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
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
Waves and vortices in the inverse cascade regime of stratified turbulence with or without rotation
我们研究了分层湍流中波和涡之间的能量分配，有或没有旋转，对于各种参数，侧重于大尺度能量逆级联中的波和涡的行为。为此，我们在雷诺数Re=1000的立方体箱中进行直接数值模拟，Brunt-Väisälä频率N和惯性频率f的比值从1/4到20不等，并进行纯分层运行。测量分层强度的弗劳德数在0.02 < Fr < 0.32的范围内变化。我们发现，逆叶栅是由慢准地转模占主导地位。它们的能谱和通量表现出逆级联的特征，尽管它们的能量是不守恒的。令人惊讶的是，当N/f比增加时，慢涡仍然占主导地位，在分层情况下也是如此，尽管越来越少。然而，当N/f增加时，慢模的逆级联变得越来越弱，并且在纯分层情况下它消失。我们讨论了如何消失的逆级联的能量增加N/f可以解释的波和涡，并确定三个主要的影响，可以解释这种过渡的基础上无粘不变量参数。
2015-09-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Lagrangian intermittency and vertical confinement in stably stratified turbulence
本研究通过分析不同分层强度下均匀分层湍流的拉格朗日速度统计，揭示了轨迹垂直约束增强和水平方向的高阶间歇性，强调了浮力对拉格朗日动力学的重要作用。
2025-03-28 physics.flu-dyn
Single-particle dispersion in stably stratified turbulence
我们提出了稳定分层流的垂直和水平方向的单颗粒分散模型。在垂直方向上的模型是基于观测到的拉格朗日谱的垂直速度，而在水平方向上的模型是一个连续时间的涡约束随机游走过程的组合，从水平风的运输的贡献。运输时间大于拉格朗日周转时间是不普遍的，并依赖于这些风。该模型产生的结果与分层湍流的直接数值模拟，其中单颗粒分散不同的均匀和各向同性湍流的情况下，充分研究的结果吻合良好。
2018-03-05 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
Invariant manifolds in stratified turbulence
我们提出了一个简化的系统7常微分方程，捕获的时间演变的空间梯度的速度和温度的分层湍流的流体元素。我们证明了不变流形的存在（进一步降低系统的维数），并将结果与稳定分层情况下完全不可压缩Boussinesq方程直接数值模拟的数据进行比较。数值结果在约化系统的不变流形上累积，表明系统处于不稳定的边缘。最后，我们研究了约化系统的稳定性，并表明它与最近在分层湍流中观察到的非单调依赖的层结湍流是相容的。
2019-04-05 physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulation of the Moist Stably Stratified Surface Layer: Turbulence and Fog Formation
我们调查的稳定分层的表面层上的冷凝和液态水负荷的影响，着眼于了解雾形成的湍流混合的影响。直接数值模拟（DNS）的干和湿明渠流进行，在这两个恒定的冷却率是在地面上应用，以模仿长波辐射冷却。取决于冷却速率，它可以导致湍流（弱稳定）或层流（非常稳定）。与完全干燥的情况相比，液态水在潮湿情况下的冷凝使得在导致湍流崩溃之前能够实现稍高的冷却速率。在非常稳定的情况下，失控冷却导致接近地面的液态水大量凝结，并在大部分区域产生雾（能见度小于1公里）。在弱稳定的情况下，湍流混合在类似的时间段内仅产生接近地面1公里的湍流。然而，尽管该系统的理想化的性质，目前的结果表明，湍流阻碍，虽然不一定会抑制，雾的形成。一个可能的机制内形成雾的湍流，其中增加的液态水含量的区域内形成的低速条纹的近壁循环。这些条纹在潮湿的情况下，由于减少了耗散的湍流动能相比，干燥的情况下，虽然在这两种情况下的条纹是不那么有活力和持久性比中性分层流。
2020-12-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
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
Baroclinic equivalent and nonequivalent barotropic modes for rotating stratified flows
严格地说，地球上的一切自然现象都应放在旋转坐标系下来处理。尽管无旋流体的层流解已经得到了很好的研究，但旋转流体的斜压非等效正压层流解的存在性问题仍然是一个未知数。本文首先探索了所有可能的等效正压层流解，发现了所有可能的斜压非正压椭圆环流和双曲层流模态。斜压EB环流（包括涡列和飓风状涡）具有丰富的结构，这是因为可以使用任意非线性Poison方程的任意解或揭示任意二维流函数。斜压非EB模态的发现推翻了一个已知的猜想。这些结果在大气和海洋动力学、等离子体物理、天体物理等领域有着广泛的应用。
2009-02-15 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
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
Equations of motion and conservation laws in a theory of stably stratified turbulence
这封信认为非等温流体流动和修改简化的基本流体动力学方程，这种流动最终到达一个概括的Oberbeck-Boussinesq近似有效的任意状态方程，包括非理想气体以及液体。所提出的方法是基于建议的一般定义的潜在温度。特别注意的是把能量守恒原理，并表明，所提出的近似精确地保存总机械能的近似运动方程。任何湍流边界层模型尊重守恒律的主要重要性明确强调。
2008-03-18 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Impact of alignments between fluctuating and mean density gradients on the scale-dependent energetics 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）
