Critical Fluctuation of Wind Reversals in Convective Turbulence
对流湍流中风向的不规则逆转被发现有波动的时间间隔，可以与临界行为。结果表明，净磁化强度的二维伊辛晶格的有限大小的波动以同样的方式。风逆转时间序列的去趋势波动分析结果的缩放行为，同意与伊辛问题。发现的性质表明，风逆转现象表现出自组织临界性的迹象。
2004-04-08 physics.flu-dyn
Revisiting the role of intermittent heat transport towards Reynolds stress anisotropy in convective turbulence
热羽流是在对流边界层中携带热量和动量的包含能量的涡流运动。对它们结构的详细了解对于一系列应用具有根本意义，从壁面工程流到量化表面-大气通量交换。我们解决的雷诺应力各向异性与热羽流中的热传输的间歇性的方面，通过执行一个不稳定的大气表面层流中的雷诺应力张量的不变分析，使用现场实验数据集。考虑到湍流热通量的间歇性和不对称性，我们在基于事件的框架中制定了这个问题。在这种方法中，我们提供的结构描述的暖上升气流和冷下沉气流事件和调查的雷诺应力张量的各向同性的程度在这些事件的不同大小。我们发现，这些事件中只有一个子集与高度对流条件下的各向异性湍流最少。此外，间歇性的大热流事件被发现在不稳定的层结下的湍流各向异性的贡献很大。此外，我们发现，与各向同性度的最大值相关的尺寸不对应于热流分布的峰值位置。这是因为，与最大热通量相关的垂直速度波动的大小，传输大量的流向动量。初步研究表明，最小各向异性事件的大小可能与混合长度尺度（$z^{0.5}λ^{0.5}$，其中$z$是测量高度，$λ$是大涡长度尺度）成比例。
2020-05-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Persistence in Active Turbulence
本研究利用广义流体力学模型探究了active turbulence中的持久性问题，发现相干涡旋内被动示踪粒子的持久时间遵循由活性强度决定的Weibull分布，而湍流背景下呈指数分布，并揭示了不同区域内驱动持久性的不同机制。
2023-09-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Convective turbulence in a Rayleigh-Benard system with and without rotation in the infinite Prandtl number limit
Rayleigh Benard系统中的对流湍流在能量谱或熵谱中表现出明显的不情愿。最近的Pandey，Verma和Mishra的数值模拟显示了在无限普朗特数极限下标度的明显更好的证据。这促使我们分析地看待这个极限。我们发现，不可避免的存在清扫有助于给一个很好的理解的结果Pandey等。在存在旋转的情况下，在最近的实验和模拟中，在有限的普朗特数下，Nusselt数的瑞利数依赖性显示出斜率的强烈增加。在无限普朗特数的情况下，我们发现，这种陡峭不会发生任何转速和我们的结果满足Doering-Constantin界。
2014-06-09 physics.flu-dyn
Rotating convective turbulence in moderate to high Prandtl number fluids
针对高普朗特数旋转对流研究不足的问题，开展多Pr值旋转对流实验，发现斜压扭矩平衡的普适性及湍流尺度特征，建立可推广至地球物理场景的流速标度关系。
2023-11-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Lagrangian dispersion and heat transport in convective turbulence
基于三维直接数值模拟，对湍流Rayleigh-Benard对流中的局部温度混合和热输运进行了拉格朗日研究。与垂直对距离相反，横向对距离的时间增长符合理查森定律，但由于羽流中的相关对运动，产生较小的理查森常数。因此，我们的研究结果意味着理查森色散也被发现在各向异性湍流。我们发现，非常大的垂直加速度出现频率低于横向的，并没有连接到上升或下降的热羽流。高度相关的联合拉格朗日统计的垂直加速度和局部热传递，使我们能够确定一个区域，这是由热羽混合为主。
2008-03-11 physics.flu-dyn
Persistence Problem in Two-Dimensional Fluid Turbulence
我们提出了一个自然的框架，研究在二维流体湍流的持久性问题，通过使用Okubo-Weiss参数$Λ$来区分旋涡和拉伸区域。然后，我们使用一个直接的数值模拟（DNS）的二维，不可压缩的纳维-斯托克斯方程与Ekman摩擦研究概率分布函数（PDF）的持续时间的涡和拉伸区域采用欧拉和拉格朗日测量。我们发现，在欧拉的情况下，持续时间的PDF有指数的尾巴，相比之下，拉格朗日粒子的PDF，在涡旋区域，有一个幂律的尾巴与指数$θ=2.9\pm0.2$。
2011-02-03 astro-ph.SR cond-mat.stat-mech nlin.CD
The minimal seed for transition to convective turbulence in heated pipe flow
本研究通过DNS和非线性非模态稳定性分析，发现加热管道流中浮力抑制湍流，最小种子随浮力数C增大而变薄，临界能量增加，并揭示对流湍流维持的三个典型过程。
2024-07-23 physics.flu-dyn
Large-scale circulations in a shear-free convective turbulence: Mean-field simulations
本研究通过无剪切对流的平均场数值模拟，验证了非均匀大尺度流动对湍流通量的修正作用，揭示了其在大尺度半组织化对流胞形成中的关键机制及相关参数影响规律。
