近，通过对这些流动的直接数值模拟（DNS）产生了前所未有的数据量。在本文中，我们描述了深度学习方法的应用，以发现一个通用的参数化的diapycnal混合使用可用的DNS数据集。我们还证明，该模型是更普遍的最近公布的参数化相比。我们表明，一个神经网络适当训练KHI和HWI诱导的湍流是能够预测混合效率与看不见的区域的参数空间远远超出了训练数据的范围。引人注目的是，高层次的模式学习的基础上的KHI和弱分层HWI是“可转移的”预测HWI诱导的混合效率在更强烈的分层条件下，这表明通过适当的网络的应用，密度分层湍流混合的重要的普遍抽象已被确认。
2018-11-03 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
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
Data-driven classification of sheared stratified turbulence from experimental shadowgraphs
本研究提出降维与无监督聚类方法，对分层倾斜管道实验的113部阴影图视频分类，发现5类湍流及中间类型，揭示两种分层湍流形成路径，为复杂湍流物理机制研究提供数据驱动新方法。
2023-05-06 physics.flu-dyn
Experimental study of turbulent thermal diffusion of particles in an inhomogeneous forced convective turbulence
本研究通过实验探究振荡网格驱动的非均匀对流湍流中微米颗粒的湍流热扩散现象，对比稳定分层湍流的相关结果，验证了颗粒在低温区聚集的效应及有效扩散系数，结果符合理论预测。
2023-06-20 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
Routes to stratified turbulence and temporal intermittency revealed by a cluster-based network model of experimental data
本文提出结合降维和无监督聚类的数据驱动方法，识别分层倾斜管道实验的湍流骨架，揭示多种湍流类型及间歇性转变路径，为多物理场湍流降阶模型奠定基础。
2024-11-10 physics.flu-dyn
Turbulence generation by large-scale extreme vertical drafts and the modulation of local energy dissipation in stably stratified geophysical flows
我们观察到出现强烈的垂直草案直接数值模拟的Boussinesq方程在一系列参数的地球物理利益。这些结构在空间和时间上间歇出现，产生湍流，增强动能和势能能量耗散，为观测到的大量洋流局部能量耗散的变化及其概率分布函数的调制提供了可能的解释。我们展示了如何，由于极端草案，在运行与弗劳德数在地球物理学的情况下，大约10%的域流可以占高达50%的全球体积耗散，让人想起基于海洋模型的估计。
2022-02-16 physics.flu-dyn
Interplay of waves and eddies in rotating stratified turbulence and the link with kinetic-potential energy partition
本文采用世界一流的直接数值模拟方法，使用多达$3072^3$网格点，研究了稳定分层旋转流中波与涡的相互作用。引人注目的是，我们发现，从涡波为主的动力学的转变发生在波数$k_R$不依赖于雷诺数，这表明波和涡模式之间的能量分配是不敏感的发展湍流在较小的尺度。我们还表明，$k_R$是可比的波数在动能和潜在的模式之间的交流稳定在接近均分，强调势能的作用，如在大气和海洋中所示。此外，$k_R$变化的弗劳德数的倒数所解释的缩放预测建议，与最近的观测和建模的中间层，低热层和海洋。
2015-11-11 physics.flu-dyn
Lagrangian dispersion in experimental stratified turbulence
Laboratoire des Ecoulements Geophysiques et Industriels (LEGI), Universite Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble-INP（地球物理和工业流动实验室）；Imperial College London（伦敦帝国理工学院）；Laboratoire de Mécanique et ses Interfaces, ENSTA Paris, Institut Polytechnique de Paris（力学及其界面实验室）
通过高浮力雷诺数和低弗劳德数的大规模实验，测量分层湍流中示踪粒子的拉格朗日弥散，发现垂直弥散受浮力尺度约束，速度谱呈1/f³衰减，小尺度呈现强非高斯统计。
2026-06-11 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
