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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Tangling clustering instability for small particles in temperature stratified turbulence
我们研究了有限相关时间较小的温度分层湍流中的颗粒聚集。结果表明，温度分层湍流强烈地增加了颗粒速度场的可压缩程度。这导致即使对于小颗粒，缠结聚集不稳定性的激发阈值也大大降低。温度层结湍流中的缠结团簇不稳定性与非层结各向同性和均匀湍流中的惯性团簇不稳定性有着本质的区别。惯性团簇不稳定性是由湍流涡旋的离心作用引起的，而缠结团簇不稳定性的机制则与速度脉动对平均温度梯度的缠结所产生的温度脉动有关。温度波动产生压力波动，并在压力波动增加的区域引起颗粒聚集。结果表明，纠缠团簇不稳定性的增长率远大于惯性团簇不稳定性的增长率。结果发现，依赖于参数的湍流和平均温度梯度有一个优先的颗粒尺寸，在该颗粒聚集由于缠结集群不稳定性是更有效的。在这种不稳定性饱和后，团簇内的粒子数密度可以比平均粒子数密度大几个数量级。它还表明，液滴的蒸发急剧改变缠结集群的不稳定性，例如，它增加了液滴半径的不稳定性阈值。缠结成簇不稳定性是非常重要的，例如，大气湍流和逆温现象。
2013-06-25 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Uncertainty Growth in Stably Stratified Turbulence
International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research（国际理论科学中心，塔塔基础研究院）
研究了统计稳态稳定层化三维湍流中的不确定性增长和混沌动力学，通过双模拟和去相关诊断量化初始微扰的发散，发现层化强度增加会单调降低李雅普诺夫指数，但不确定性增长仍保持与各向同性湍流相似的时间序列。
2025-12-05 cond-mat.stat-mech 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
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
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
Energy-flux vector in anisotropic turbulence: application to rotating turbulence
能量通量在能量级联湍流分析中起着关键作用。在各向同性湍流中，通量由作为波数大小的函数的标量给出。另一方面，各向异性湍流中的通量应该是一个既有方向又有大小的几何矢量，不仅取决于波数的大小，而且还取决于波数的方向。各向异性湍流中的能量通量矢量不能用各向同性通量的方法唯一地确定。在本文中，我们引入了两个假设，即非线性能量传递的净局部性和有效性，提出了一种利用Moore-Penrose逆来确定各向异性湍流中能量通量矢量的方法。根据直接数值模拟得到的能量传递率，给出了强旋转湍流中的能量通量矢量。结果表明，在惯性波占主导地位的波数范围内，能流矢量的方向与弱湍流理论的预测是一致的。然而，沿临界波数的能量通量预测的缓冲区之间的弱湍流范围和各向同性Kolmogorov湍流范围的临界平衡没有观察到在目前的模拟。临界平衡和目前的数值结果之间的差异进行了讨论，并发现耗散在缓冲区范围内的能量通量中起着重要的作用。
2020-10-02 nlin.CD 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
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
Turbulence in stably stratified radiative zone
恒星辐射带中的湍流输运是一个很大的课题，人们对此知之甚少。许多物理过程可以潜在地驱动恒星辐射区的湍流，但有限的观测约束和湍流输运模型的不确定性使得很难确定最相关的一个。在这里，我们专注于稳定分层的径向湍流输送的化学品的效果，更特别的情况下，湍流是由径向剪切驱动。数值模拟的结果，旨在测试湍流传输的唯象模型。虽然这似乎没有什么野心，但无论驱动湍流运动的机制是什么，稳定层结都会影响径向湍流输送，目前的考虑对这些其他机制也是有用的。
2019-11-18 astro-ph.SR 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
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
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
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
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
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
Numerical validation of scaling laws for stratified turbulence
本研究通过直接数值模拟验证了分层湍流的标度律，表明多尺度模型能准确捕捉小尺度各向同性主导区域的特性，而其单尺度简化则适用于描述外部层状平静流动。
2024-05-11 astro-ph.SR 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
Internal gravity waves in the energy and flux budget turbulence-closure theory for shear-free stably stratified flows
本文提出了考虑重力重力内波与无剪切稳定层结湍流双向耦合的能量通量平衡湍流闭合理论。该理论基于IGW的总（动能加势能）能量的收支方程、流体湍流的动能和势能的收支方程以及波浪和流体流动的位温的湍流通量。在一定高度处发射的波向上传播，并且波浪能的损失导致湍流能的产生。我们证明，由于非线性效应更强的波浪产生更强的湍流，这反过来又导致IGW的强阻尼。结果表明，较强的波浪的穿透长度比较弱的IGW的穿透长度短。弱IGW产生的湍流各向异性比强IGW产生的湍流各向异性强。低振幅IGW产生的湍流占湍流势能的90%。这类似于所观察到的高空对流层强各向异性（近二维）湍流的性质。
2019-06-24 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