2022-09-15 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Dynamics of diffusive-convective staircases in the ocean
Yale University（耶鲁大学）；Helmholtz-Zentrum Hereon（赫尔姆霍茨海雷恩中心）
本文综述扩散-对流阶梯理论，分析层合并与界面分裂机制及背景湍流影响，指出弱湍流下阶梯可维持而强湍流下被破坏，并强调小尺度过程与大尺度相干性关联的挑战。
2026-06-24 physics.flu-dyn
Modelling the transition from shear-driven turbulence to convective turbulence in a vertical heated pipe
本研究针对加热管道流中浮力引发的流动间歇性问题，构建时变背景轴向温度梯度模型，通过DNS探究不同管长与边界条件下的流动转变规律，证实局部剪切湍流衰减的无记忆特性及对流湍流的触发机制。
2025-01-14 physics.flu-dyn
Modelling stellar convective transport with plumes: I. Non-equilibrium turbulence effect in double-averaging formulation
对流中的羽流被认为与对流中的湍流输送有关。本文采用时空双平均方法研究对流湍流中的有效质量、动量和热量输运，将场量分解为时空平均场、色散或相干涨落和随机或非相干涨落三部分。在这个框架下，湍流关联的平均场方程被分为色散/相干和随机/非相干的关联部分。本文将羽流视为相干脉动，借助于非平衡效应，建立了对流湍流的输运模型，在湍流输运系数的模拟中考虑了湍流特性沿平均流的变化。在这项工作中，第一次，沿羽流运动的湍流特性的变化被纳入湍流输运系数的表达式。这个非平衡模型适用于恒星对流。表面冷却驱动的对流的一个显着特征是表层以下增强的和局部的湍流质量通量，这根本无法通过通常的涡流扩散率模型和混合长度理论（MLT）来重现，但可以很好地重现本模型。我们的研究结果表明，将羽流运动纳入湍流输送模型是一个重要的和非常相关的平均场论的扩展超出了启发式梯度输送模型与MLT。
2022-04-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
The Surprising Transition in Atmospheric Boundary Layer Turbulence Structure from Neutral to Moderately Convective Stability States and Mechanisms Underlying Large-scale Rolls
白天大气边界层（ABL）湍流的矢量风结构强烈依赖于水平波动（由中尺度风驱动）的剪切驱动的湍流产生和垂直速度波动（由太阳能加热驱动）的浮力驱动的湍流产生之间的平衡，其特征在于全球不稳定状态参数$-z_i/L > 0$。在完全剪切驱动的中性限制$-z_i/L \rightarrow 0$，表面层是由负流向波动速度（低速条纹）的相干流向拉长浓度为主，而在适度对流状态（$z_i/L \sim 10$）浮力产生集中垂直速度波动的流向拉长热上升气流片。使用大涡模拟（LES），我们研究了中性和中度对流状态之间的转换，通过量化的相关性和积分尺度作为$-z_i/L$的功能，系统地增加地面热通量与固定的地转风。我们发现了一个令人惊讶的突然过渡ABL湍流结构在$-z_i/L \approx 0.40$与流向相干性的显着增强，特别是在混合层，和ABL动态响应的突然变化，进一步增加表面加热。在超临界ABL中，表面热通量的持续增加导致最大相干态，（$z_i/L \sim 1.0-1.5$）与螺旋形大尺度滚动结构和异常相干的热上升气流有关，这一过程由两个关键的动力学效应驱动：（a）流向速度波动和剪切驱动的低速条纹的流向相干性令人惊讶地持续增加，以及（b）增加了下表面层中的相干低速条纹与上混合层中的相干热上升气流之间的空间相关性。
2018-12-07 physics.flu-dyn
Helicity of mean and turbulent flow with coherent structures in Rayleigh-Benard convective cell
本文研究了具有加热底壁和冷却顶壁的Rayleigh-Benard矩形对流单体中具有大尺度环流的湍流空气流动。在大部分流动中，主卷的平均水平速度和涡环的平均涡量几乎是一致的。平均气流的螺旋度很高，是湍流螺旋度的来源。由于平均流动和湍流的螺旋度都很大，Rayleigh-Benard对流单体中的流动非常适合于研究螺旋湍流的性质。
2013-12-04 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
Experimental study of turbulent transport of nanoparticles in convective turbulence
我们进行了实验研究的纳米颗粒在对流湍流与瑞利数$\sim 10^8$在空气流中的湍流传输。我们用一个装有11个热电偶的温度探头测量了多个位置的温度场。直径为$\sim 70$ nm的纳米颗粒由高级电喷雾气溶胶发生器产生。为了确定纳米颗粒的数密度，我们使用凝聚粒子计数器。我们表明，湍流效应（这是重要的核心流）和分子效应（这是必不可少的腔室的边界附近）的联合作用的结果在一个有效的纳米粒子在腔室的冷壁的积累。湍流效应的特征在于纳米颗粒的湍流扩散和湍流热扩散，而分子效应则由布朗扩散和热泳以及纳米颗粒在腔室冷壁处的粘附来描述。在不同的实验中，在对流湍流的室与温度之间的差异$ΔT$的底部和顶部的壁变化之间的$ΔT= 29$ K到$ΔT= 61$ K，我们发现，纳米粒子的平均数密度随时间呈指数下降。例如，纳米颗粒的平均数密度的特征衰减时间从$ΔT= 61$ K的12.8分钟变化到$ΔT= 29$ K的24分钟。为了更好地理解实验结果，我们进行一维平均场数值模拟的平均数密度的纳米粒子的实验室实验相关的条件下的演变。数值计算结果与实验结果吻合较好。