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
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
Vertical motions of heavy inertial particles smaller than the smallest scale of the turbulence in strongly stratified turbulence
本文研究了强分层湍流中惯性粒子垂直运动的统计特性。我们使用运动学仿真（KS）和快速失真理论（RDT）研究的平均位置和均方根的位置波动在垂直方向上。我们改变分层的强度和粒子的惯性特征时间。分层建模使用Boussinesq方程和解决RDT的限制。这里使用的近似值的有效性要求有：$\sqrt{{L}/{g}}<{2π}/{\mathcal{N}}<τ\_η$，其中$τ\_η$是柯尔莫哥洛夫时间尺度，$g$是重力加速度，$L$是湍流积分长度尺度，$\mathcal{N}$是布伦特-韦塞拉频率。我们引入了一个漂移弗劳德数$Fr\_{d} = τ\_p g / \mathcal{N} L$。当为$Fr\_{d} < 1$时，惯性粒子位移波动的rms与流体元件相同，即$\langle(ζ\_3 - \langle ζ\_3 \rangle)^2\rangle^{1/2} = 1.22\, u'/\mathcal{N} + \mbox{oscillations}$。然而，当$Fr\_{d} > 1$、$\langle(ζ\_3 - \langle ζ\_3 \rangle)^2\rangle^{1/2} = 267 \, u' τ\_p$ .也就是说，波动的水平是由粒子的惯性$τ\_p$而不是由浮力频率$\mathcal{N}$控制的。换句话说，惯性粒子似乎有可能保留垂直上限，同时失去对Brunt…
2017-08-25 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
Mechanism generating reverse buoyancy flux at the small scales of stably stratified turbulence
Duke University（杜克大学）；University of Massachusetts Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）
研究揭示了稳定层化湍流中反向浮力通量的机制，通过分析阶梯结构与悬崖结构的作用，解释了浮力通量的反转及湍流能耗散率的变化。
2025-10-17 physics.flu-dyn
Evolution of passive scalar mixing layers in stratified and unstratified homogeneous turbulence
University of Massachusetts Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）；University of Washington（华盛顿大学）
通过高分辨率大涡模拟研究稳定分层湍流中被动标量的混合，发现横向混合在分层与未分层情况下相似但分层时稍快，而垂向混合因分层抑制大尺度搅拌而几乎停止。
2026-06-12 physics.flu-dyn
Exploiting self-organized criticality in strongly stratified turbulence
通过渐近分析推导出强分层湍流的多尺度简化模型，揭示慢大尺度与快小尺度动力学的耦合，并证明准线性简化及边际稳定性条件与自组织临界性证据相符，为极端参数下的三维研究奠定基础。
2021-11-16 physics.flu-dyn
Internal gravity waves in stratified flows with and without vortical modes
通过直接数值模拟分层湍流，发现去除涡旋模态虽能改善能量平衡并集中波频能量，但仍不足以实现弱内重力波湍流状态，最终提出了观察该状态需满足的条件。
2023-11-02 physics.flu-dyn
Mixing across stable density interfaces in forced stratified turbulence
本文通过受迫分层湍流的直接数值模拟，发现显著标量混合集中在静力稳定的密度界面而非混合层内，且界面处极端通量系数会偏斜总体统计，提示现有海洋混合参数化可能因采样偏差而高估常见混合事件的重要性。
2023-04-19 physics.flu-dyn
Helicity dynamics in stratified turbulence in the absence of forcing
对衰减稳定分层流进行了数值研究。被认为是相对较高的分层和中等雷诺数，并特别强调螺旋度（速度涡度相关性）的作用。该问题是通过集成Boussinesq方程在一个周期性的立方域使用不同的初始条件：一个非螺旋泰勒-格林（TG）流，一个完全螺旋贝尔特拉米（ABC）流，和随机流与可调螺旋度。我们表明，分层ABC流螺旋度经历了一个实质性的衰减比非分层ABC流。这一事实可能与层结和大尺度相干结构的综合作用有关。事实上，当后者缺失时，如在随机流中，螺旋度会被引力波的出现迅速破坏。一种类型的大规模耗散“旋”平衡可以用来解释这种行为。当螺旋度在系统中存在时，它强烈地影响能量的时间衰减和傅立叶模之间的能量分布。我们发现，事实上，分层的螺旋流的能量衰减率比分层的非螺旋流慢得多，可以考虑与一个唯象模型的方式类似的是什么做的非分层旋转流。我们还表明，螺旋度，当强，有一个可测量的影响傅立叶光谱，特别是在尺度大于浮力尺度，它显示了一个相当平坦的缩放与垂直剪切。
