Vertical natural convection: application of the unifying theory of thermal convection
瑞利数$1.0\times 10^5$ - $1.0\times 10^9$和普朗特数$0.709$下垂直自然对流的直接数值模拟结果支持Grossmann-Lohse（GL）理论的普遍适用性，该理论最初是为水平自然（Rayleigh-B{é}nard）对流而开发的。根据GL理论，本文证明了垂直自然对流中速度场和温度场的边界层厚度服从类层流Prandtl-Blasius-Pohlhausen标度。具体地说，标准化平均边界层厚度与基于风的雷诺数的$-1/2$幂成比例，其中GL理论的“风”被解释为最大平均速度。远离壁，湍流波动的耗散，这可以被解释为“散装”或“背景”的GL理论的耗散，被发现服从Kolmogorov-Obukhov-Corrsin标度充分发展的湍流。与Rayleigh-B{é}nard对流不同，垂直自然对流中的重力方向平行于平均流。这种流动的方向提出了一个额外的挑战，因为不再存在一个确切的关系，链接归一化的全球耗散努塞尔，瑞利和普朗特数。然而，我们表明，未封闭的长期，即全球平均浮力通量，产生的动能，也表现出层流和湍流标度行为，与GL理论一致。目前的研究结果表明，类似于Rayleigh-B{é}nard对流，Nusselt，Rayleigh和Prandtl数之间的纯幂律关系不是垂直自然对流的最佳描述，现有的经验关系应重新校准，以更好地反映底层物理。
2018-06-20 physics.flu-dyn
Azimuthal velocity profiles in Rayleigh-stable Taylor-Couette flow and implied axial angular momentum transport
我们目前的方位角速度剖面测量泰勒-库埃特装置，已被用作恒星和行星的吸积盘的模型。该装置具有$η= 0.716$的圆筒半径比、$Γ= 11.74$的纵横比，并且在轴向方向上封闭圆筒的板附接到外圆筒。我们研究了瑞利稳定区的角动量输运和埃克曼泵浦。该制度是线性稳定的，其特征在于径向增加的比角动量。我们提出了几个瑞利稳定的配置文件剪切雷诺数$Re_S \sim O(10^5) \,$，无论是$Ω_i > Ω_o > 0$（准开普勒制度）和$Ω_o > Ω_i > 0$（子旋转制度），其中$Ω_{i,o}$是内/外圆筒旋转速率。没有一个速度剖面与非旋涡层流泰勒-库埃特剖面相匹配。在固定的$Re_S$下，当接近固体旋转时，与该轮廓的偏差增加。流动超旋转，一个角速度大于这两个圆柱体，观察到的子旋转制度。速度分布给出了旋转内筒所需扭矩的下限，该扭矩大于层流泰勒-库埃特流情况下的扭矩。准开普勒配置文件是由一个混合良好的内部区域，具有近似恒定的角动量，连接到一个外部区域的固体旋转与外圆柱体和附加的轴向边界。这些区域表明，角动量轴向传输到轴向边界。因此，外圆柱上附有封闭板的泰勒-库埃特流是吸积盘流的一个不完美的模型，特别是在稳定性方面。
2015-02-03 physics.flu-dyn
Transient growth in Rayleigh-Bénard-Poiseuille/Couette convection
本文研究了不稳定的横流温度梯度对平面Poietille流和平面Couette流的瞬态增长现象的影响。只有流向均匀扰动和近流向均匀扰动受Rayleigh数Ra和Prandtl数Pr的影响较大，流向均匀扰动的最大最优瞬态增长Gmax随Ra的增大和Pr的减小而缓慢增大，对于所有Ra和Pr，在中等大的Re下，流向均匀扰动总是能达到Gmax的上确界（或在平面库埃特流的情况下，几乎是流向均匀扰动），产生大的流向条纹和瑞利-贝纳德对流卷（RB）。最佳增长曲线保持相同的大雷诺数标度在纯剪切流。三维矢量模型的控制方程表明，短时间的行为是由经典的提升机制，Ra对这个机制的影响是次要的，可以忽略不计。最大长时间响应的最佳输入由主本征模相对于能量标量积的伴随给出：没有流向速度分量的RBeigen模。这些短期和长期响应描述了最优瞬时增长G（t）。在中等大的Ra（或小Pr在一个固定的Ra），主导伴随模式是一个很好的近似的最佳初始条件的所有时间。在一般的一类范数，可以被认为是增长函数，结果保持定性相似，例如，主导伴随本征模仍然接近最大的最优响应。