2022-04-12 physics.flu-dyn
Anisotropic particles in two-dimensional convective turbulence
二维对流湍流中各向异性无惯性颗粒的取向动力学表现出规则与混沌共存的特征。我们用数值方法证明了非常细长的颗粒（杆）优先与流体流动的方向对齐，即，水平地靠近等温壁，并且在本体中主要垂直地。这种行为是由于存在一个持续的大规模环流结构，这导致强烈的剪切壁边界和上/下涌区域。近壁水平排列的杆坚持在增加瑞利数，而在散装的垂直方向逐渐减弱相应的湍流强度的增加。此外，我们发现，非常细长的颗粒几乎正交的温度梯度的方向，一个独立的系统维数的对齐，并成为精确的只有在无限普朗特数的限制。在靠近壁面的地方，粒子的翻滚速率非常剧烈，在那里粒子大致执行杰弗里轨道。这意味着球体的均方根近壁翻滚速率比杆强得多，高达$Ra\simeq 10^9$的$\mathcal{O}(10)$倍。在湍流中，情况相反，杆比各向同性颗粒的翻滚速度略快，这与早期在二维湍流中的观察结果一致。
2020-03-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Semi-organized structures and turbulence in the atmospheric convection
本研究将能量与通量收支（EFB）理论拓展至大气对流边界层核心区，推导得到半组织结构的动能、热能及全局湍流特征与相关参数的关系，可应用于建模及相关实验与模拟分析。
2024-02-08 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
A study of daytime convective vortices and turbulence in the martian Planetary Boundary Layer based on half-a-year of InSight atmospheric measurements and Large-Eddy Simulations
研究大气行星边界层（PBL）对了解行星的气候至关重要。InSight上的仪器在纬度4.5 $^{\circ}$ N处进行的气象测量为研究火星上白天PBL的活跃湍流动力学提供了独特的丰富数据集。在这里，我们使用InSight操作的前400个溶胶（从北半球的冬末到仲夏）中的高灵敏度连续压力，风，温度测量来分析火星白天PBL中的阵风，对流单体和漩涡。我们将InSight测量结果与连续分辨大涡模拟（LES）进行了比较。洞察号着陆点的白天PBL湍流非常活跃，对流单体的特征清晰可见，记录了6000次涡旋遭遇，可用指数为3.4的幂律充分表示。虽然InSight遇到的涡旋的每日变化可以通过湍流的统计性质来解释，但季节性变化与环境风速呈正相关，这得到了LES的支持。然而，阵风是正相关的地面温度，而不是环境风速和感热通量，确认白天火星PBL的辐射控制，和较少的对流涡形成LES时，背景风加倍。因此，InSight着陆点涡旋遭遇的长期季节性变化主要受环境风速对流涡旋平流的控制。LES中形成的涡旋所遵循的典型轨迹在方向和长度上显示出与轨道图像相似的分布。
2020-11-04 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Ultimate heat transfer in `wall-bounded' convective turbulence
直接数值模拟已经进行了湍流热对流之间的水平无滑移，可渗透的墙壁与距离$H$和恒定的温度差$ΔT$在瑞利数$Ra=3\times10^{3}-10^{10}$。在无滑动壁面$z=0$、$H$上，假定壁面法向（垂直）蒸发速度与局部压力波动成比例，即$w=-βp'/ρ, +βp'/ρ$（Jiménez等人，流体力学杂志，第442卷，2001年，第442页。89-117），并且可渗透壁的性质由用浮力引起的终端速度$U={(gαΔTH)}^{1/2}$归一化的渗透率参数$βU$给出，其中$ρ$、$g$和$α$分别是质量密度、重力加速度和体积热膨胀率。通过壁的零净质量通量被瞬间确保，并且热对流仅由浮力驱动，而没有任何额外的能量输入。在固定$βU=3$和固定普朗特数$Pr=1$的两个$Ra$区之间发现了对流湍流传热的临界转变。在次临界状态下，$Ra$较低时，努塞尔数$Nu$与$Ra$成比例，与$Nu\sim Ra^{1/3}$成比例，正如在湍流瑞利-贝纳德对流中通常观察到的那样。另一方面，在较高$Ra$的超临界状态下，实现了最终的缩放$Nu\sim Ra^{1/2}$，这意味着壁到壁的热通量与$UΔT$缩放，而与热扩散率无关，尽管壁上的热传递主要由热传导主导。提出了实现极限传热的物理机制。
2020-04-19 physics.flu-dyn
Laminar and turbulence forced heat transfer convection correlations inside tubes. A review
本文综述了管内层流和湍流强制对流传热关联式，系统评估了公开文献中实验与计算研究的既有及最新成果，涵盖不同管形与纳米流体建模，旨在优化热设计并提升性能。
2024-01-04 physics.flu-dyn
Lagrangian studies in convective turbulence
我们提出了高分辨率的直接数值模拟湍流三维瑞利-贝纳德对流的拉格朗日性质的流动的重点。该体积是一个笛卡尔板，纵横比为4，由顶部和底部的自由滑动平面和周期性的侧壁界定。湍流在垂直方向上是不均匀的。这体现在不同的横向和垂直的两个粒子的分散和分散的初始示踪剂的位置上的短期和中期的依赖性。类似于均匀各向同性湍流，色散特性取决于另外的初始对分离，并产生一个短程Richardson样的缩放制度的初始分离接近Kolmogorov耗散长度的两粒子色散。Richardson常数大约是均匀各向同性湍流值的一半。多粒子统计非常接近均匀各向同性的情况。四个拉格朗日示踪剂的集群显示出明显的趋势，形成平坦的，几乎共面的对象在长时间限制和偏离高斯预测。已经采取了重大的努力，以解决正确的四阶加速度分量的统计。我们发现，垂直加速度比横向的间歇性少。垂直加速度与当地对流和传导热通量的联合统计表明，上升和下降的热羽流与最大的加速度幅度无关。事实证明，在拉格朗日框架中计算的努塞尔数在时间上缓慢地收敛到标准欧拉数。