2012-11-13 physics.flu-dyn
Asymptotic dynamics of high dynamic range stratified turbulence
考虑了均匀剪切和稳定分层湍流的直接数值模拟，以探讨Gargett等人（1984）和Shih等人（2005）提出的渐近高动态范围机制。我们认为统计上固定的配置的流量，跨越三十年的动态范围内定义的分离之间的Ozmidov长度尺度，$L_O=\sqrt{ε/N^3}$，和Kolmogorov长度尺度，$L_K=(ν^3/ε)^{1/4}$，到$\mathrm{Re_b}\equiv (L_O/L_K)^{4/3}=ε/(νN^2) \sim O(1000)$，其中$ε$是平均湍流动能耗散率，$ν$是运动粘度，和$N$是浮力频率。我们隔离$\mathrm{Re_b}$的影响，特别是对不可逆混合，从分层和剪切湍流的其他流动参数的影响。具体来说，我们评估的影响的动态范围独立的初始条件。我们提出的证据表明，流量接近一个渐近状态的$\mathrm{Re_b}\gtrapprox 300$，其特征在于由一个渐近分区之间的潜在的和动能和方法的组件的耗散率到其预期值的假设下各向同性。当$\mathrm{Re_b}$增加到100以上时，湍流通量系数$Γ=χ/ε$略有降低，其中$χ$是浮力方差的耗散率，但是，对于这种流动，当$100 \leq \mathrm{Re_b} \leq 1000$时，没有证据表明通常建议的$Γ\propto \mathrm{Re_b}^{-1/2}$依赖性。
2019-04-10 physics.flu-dyn
Phenomenology of two-dimensional stably stratified turbulence under large-scale forcing
本文研究了强、中、弱稳定层结二维湍流在大尺度随机强迫作用下的能谱标度、能量和涡度拟能的尺度间传递。在强分层情况下，大尺度垂直剪切水平流（VSHF）与小尺度湍流共存。VSHF由内部重力波和湍流的动能（KE）谱，遵循近似$k^{-3}$标度与零KE通量和一个强大的正拟能通量。湍流位能（PE）的谱也近似遵循$k^{-3}$幂律，其通量指向小尺度。对于中等分层，没有VSHF和KE的湍流表现出Bolgiano-Obukhov缩放，过渡从浅$k^{-11/5}$形式在大尺度上，在小尺度上一个陡峭的近似$k^{-3}$缩放。整个尺度范围内显示出很强的正向涡度拟能通量，有趣的是，大（小）尺度显示出逆（正）KE通量。在这个制度中的PE通量是针对小尺度，和PE频谱的特点是由一个近似的$k^{-1.64}$缩放。最后，对于弱分层，KE向上转移，其频谱紧密遵循$k^{-2.5}$标度，而PE表现出前向转移，其频谱显示近似$k^{-1.6}$幂律。对于所有的层结强度，总能量总是从大尺度流向小尺度，几乎所有的谱指数都很好地解释了占相应通量的尺度依赖性质。
2016-07-28 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
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
Connecting Large-Scale Velocity and Temperature Bursts with Small-Scale Intermittency in Stratified Turbulence
在大气和海洋活动以及全球模型的数据中经常观察到大尺度场的非高斯统计。最近的直接数值模拟（DNSs）表明，稳定分层流中的大规模不稳定性是由于出现零星的，极端事件的形式在垂直速度和温度的突发。这种现象是由于波浪和湍流运动之间的相互作用，影响了混合。我们提供的证据的经典的小规模（或内部）的不稳定性的增强，由于大规模的草案的出现，连接大规模和小规模的爆发。为了这个目的，我们分析了一个大的DNSs的稳定分层Boussinesq方程的弗劳德数（$Fr\approx 0.01-1$）的值范围很广。浮力场峰度随$Fr$的变化与垂直速度的峰度相似（尽管值较小），均显示出非单调趋势。我们提出了一种机制，产生极端的垂直草案和涡度增强，遵循严格的场梯度方程。
2021-06-14 physics.flu-dyn
A Shell Model for Buoyancy-Driven Turbulence
本文提出了一个适用于稳定层结和对流湍流的统一壳模型。对稳定分层流的数值模拟表明，该模型的动能谱按$k^{-11/5}$形式变化，符合Bolgiano-Obukhbov标度。我们还观察到一个双缩放（$k^{-11/5}$和$k^{-5/3}$）的参数范围有限。对流湍流的壳模型产生Kolmogorov谱。这些结果与浮力引起的能量通量和能量供给是一致的，并且与Kumar { \em et al.} [Phys. Rev. E { \bf 90}，023016（2014）]。