通过直接数值模拟，研究了稳定分层湍流中波动与平均密度梯度对准对湍动能和可用势能跨尺度输运的影响，发现对准与浮力通量反转及能量通量减弱相关，且强对准区域多出现在稳定区。
2026-06-15 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Towards bridging the gap between data-driven and theoretical turbulence closures in stratified flows
New York University（纽约大学）
本文探讨了海洋中尺度涡旋的湍流闭合问题，通过理论分析和数据驱动方法，旨在弥合人工智能与理论流体动力学之间的差距。
2026-06-23 physics.ao-ph 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
Saturation of a large scale instability and non linear stuctures in a rotating stratified flow
在这封信中，我们提出了非线性结构的饱和，大规模的不稳定性，在旋转分层流体与小规模的强迫湍流，我们发现在\cite{[1]}。这些结构是螺旋扭结型。我们绘制的不同解对应于连接不同瑞利数和泰勒数值的两个不同驻点的解。
2014-06-16 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
Large-Eddy Simulation of Stably Stratified Atmospheric Boundary Layer Turbulence: A Scale-Dependent Dynamic Modeling Approach
发展了一种新的无调谐亚网格模型--局部平均尺度相关动力学（LASDD）模型，并将其应用于稳定边界层的大涡模拟（LES）。新模型动态计算Smagorinsky系数和亚网格尺度普朗特数的基础上解决的速度和温度场的局部动力学。总的来说，LES产生的湍流的统计数据与一些成熟的经验公式和理论预测（例如，Nieuwstadt的局部标度假说）是显著的。结果表明，在表层的大多数传统的亚网格尺度模式的明显改善。此外，与以前的稳定边界层的大涡模拟，有很强的依赖于网格分辨率相比，模拟统计数据与LASDD模型显示相对较小的分辨率依赖于这里考虑的网格尺寸的范围。从本质上讲，我们表明，新的LASDD模型是一个强大的亚网格尺度参数化的可靠，无调谐模拟稳定的边界层，即使相对粗糙的分辨率。
2005-02-24 physics.ao-ph 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
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
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
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
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
Nonlinear energy transfers and phase diagrams for geostrophically balanced rotating--stratified flows
平衡统计力学工具已经被发展来获得关于在二维和准二维流中非线性能量传递的自然趋势的指示，如地转平衡中的旋转流和分层流。在这篇文章中，我们考虑了一个简单的模式，这种流动与一个非平凡的垂直结构，即两层准地转流，这仍然适合于分析研究。我们得到的系统的统计平衡的情况下的线性涡度流函数关系，建立相应的相图，并讨论了最可能的结果的非线性能量转移，无论是在水平和垂直方向上，在分层和旋转的存在。
2014-03-10 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph 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
Analytic solutions of the rotating and stratified hydrodynamical equations
本文研究了二维不可压旋转和分层、旋转和分层Euler方程之间的相互关系以及它们与具有自相似性的正规Euler方程之间的相互关系。四种模型的密度场、压力场和速度场都有解析解，其中有些是复合幂律相关函数。一般来说，解具有丰富的数学结构。一些解显示非物理的爆炸性质，然而其他解是物理上可接受的，并且具有有限的数值和幂律衰减。为了更好的透明度，我们提出了一些最复杂的速度和压力场的数字。
2020-06-05 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
A hierarchy of energy- and flux-budget (EFB) turbulence closure models for stably stratified geophysical flows
本文从湍流动能、位能、动量通量和浮力通量的收支方程和湍流耗散时间尺度的松弛方程出发，提出了湍流能量和通量收支闭合的物理背景。该闭合是为从中性到非常稳定的分层地球物理流设计的，并考虑了地球自转。根据现代实验证据，封闭性意味着在任何梯度理查森数Ri下，速度切变都能维持湍流，并区分两种主要不同的状态：Ri << 1时的“强湍流”，典型的边界层流，其特征是湍流普朗特数几乎恒定;以及Ri > 1时的“弱湍流”，这是自由大气或深海的典型特征，其中湍流普兰特数随着Ri的增加而渐进线性增加（这意味着与动量传递相比，对热量传送的抑制非常强）。在不同的应用中使用，封闭制定在不同层次的复杂性，从本地代数模型相关的稳定状态的湍流制度的层次结构的非本地封闭，包括更简单的下降梯度模型，提出的涡流粘度和涡流传导率，和一般的非梯度模型的基础上预测方程的湍流，包括湍流通量的所有基本参数。
2015-05-12 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
A new large scale instability in rotating stratified fluids driven by small scale forces