2009-05-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Multi-range fractional model for convective atmospheric surface-layer turbulence
提出多范围分数（MRF）模型捕捉受多种效应影响的多自相似范围湍流谱，利用青土湖高雷诺数观测数据验证，更新了多点Monin-Obukhov理论量化，并提出了流向速度方差垂直依赖关系新表达式，为湍流数据分析与合成生成提供新方法。
2024-12-24 physics.flu-dyn
Universal fluctuations in the bulk of Rayleigh-Bénard turbulence
我们提出了一个调查的均方根（rms）温度$σ_T$和均方根速度$σ_w$在大部分的瑞利-贝纳德湍流，使用新的实验数据，从目前的研究和以前的研究的实验和数值数据。我们发现，一旦缩放的对流温度$θ_*$，$σ_T$在单元中心的值是一个常数，即$σ_{T,c}/θ_* \approx 0.85$，在很宽的范围内的瑞利数（$10^{8}\leq Ra\leq 10^{15}$）和普朗特数（$0.7\leq Pr \leq 23.34$），是独立的对流单体的顶板和底板的表面形貌。接近1的常数表明$θ_*$是核心区域温度波动的适当度量。另一方面，$σ_{w,c}/w_*$，即对流速度$w_*$换算的单元中心垂直均方根速度，在$Pr\sim4.3$处对$10^8\leq Ra\leq 10^{10}$表现出弱的$Ra$依赖性（$\sim Ra^{0.07\pm0.02}$），并且与板块地形无关。类似于He \& Xia（{ \it Phys. Rev. Lett.，} vol. 122，2019，014503），我们发现在具有平均水平剪切的混合区区域中的rms温度分布$σ_T(z)/θ_*$表现出与$z$到板的距离的幂律依赖性，但是现在通用分布适用于光滑和粗糙表面形貌以及更宽范围的$Ra$。垂直均方根速度剖面$σ_w(z)/w_*$服从对$z$的对数依赖关系。因此，研究表明，温度和速度的典型尺度…
2019-08-16 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Time-dependent Turbulence in Stars
壳体氧燃烧的三维（3D）流体动力学模拟（Meakin和Arnett 2007）显示出湍流动能的突发性、周期性波动。这些被证明是由于在对流区的全球不稳定性，这已被抑制在计算恒星演化使用混合长度理论（MLT）。Lorenz（1963）的对流卷（细胞）模型中也出现了类似的量子行为，该模型具有奇异吸引子，会引起时间上的随机波动。Lorenz模型的扩展，包括Kolmogorov阻尼和核燃烧，显示出与3D模拟中看到的一样的突发性周期性波动。一个简单的对流层模型（由多个洛伦兹胞组成）给出了亮度波动，这暗示着不规则变量（红巨星和超巨星，Schwarzschild 1975）。Arnett、Meakin和Young（2009）与Nordlund、Stein和Asplund（2009）关于对流驱动性质的明显不一致已经得到解决，并进行了讨论。
2010-10-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Experimental study of turbulent thermal diffusion of inertial particles in a convective turbulence forced by oscillating grids
Ben-Gurion University of the Negev（内盖夫本-古里安大学）
通过振荡网格强迫对流湍流实验，研究惯性固体颗粒的湍流热扩散现象，发现有效漂移速度与理论预测一致，且惯性颗粒（直径10 μm）的漂移速度是非惯性颗粒（0.7 μm）的1.5-2.5倍。
2026-05-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Formation and evolution of turbulence in convectively unstable internal solitary waves of depression shoaling over gentle slopes in the South China Sea
Cornell University（康奈尔大学）；University of Washington（华盛顿大学）；University of Waterloo（滑铁卢大学）；Wandering Wakhs Research（Wandering Wakhs 研究）
研究南海低斜坡上下沉内孤立波的形成与演变，揭示了对流与剪切不稳定性相互作用及湍流发展过程。
2025-05-27 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Convective mesoscale turbulence at very low Prandtl numbers