2016-01-28 physics.flu-dyn
From Sheared Annular Centrifugal Rayleigh-Bénard Convection to Radially Heated Taylor-Couette Flow: Exploring the Impact of Buoyancy and Shear on Heat Transfer and Flow Structure
本研究基于ACRBC系统探究浮力与剪切的耦合效应，通过数值模拟划分出三个流动区域并明确边界，揭示剪切可稳定浮力对流及二者复杂耦合机制，为相关研究与设计提供参考。
2023-07-24 physics.flu-dyn
Heat transport in Rayleigh-Benard convection and angular momentum transport in Taylor-Couette flow: a comparative study
Rayleigh-Benard对流和Taylor-Couette流是两种具有许多共同性质的正则流。在这里，我们详细比较了两种流动的参数值的努塞尔数，即热输运和角动量输运归一化相应的层流值，重合。本文研究了瑞利数Ra= 1 e7时空气中的Rayleigh-Benard湍流对流和雷诺数Re_S= 2 e4时的Taylor-Couette湍流对流。对于个别成对相关的领域和对流，我们比较了相应的均方根值归一化的概率密度函数，并采取在不同的距离从墙上。我们发现一个旋转数，有很好的协议之间的平均配置文件的两个相应的量温度和角动量。同样，温度和速度分量的波动之间有很好的协议。对于热流和角动量流，边界层外的波动存在差异，这些差异随着整体旋转而增加，并且可能与边界层和主体中的流动结构差异有关。该研究将两种流动之间的相似性从全局量扩展到局部量，并揭示了旋转对输送的影响。
2016-09-09 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Rayleigh-Bénard convective motion of stratified fluids in the Earth's troposphere
本研究基于Boussinesq近似推导了地球对流层无界与有界区域的Rayleigh-Bénard对流波色散关系，发现两种情况的不稳定性条件显著不同，并分析了临界Rayleigh数和热波不稳定性增长率。
2025-01-26 physics.ao-ph physics.flu-dyn
The stratorotational instability of Taylor-Couette flows of moderate Reynolds numbers
根据新的实验数据，考虑了具有轴向密度分层的Taylor-Couette流对绝热非轴对称扰动的不稳定性与旋转雷诺数Re和分层的Brunt-Väisälä数Rn的关系。在瑞利极限和超出瑞利极限的流动在雷诺数下限和上限之间变得不稳定（对于固定的Rn）。因此，对于平流旋转不稳定性来说，旋转可能太慢或太快。上雷诺数以上的不稳定性衰减，有其最大值的潜在流（驱动的圆柱体旋转根据瑞利极限）和强烈降低平坦的旋转配置文件，最后只留下孤立的岛屿的不稳定性（Rn/Re）的地图。最大可能的旋转比$μ_{\rm max}$仅略微超过具有$U_ϕ\simeq$常数的准均匀流的剪切值。沿着中性稳定性线和中性稳定性线之间，所有旋转律的不稳定模式的波数超过瑞利极限主要由弗劳德数Fr确定，弗劳德数Fr由Re和Rn之间的比率定义。对于Fr>1，单元高度扁长，使得对于轴向约束的容器，对于太高的雷诺数的测量变得困难。不稳定模式的方位角迁移略快于外圆筒旋转。
2017-12-23 physics.flu-dyn