本文发现了一种新的大尺度不稳定性，这种不稳定性表现为强迫湍流中的分层旋转流。湍流是由低雷诺数下的小尺度外力产生的。该理论是建立在严格的渐近方法的多尺度发展。关于力没有其他特别的限制。在以前的论文中，力要么是螺旋的，要么是违反宇称不变性的。在三阶摄动理论下，得到了不稳定性的非线性方程。在这篇文章中，我们解释了详细的研究的线性阶段的不稳定性。
2013-11-12 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
Forced Stratified Turbulence: Successive Transitions with Reynolds Number
数值模拟的强制湍流的雷诺数，R，保持固定的强稳定，体积平均密度分层的值的序列。在较小的R值，湍流速度主要是水平的，和动量平衡近似旋和静水。这是一个由所谓的煎饼涡主导的区域，只有内部重力波的弱激发和局部理查森数Ri的大值。在较高的R值有连续的过渡到（a）倾覆运动与局部逆转的密度分层和小或负值的Ri;（b）增长的水平均匀的垂直剪切流分量;和（c）增长的大规模的垂直流分量。在这些转变过程中，饼状涡继续主导湍流的大尺度部分，而重力波分量除了在小尺度上外仍然很弱。
2003-04-22 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Unbalanced instabilities of rapidly rotating stratified shear flows
本文研究了在强旋转和层化条件下，旋转、分层、无粘的槽道水平面Couette流的线性稳定性。能量参数被用来表明，不稳定的扰动必须有大的波数。这促使使用的WKB方法，在第一种情况下，提供了一个近似的色散关系的各种波，可以在流中传播。这些是开尔文波，被困在通道壁附近，惯性-重力波有或没有转折点。虽然，波相速度被发现是真正的Rossby数的所有代数订单，我们建立的流量，无论是气旋或反气旋，是无条件不稳定的。这是具有相反符号的波动量的波之间的线性共振的结果。我们得到渐近估计的不稳定增长率，这是指数小的Rossby数，并确认它们通过数值计算。我们的结果扩展了Kushner等人（1998）和Yavneh等人（2001）的结果，突出了在地球物理流体动力学中广泛使用的所谓平衡模型的局限性，该模型滤除了开尔文波和惯性重力波，从而预测了库埃特流的稳定性。它们也与泰勒-库埃特流和天体物理吸积盘的稳定性有关。
2006-11-06 physics.ao-ph 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
Parameterizing the Energy Dissipation Rate in Stably Stratified Flows
我们使用直接数值模拟的数据库来评估稳定分层流中能量耗散率的参数化。我们表明，剪切为基础的配方是更适合于稳定的边界层比常用的浮力为基础的配方。作为推导的一部分，我们探讨了几个长度尺度的湍流，并调查其依赖于当地的稳定性。
2020-08-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Turbulence in stratified atmospheres: implications for the intracluster medium
团内介质（ICM）中的气体运动受分层湍流控制。分层湍流与Kolmogorov（各向同性，均匀）湍流有着根本的不同;动能不仅从大尺度到小尺度级联，而且还转化为浮力势能。为了了解ICM中的密度和速度波动，我们对亚音速湍流（具有均方根马赫数$\mathcal{M}\approx 0.25$）和不同层次的分层进行了高分辨率（$1024^2\times 1536$网格点）流体动力学模拟，分层由Richardson数$\mathrm{Ri}$量化，从$\mathrm{Ri}=0$（无分层）到$\mathrm{Ri}=13$（强分层）。我们量化的密度，压力和速度场变化的分层，因为观测研究经常使用表面亮度波动来推断的ICM湍流气体速度。我们发现，对数密度波动的标准偏差（PDMATHAMR），其中$s=\ln(ρ/\left<ρ(z)\right>)$，增加与PDMATHAMO。对于弱分层亚音速湍流（$\mathrm{Ri}\lesssim10$，$\mathcal{M}<1$），我们导出了一个新的$σ_s$-$\mathcal{M}$-$\mathrm{Ri}$关系式，$σ_s^2=\ln(1+b^2\mathcal{M}^4+0.09\mathcal{M}^2\mathrm{Ri}H_P/H_S)$，其中$b=1/3$ - $1$为湍流驱动参数，$H_P$和$H_S$分别为压力和熵标度高度。我们…
2020-03-25 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.ao-ph
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
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
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
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
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
Generation of turbulence through frontogenesis in sheared stratified flows
海洋和大气中的大尺度结构处于地转平衡状态，必须找到一个管道，将能量引导到小尺度上，使之得以消散。在湍流中，这采取能量级联的形式，而在大尺度的平衡流中，一种可能的机制是通过形成锋面，这是地球物理动力学中常见的现象。我们在本文中表明，一个标志性的配置在实验室和数值实验研究的湍流，泰勒-格林或冯卡门旋流，可以适当地适应的情况下，具有大的纵横比的流体，导致创建一个强加的大规模的垂直剪切。为此，我们使用直接数值模拟的Boussinesq方程没有净旋转，没有小规模的建模，并与这个理想化的泰勒-格林设置。使用各种网格间距，最多可达$2048^2\times 256$空间点。网格始终是各向同性的，框纵横比为$1:4$或$1:8$。我们发现，当剪切和分层是可比的，施加的剪切层所造成的强迫导致形成多个锋和细丝，不稳定，并进一步演变成一个湍流的散装，与相当数量的耗散和混合，并与一个周期的前创建，不稳定，和发展的湍流。结果取决于剪切和分层的垂直长度尺度，当两个长度尺度相当时，会产生更强的大尺度梯度。
2018-02-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