水平扩展的湍流对流，称为自然系统中的中尺度对流，仍然是一个挑战，在实验和模拟研究。特别是在恒星对流和地球外核中分子普朗特数非常低的情况下。本研究报告的三维直接数值模拟的湍流Rayleigh-Bénard对流的边长$L$和高度$H$与纵横比$Γ=L/H$为25，普朗特数跨越近4个数量级，$10^{-3}\le Pr \le 7$，和瑞利数$10^5 \le Ra \le 10^7$，得到了大规模并行计算网格上的$5.36\times 10^{11}$点的正方形盒子。该$Pr$ -范围的下限无法在受控实验室测量中获得。我们报告的基本性质的流和它们的趋势与瑞利和普朗特数，特别是全球运输的动量和热量-后者分解成对流和扩散的贡献-整个对流层，平均垂直分布的温度和温度波动，动能和热耗散率。我们还探讨了在何种程度上的湍流在大部分的对流层类似于经典的均匀和各向同性湍流的频谱，增量矩，和耗散异常，并找到密切的相似之处。最后，我们表明，一个特征尺度的顺序中尺度似乎饱和的波长为$Pr\lesssim 0.005$的$λ\gtrsim 3H$。我们简要地讨论了这些结果的亚网格尺度参数化湍流对流的发展可能产生的影响。
2022-06-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Large-scale semi-organized rolls in a sheared convective turbulence: Mean-field simulations
本研究基于非旋转湍流对流平均场理论开展剪切对流平均场模拟，揭示了大尺度半组织卷状结构的形成机制与时空特征，为理解相关大气、数值及实验中的大尺度卷起源提供参考。
2024-07-13 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Similarities between characteristics of convective turbulence in confined and extended domains
要了解湍流对流在非常高的瑞利数典型的自然现象，计算研究在细长细胞是一种选择，如果所需的资源必须在可用的限制范围内进行优化。然而，伴随的水平约束影响流动的某些性质。在这里，我们探索的湍流脉动的速度和温度场在一个圆柱形对流单体的纵横比为0.1，通过改变普朗特数$Pr$在0.1和200之间在一个固定的瑞利数$Ra = 3 \times 10^{10}$，并发现波动减弱与增加$Pr$，定量为纵横比25。细长单元体区域中温度波动的概率密度函数（PDF）大部分保持高斯分布，但随着$Pr$增大而偏离。我们通过计算速度导数和动能耗散率的PDF来评估速度场的不稳定性，并发现不稳定性随着$Pr$的减小而增加。在对流的整体区域中，适用于细长单元、大纵横比单元以及二维对流的共同结果是湍流普朗特数随着$Pr^{-1/3}$减小。
2022-08-20 astro-ph.SR physics.flu-dyn
A Heuristic Framework for Next-Generation Models of Geostrophic Convective Turbulence
许多地球物理和天体物理现象都是由湍流流体动力学驱动的，其中包含数十个数量级的行为。虽然直接模拟在理解地球物理系统方面取得了很大的进步，但这些模型仍然存在很小的控制参数范围，难以外推到行星环境中。旋转瑞利-贝纳德对流的正则问题提供了另一种方法-在简化的设置中隔离基本物理。旋转对流的理论研究和渐近简化模拟已经揭示了各种可能与自然系统相关的流动行为，但仍然无法直接模拟。代替这一点，几个新的大型旋转对流装置已被设计来表征这种行为。预测这种潜在的新数据流入将如何与现有结果相结合是至关重要的。令人惊讶的是，一个连贯的框架预测极端旋转对流尚未阐明。在这项研究中，我们结合渐近预测，实验室和数值计算结果，和实验的限制，建立一个启发式的框架，广泛的旋转对流研究之间的交叉比较。我们分类的不同领域的现有预测的背景下，渐近流制度。然后，我们考虑的物理约束，确定流动行为的预测和实验的可达性之间的交叉点。将这一框架应用于几种即将推出的设备表明，实验室研究可能很快就能够表征物理相关的流态。这些新的数据可能会改变我们对地球物理和天体物理湍流的理解，这里开发的概念框架应该提供有意义的讨论这些结果所需的理论基础设施。
2018-06-19 physics.flu-dyn
Small scale quasi-geostrophic convective turbulence at large Rayleigh number
本研究通过数值模拟探究大瑞利数下小尺度准地转对流湍流，发现无扩散标度律趋势、粘性控制的长度尺度及非局域CIA力平衡特征，修正了对高瑞利数区对流动力学的传统认知。
2023-08-21 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Persistence of small-scale anisotropies and anomalous scaling in a model of magnetohydrodynamics turbulence
本文在运动学近似的框架内，考虑了大尺度背景磁场存在下磁流体动力学湍流中的反常标度问题。速度场是高斯的，$δ$在时间上相关，并且以正指数$ξ$缩放。磁关联函数的惯性范围的表达式得到明确的，他们表示的叠加幂律与非普遍的振幅和普遍的（独立的各向异性和强迫）异常指数。在任何空间维度$d$中，使用零模技术，非微扰地找到对关联函数的完整的反常指数。对于高阶关联函数，反常指数使用重整化群计算为$O(ξ)$。的指数表现出一个层次的各向异性的程度，甚至关联函数的主要贡献是由各向同性壳的指数，在恢复的小尺度各向同性的想法。相反，小尺度的各向异性在奇关联函数中显示出来：偏度因子缓慢地减小到小尺度和更高的奇无量纲比（超偏度等）。显著增加，从而偏离$r\to 0$极限。
2000-01-19 cond-mat.dis-nn nlin.CD physics.flu-dyn
Scale-invariance and characteristic length scale for the large-scale vortices in geostrophic convective turbulence with friction
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；Fudan University（复旦大学）；Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）