2015-01-30 physics.flu-dyn
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
Self-organized criticality of turbulence in strongly stratified mixing layers
出于分层剪切流在地球物理和环境条件下的重要性，我们通过一系列直接数值模拟的湍流Holmboe波不稳定性（HWI）在各种初始条件下产生的能量，混合和光谱行为的特点。我们专注于分层的情况下，是足够的“强”，使HWI是占主导地位的流动的主要不稳定性。我们的数值研究结果表明，出现自组织临界性（SOC），这是表现为一个适当定义的梯度理查森数，$Ri_g$，与水平平均流量的调整，在这样一种方式，它是不断吸引到一个临界值$Ri_g \sim 1/4$。这种自组织是通过“冲刷”运动（即“雪崩”）的连续强化局部化而发生的，“冲刷”运动是由Holmboe波不稳定性的预锻引起的湍流的特征，并在急剧局部化的密度界面的上下两侧发展，嵌入在更加扩散的剪切层中。这些本地化的“雪崩”也被发现表现出预期的规模不变的特点。从能量学的角度来看，SOC的出现是以长寿命的湍流的形式表示的，该湍流在很长一段时间内保持在“准平衡”状态。最重要的是，这种自组织行为的不可逆混合的结果似乎是其特征一般由一个通用的累积湍流通量系数$Γ_c \sim 0.2$只为湍流所产生的Holmboe波不稳定性。这种自组织临界状态的存在证实了与分层湍流的自调节有关的原始物理论点，正如Turner（1973）所描述的那样，它涉及一种“平衡”。
2018-09-09 physics.flu-dyn
Nonlinear vortex structures in obliquely rotating stratified fluids driven by small scale non helical forces
本文研究了具有小尺度非螺旋湍流的倾斜旋转分层流体中的一种新的大尺度不稳定性。小尺度湍流是由螺旋度为零、雷诺数较低的外力作用产生的。该理论使用多尺度渐近发展的方法。在三阶摄动理论下，得到了大尺度运动的非线性方程组。本文考虑线性不稳定性和定常非线性模态。我们得到的非线性贝尔特拉米波的形式和局部涡结构的扭结的新类型的解决方案。
2017-06-01 physics.flu-dyn
Numerical study of experimentally inspired stratified turbulence forced by waves
用伪谱三阶周期模拟方法研究了类似于Coriolis平台（LEGI，Grenoble，France）\cite{Savaro2020}中得到的内波强迫的分层流动。实验强迫机制，包括在大的振动垂直面板是模仿的惩罚方法。时间和时空谱的分析表明，在实验中最强的强迫流是由两个叠加的大的和准定常的水平涡，在盒模式的内波和模式外的弱得多的波。空间谱和谱能量收支证实，非常小的水平弗劳德数$F_h$和浮力雷诺数$R$接近1的流动是在一个中间制度。由于强迫频率$ω_f$仅略小于Brunt-Väisälä频率$N$，因此存在向慢波和大涡旋的能量转移，这对应于水平方向上的高能量通量。另外两个实验可行的参数集进行了研究。更大的振幅强迫表明，对于小的$F_h$和10阶浮力雷诺数$R$，确实有可能在像科里奥利平台这样的大型装置中产生由波浪强迫的分层湍流。通过与$ω^{-2}$斜率一致的时间谱的弱非线性相互作用，迫使$ω_f = 0.40 N$的较慢波在$ω_f$和$N$之间留下空间用于"向下时间尺度"转移。然而，对于这组参数，大尺度的流动是强耗散的，并且没有下尺度的能量级联。
2022-10-06 physics.flu-dyn
Stratified inclined duct: direct numerical simulations
本文通过首批三维DNS忠实再现SID实验的四种流态，并以较低成本支持长时间模拟，揭示时间与参数变化下的分层湍流转捩。
2023-01-24 physics.flu-dyn
Vertical drafts and mixing in stratified turbulence: sharp transition with Froude number
我们调查的垂直速度和温度的大规模的不稳定性，和稳定分层的湍流的混合特性，使用拉格朗日和欧拉场直接数值模拟，在一个参数空间的大气和海洋。在一个范围内的弗劳德数的地球物理的兴趣（$\approx 0.05-0.3$），我们观察到非常大的波动的垂直分量的速度和潜在的温度，本地化的空间和时间，与急剧过渡导致非高斯翼的概率分布函数。这种行为被捕获的一个简单的模型表示之间的竞争重力波在一个快速的时间尺度和非线性陡峭的较慢的时间尺度。共振制度的存在，其特征在于增强大规模的不稳定性，所提出的模型的框架内理解，然后链接到出现的结构中的速度和潜在的温度场，局部翻转和混合。最后，在同一制度中，我们观察到的混合效率与弗劳德数的线性缩放和增加其值的大约一个数量级。
2018-09-18 physics.flu-dyn
Scaling laws for mixing and dissipation in unforced rotating stratified turbulence