通过直接数值模拟研究线性摩擦对旋转瑞利-贝纳德对流中大尺度涡旋尺寸的影响，发现涡旋半径遵循R_LSV~α^{-1/2}，并揭示其源于正压模态的k^{-3}能谱及非局域逆能量传递机制。
2026-06-01 physics.flu-dyn
Fine-scale statistics of temperature and its derivatives in convective turbulence
本文研究了湍流Rayleigh-Benard对流中温度及其导数的细尺度统计。直接数值模拟是在一个圆柱形单元中进行的，该单元具有单位的长宽比，填充有流体，当瑞利数在10^7和10^9之间时，普朗特数等于0.7。发现温度或其波动的概率密度函数总是非高斯的。从高斯分布的不对称性和强度的偏差被量化为细胞高度的函数。从局部各向同性的温度波动的偏差，作为测量的倾斜度的垂直导数的温度波动，减少在散装，但增加的热边界层的瑞利数，分别。与被动标量混合类似，热耗散率的概率密度函数明显偏离对数正态分布。分布拟合良好的拉伸指数形式。随着Rayleigh数的增加，尾部变得更加延伸，这显示了体积和热边界层的热耗散场的小尺度不稳定性的增加程度。我们发现，由于温度波动的热耗散率不仅占主导地位的对流单体的体积，但也产生了显着的贡献，总的热耗散的热边界层。这与标度理论中使用的近似相反，并且可以解释总热耗散率相对于瑞利数的标度的差异。
2008-06-10 physics.flu-dyn
Geostrophic convective turbulence: The effect of boundary layers
Rayleigh-Bénard（RB）对流，从下面加热和从上面冷却的流体层中的流动，被用来分析热对流向地转制度的转变。在地转制度，这是直接相关的大多数地球和天体物理流动，系统强烈旋转，同时保持足够大的热驱动产生湍流。我们直接模拟了两个热强迫值$Ra=10^{10}$和$Ra=5\cdot10^{10}$的Navier-Stokes方程，普朗特数$Pr=1$为常数，Ekman数在$Ek=1.3\cdot10^{-7}$到$Ek=2\cdot10^{-6}$范围内变化，满足了超临界和强旋转的要求。重点讨论了无滑移边界条件与无应力边界条件在水平板上应用的差异。对于两种边界条件，在大致相同的参数值处发现过渡，即对于~ $Ra=1\times 10^{10}$在~ $Ek\approx 9\times 10^{-7}$处，对于~ $Ra=5\times 10^{10}$在~ $Ek\approx 3\times 10^{-7}$处。然而，过渡是渐进的，并且对于不同的流量指示器，其在~ $Ek$中并不完全一致。特别是，我们报告的传热标度律，边界层的厚度，散逸的体积/边界层分布和平均温度梯度在散装的过渡的特性。对于无滑移和无应力的板块，地转区的流动现象演化是不同的。在无应力条件下，一个大尺度正压涡旋的形成和相应的逆能量级联是明显的。对于无滑移板，没有大规模的相干结构的湍流状态被发现，没有大规模的…
2016-02-01 physics.flu-dyn
Generating buoyant magnetic flux ropes in solar-like convective dynamos
我们的太阳表现出强烈的对流发电机作用，导致磁通量束通过恒星表面出现的磁点。全球尺度的发电机作用被认为通过对流、旋转和剪切的相互作用在太阳内部深处产生大尺度的磁结构。这些大规模的磁结构的一部分被认为会穿过对流层上升，形成磁环，然后穿透光球层成为太阳黑子对。以前的全球模拟旋转球壳中的3D MHD对流已经证明了大规模的磁环可以在对流区的大部分产生的机制。我们最近的模拟已经实现了足够高的湍流水平，允许这些花圈的部分成为磁浮力和上升通过模拟的对流层通过磁浮力和对流巨细胞平流的组合。这些浮力磁环是在对流层的大部分中产生的，因为磁环核心中的强洛伦兹力反馈抑制了小规模的对流运动，允许将局部磁能放大到局部动能的100倍以上。虽然磁环主要是由轴对称极向磁场的轴对称旋转剪切（$Ω$效应）产生的，但在开始上升之前，磁环被放大到其峰值场强。这进一步扩展和增强了一个新的范例，产生紧急磁通量束，我们称之为顺磁性使能磁浮力。
2014-01-08 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Stratification, turbulence organization, and pressure-strain effects on surface-layer turbulence anisotropy
研究揭示了大气表面层湍流各向异性的形成机制，强调了压力-应变效应和传输在湍流组织中的关键作用，提出需采用各向异性Rotta模型以准确描述近地面湍流特性。
2025-12-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Diagnosing tracer transport in convective penetration of a stably stratified layer
本研究通过大涡模拟，提出在浮力-示踪剂空间中划分羽流流体为源区、输运区和累积区的方法，揭示穿透羽流帽处强浮力梯度主导混合，混合效率约50%，并量化了各区域的湍流与夹带特征。
2024-07-17 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Lagrangian acceleration in fully developed turbulence and its Eulerian decompositions
我们研究了各种欧拉贡献的流体粒子加速的性能，通过使用良好的解决各向同性湍流的直接数值模拟，网格分辨率高达$12288^3$和泰勒尺度雷诺数$R_λ$在140和1300之间的范围内。对流加速度的方差，当归一化的Kolmogorov尺度，线性增加与$R_λ$，简单的理论参数一致，但非常强烈的不同现象学预测的Kolmogorov的假设，以及欧拉多重分形模型。局部加速度的缩放也是线性的$R_λ$到首阶，但在细节上更复杂。局部加速度和对流加速度之间的强抵消--忠实于随机扫描假设--导致拉格朗日加速度的方差仅以$R_λ^{0.25}$的形式增加，如Buaria \& Sreenivasan [Phys. Rev. Lett. 128，234502（2022）]。加速度方差主要由无旋压力梯度贡献，其方差也遵循$R_λ^{0.25}$标度;螺线管粘性贡献相对较小，遵循$R_λ^{0.13}$，与欧拉多重分形预测一致。
2022-10-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Applicability of Taylor's hypothesis in thermally driven turbulence
在本文中，我们表明，在大尺度环流（LSC）的存在下，泰勒的假设可以调用推导出的能量谱在热对流使用真正的空间探测器，一个流行的实验工具。本文对立方体内的湍流对流进行了数值模拟，观察到速度场遵循Kolmogorov谱（$k^{-5/3}$）。我们还记录了速度的时间序列，使用真实的空间探测器附近的侧壁。相应的频谱表现出柯尔莫哥洛夫的频谱（$f^{-5/3}$），从而验证了泰勒的假设与稳定的LSC发挥平均速度场的作用。基于真实空间探测器的上述发现为用于研究对流湍流谱的实验测量提供了有价值的投入。
2018-04-18 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Direct Numerical Simulations of Ice-Ocean Boundary Turbulence
University of North Carolina at Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校）；University of Maryland at College Park（马里兰大学帕克分校）；Oregon State University（俄勒冈州立大学）；University of Tasmania（塔斯马尼亚大学）；University of Canterbury（坎特伯雷大学）
研究冰-海洋边界湍流中热和淡水输送机制，通过数值模拟揭示温度、盐度等参数对冰川融化速率的影响，发现对流过程在近水平坡度下仍具重要作用。
2026-03-20 physics.flu-dyn
Comparing velocity and passive scalar statistics in fluid turbulence at high Schmidt numbers and Reynolds numbers
本文通过纳入施密特数高达512的文献数据，反驳了先前关于高雷诺数和施密特数下速度与被动标量统计量趋同的结论，证明两者本质差异始终存在。
2023-02-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Large-scale flow in a cubic Rayleigh-Bénard cell: Long-term turbulence statistics and Markovianity of macrostate transitions
本文采用直接数值模拟的方法，研究了瑞利数为$Ra=10^6$的立方封闭对流单体中湍流Rayleigh-Bénard对流中的大尺度环流。数值研究进行了单流轨迹高达$10^5$对流自由落体时间，以获得足够的采样的四个离散的LSC状态，这可以概括为一个macrostate，和两个交叉的配置，这是采取的流动之间的短期。我们发现，大规模的动力学强烈依赖于普朗特数$Pr$的流体，其值为0.1，0.7和10。或者，我们运行3600短期直接数值模拟的合奏，研究离散LSC状态之间的跃迁概率。这第二种方法也被用来探测的马尔可夫性质的动态。我们的系综分析强烈表明了从一个LSC状态到另一个LSC状态的转变过程的马尔可夫性，尽管数据仍然伴随着相当大的噪音。它是基于转移概率矩阵的特征值谱，进一步的持续时间的分布和连续两个宏态持续时间的联合分布。
2022-01-19 physics.flu-dyn
From Geostrophic to Magnetically-Damped Turbulence in Liquid Metal Rotating Magnetoconvection
本研究通过液态镓实验首次测量磁地转状态下的旋转磁对流，揭示了洛伦兹力与惯性力相对大小对流动标度律的影响，发现磁阻尼区传热增强，并外推得到地球核对流的参数区间。
2025-09-03 physics.flu-dyn
Experimental investigation of pair dispersion with small initial separation in convective turbulent flows
本文报道了湍流热对流中粒子对色散的实验研究，初始分离r0的范围从亚Kolmogorov尺度到惯性尺度。在耗散尺度范围内，我们首次在实验中观察到Batchelor预测的一对粒子之间的分离的指数增长，并获得Batchelor常数0.23 \pm 0.07。对于大的r0，它被发现，几乎所有的时间范围内，均方分离和距离邻居函数表现出巴彻勒预测的形式，而这两个数量同意理查森的预测小r0。此外，Richardson常数g的测量值= 0.10 \pm 0.07，这比在其他湍流系统中发现的那些小。我们还证明了从指数到Batchelor政权的均方分离在时间和空间尺度上的交叉。
2012-05-18 physics.flu-dyn
Generative convective parametrization of dry atmospheric boundary layer
Technische Universität Ilmenau（伊尔默瑙工业大学）；Universität Hamburg（汉堡大学）；New York University（纽约大学）