我们提出了一个模型，其特征在于弱旋转分层流的混合的Rossby，弗劳德和雷诺数Ro，Fr，Re的缩放。它是基于准均分之间的动能和潜在的模式，次主导的垂直速度和减少的能量转移到小规模的衡量比rE的动能耗散其尺寸的表达。我们主要在10243点的网格上确定了它们对于非强迫Boussinesq方程的数值研究的有效域，其中Ro/Fr> 2.5，1600< Re<1.9x104;普朗特数为1，初始条件为各向同性和大尺度的速度，以及零温度θ，或者在地转平衡中。三个制度在Fr观察：主导波，涡波相互作用和强湍流。传输时间的波-湍流平衡导致rE在中间状态下随Fr线性增长，饱和度为~0.3或更高，这取决于较大弗劳德数的初始条件。埃里森尺度也被发现与Fr成线性比例，并且通量Richardson数Rf对于大致相同的参数值也转变。将模型的3个关系放在一起，可以预测混合效率在低和中等区域的比例为Fr-2~RB-1，而对于较高的Fr，它的比例为RB-1/2，正如已经观察到的：随着湍流的加强，rE~1，速度是各向同性的，较小的浮力通量完全对应于速度和温度波动的解耦，后者变得被动。
2017-12-30 physics.flu-dyn
Internal wave turbulence in a stratified fluid with and without eigenmodes of the experimental domain
本文通过实验发现层化流体中离散内波本征模会阻碍弱波湍流连续谱形成，并证明引入倾斜边界可抑制离散模态，从而实现趋近三维内波湍流的能量连续谱。
2023-05-30 physics.flu-dyn
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
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
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 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
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
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
The evolution of coherent vortical structures in increasingly turbulent stratified shear layers
我们研究了欧拉涡结构的形态及其与密度界面的相互作用，在日益动荡的稳定分层剪切层。本文分析了在分层倾斜管道实验室中得到的三维同时速度场和密度场。我们跟踪，在15个数据集，相干结构的演变，从前湍流Holmboe波，通过间歇性湍流，充分的湍流和混合。我们使用的Rortex-剪切分解的涡度场成一个纯旋转的部分（的Rortex矢量），和一个非旋转的部分（剪切矢量）。我们描述了无处不在的发夹状涡结构（揭示的rottex）的形态，类似于那些通常观察到的边界层湍流。这些都是作为相对较弱的涡流周围的强三维剪切结构的封闭Holmboe波，并逐渐加强和变形下增加湍流，转化成对向上和向下指向的发夹传播方向相反的剪切层的顶部和底部边缘。每个发夹的一对腿是反向旋转的，并在横向和垂直方向上夹带流体，它们的拱形“头”是横向涡流，垂直夹带流体。然后，我们阐明了这种大规模的旋涡形态搅拌和混合的密度场。基本上，位于混合层（主要是发夹头）的任一边缘上的尖锐密度界面处的涡流将未混合的流体团吞没到混合层中，而混合层（主要是发夹腿）内部的涡流进一步搅拌它，产生强烈的小尺度剪切，增强混合。这些发现提供了新的见解剪切驱动的分层混合中的湍流相干结构的作用。
2022-03-21 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
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
Generation of weakly nonlinear turbulence of internal gravity waves in the Coriolis facility
本文对波浪强迫下的分层湍流进行了实验研究。分层湍流存在于海洋中，并预计将由内部重力波的非线性相互作用所主导，如Garrett & Munk谱所描述的。为了达到湍流制度为主的分层，我们使用的Coriolis设施在格勒诺布尔（法国），大尺寸使我们能够达到制度与低弗劳德数和大雷诺数。分层是通过使用垂直线性变化的盐浓度，我们迫使大尺度波在$6\times6\times 1$ m $^3$域。我们进行时间分辨PIV探测速度场的时空结构。我们观察到一个由波组成的宽带谱。由于流动容器的方形形状以及连续部分，观察到离散模式，该连续部分与随机弱非线性波的轴对称叠加一致。我们的观察支持解释的湍流的强烈分层流体的内波的波动湍流，虽然我们的频谱是很大的不同，从加勒特和芒克频谱。弱湍流继续下降到一个小的截止长度尺度（浮力波长），在该尺度下，预计将过渡到更强的非线性湍流。
2020-06-25 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
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