提出基于生成对抗网络的干对流边界层参数化方法，结合自相似层增长物理机制，准确预测非高斯瞬态湍流统计特性及水平组织结构，为自然流动的数据驱动参数化提供新途径。
2023-07-27 cs.LG physics.ao-ph physics.flu-dyn
Impurity and Trace Tritium Transport in Tokamak Edge Turbulence
本文研究了在漂移阿尔文边缘湍流中杂质或少数组分（如氚）的湍流输运。垂直和平行对流的全部效果保留的杂质物种。杂质密度形成具有陡峭梯度的粒状结构，并且由于流动的可压缩性而局部超过其初始值。近似分解的杂质通量到扩散部分和有效的对流部分（其特征在于由箍缩速度）进行和净向内箍缩效应被恢复。捏点速度的湍流均分方面的解释，并发现poloidally变化。结果表明，杂质输运模型需要是二维的，除了考虑径向方向，还考虑输运系数的强极向变化。
2004-03-26 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
A new turbulence model based on scale decomposition
基于湍流的多尺度性和不同尺度下的相似性，提出了求解不可压缩牛顿流体湍流问题的尺度分解方法。将解域分解为两个尺度，大尺度分量代表平均流和大尺度涡，小尺度分量代表湍流脉动。用运动方程求解大尺度问题，用等效涡近似计算湍流脉动对平均流场的影响。将等效涡效应分解为对流效应和扩散效应，并将其表示为大尺度平均量的函数。建立了修正的Naiver-Stokes方程，保证了方程在大尺度下的封闭性。最后，通过数值模拟验证了修正的Naiver-Stokes方程的正确性。对圆柱绕流进行了数值研究，获得了从低雷诺数到高雷诺数的流动特性。本研究建立了一个具有工程应用价值的通用湍流模型。
2023-02-03 physics.flu-dyn
Assessing passive scalar dynamics in bubble-induced turbulence using DNS
本研究通过DNS分析气泡诱导湍流中的被动标量，发现标量谱从k^-5/3到k^-3的转变，并揭示其机制与气泡直径尺度相关，同时探讨了对流扩散率的影响。
2023-05-04 physics.flu-dyn
Turbulent fluxes of entropy and internal energy in temperature stratified flows
我们导出了低马赫数温度分层湍流中的平均熵和平均内能方程（即，对于湍流对流或稳定分层湍流），并表明湍流熵通量由${\bf F}_s=\overlineρ \, \overline{{\bf u} s}$给出，其中$\overlineρ$是平均流体密度，$s$是熵的波动，上条表示在湍流速度场${\bf u}$系综上的平均。我们证明了熵的湍流通量不同于流体内能的湍流对流通量${\bf F}_c=\overline{T} \, \overlineρ \, \overline{{\bf u} s}$，其中$\overline{T}$是平均流体温度。这种湍流对流通量在天体物理学和地球物理学文献中是众所周知的，它不能在平均熵方程中用作湍流通量。这一结果对低马赫数温度分层湍流是精确的，并且与所用模型无关。我们还推导出方程的速度熵相关性，$\overline{{\bf u} s}$，在小的和大的Peclet数的限制，分别使用准线性的方法和谱τ近似。鉴于温度分层湍流在天体物理和地球物理中的不同应用，这项研究是重要的。
2015-07-30 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Vertical transport and confinement of weakly buoyant particles in a convective ocean mixed-layer model
Univ. Lille, ULR 7512–Unité de Mécanique de Lille Joseph Boussinesq (UML)（里尔大学，ULR 7512——约瑟夫·傅立叶力学单元）
本研究通过直接数值模拟揭示，在两层流体模型中，弱浮力颗粒的垂直分布受密度分层与混合层湍流共同控制，并提出了随机模型解释其积累层厚度变化。
2026-09-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Stable and convective boundary-layer flows in an urban array
本文在气象风洞中采用非中性的接近流对规则的城市式矩形建筑物阵列进行了模拟。就稳定层结而言，冠层上方和内部流动的结果表明雷诺应力明显减小，Monin-Obukhov长度增加了80%。粗糙度长度和位移高度也受到影响，前者减少了35%，后者增加了12%。观察到冠层内的湍流明显减少。在对流层结的情况下，摩擦速度出现增加的粗糙度和不稳定层结的影响。粗糙度的增加会导致表面分层的减少，反映在莫宁-奥布霍夫长度的增加，这是两倍的阵列相比，接近流。对空气动力学粗糙度长度和位移高度的影响与SBL的情况是镜像的，前者增加了50%，后者减少了相同的量。
2020-03-06 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Energy spectrum of turbulent fluctuations in boundary driven reduced magnetohydrodynamics
通过对磁流体动力学方程的数值模拟，研究了磁通量绳束在其端点处的稳态流体运动驱动下的非线性动力学行为。MHD湍流的发展示出，系统达到的状态，其特征在于由阿尔芬时间（不可压缩的MHD波沿着场线行进的时间）和驱动运动的对流时间尺度之间的比率。这个时间尺度的比率决定了能量谱和从弱到强湍流的不同区域的弛豫。与唯象理论的连接MHD湍流的能量谱。
2003-09-26 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