Non-axisymmetric Magnetorotational Instabilities in Cylindrical Taylor-Couette Flow
我们研究了在方位角磁场存在下圆柱形泰勒-库埃特流的稳定性，并表明，一个获得非轴对称磁旋转不稳定性，具有方位波数m=1。当Ω_o/Ω_i仅略大于瑞利值（r_i/r_o）^[2]时，临界雷诺数和哈特曼数分别为Re_c ~ 10^3和Ha_c ~ 10^2，与磁普朗特数Pm无关。这些值足够小，因此在PROMISE实验设施中应该可以获得这些不稳定性。
2009-12-29 physics.flu-dyn
On self-sustaining processes in Rayleigh-stable rotating plane Couette flows and subcritical transition to turbulence in accretion disks
开普勒吸积盘中的亚临界湍流转变仍然是一个有争议的问题，为了确定这种情况是否为非磁化吸积盘中角动量输运的起源提供了一个合理的解释，需要一些理论上的进展。受线性稳定非旋转剪切流中精确非线性定常自维持解的最近发现的启发，我们试图计算Rayleigh稳定旋转平面Couette流中的类似解，并结合非线性延拓方法和渐近理论来识别这种流中的转捩机制。我们得到精确的非线性解决方案瑞利稳定的气旋制度，但它是不可能的计算解决方案瑞利稳定的反气旋制度，包括开普勒流，使用类似的技术。我们还提出了这些各种问题的渐近描述在大雷诺数，提供了一些洞察非旋转和瑞利稳定的反气旋制度之间的差异，并推导出一些必要条件的机制类似于非旋转的自我维持的过程中存在的流的瑞利线。我们的研究结果表明，亚临界转变机制不能识别壁界瑞利稳定的反气旋剪切流的亚临界转变的现象，直接转置在气旋和非旋转壁界剪切流。然而，渐近的发展，留下开放的可能性，非线性自我维持的解决方案可能存在于无界或周期性流的瑞利线。这些可以作为一个起点，发现解决方案，瑞利稳定的流动，但非线性稳定性的开普勒吸积盘仍有待确定。
2006-12-07 astro-ph nlin.CD physics.flu-dyn
B{é}nard convection in a slowly rotating penny shaped cylinder subject to constant heat flux boundary conditions
我们考虑轴对称Boussinesq对流在一个浅圆柱半径，L，和深度，H（<< L），它的旋转角速度$Ω$的对称轴线对齐的垂直。恒定的热通量边界条件，顶部和底部，采用，其中发生的不稳定性的长的水平长度尺度上提供的$Ω$是足够小的。我们调查的非线性发展，建立了两个尺度的渐近展开方法。在足够大的普朗特数$σ$下，与原始控制方程的直接数值模拟（DNS）的结果比较良好。随着$σ$的减小，渐近式的适用性的有限幅度范围也随之减小。虽然DNS预测的大的纬向对流单体的渐近近似是足够的，但由于在小的$σ$处显著的角动量输运，并且由于圆柱形的几何形状而加剧，方位流几乎灾难性地失败。为了评估这种情况，我们提出了混合方法，建立在从渐近性导出的双曲型流函数$ψ$上。在给出$ψ$的基础上，利用DNS求解了角速度v的线性方位运动方程。我们的“混合"方法使我们能够解释大瑞利数下的流动特征，这是Oruba，Davidson \& Dormy（J. Fluid Mech.，第812卷，2017年，pp. 890-904）。
2022-09-07 physics.flu-dyn
Instability criterion for oblique modes in stratified circular Couette flow
分析方法进行，提供了一个无粘稳定性判据的Taylor-Couette系统中发生的平流旋转不稳定性（简称SRI）。问题的控制参数是旋转比$μ$和半径比$η$。这项研究的动机是最近的实验\cite{legal}和数值\cite{rudi, rudi2}结果报告存在的不稳定模式超出瑞利线离心不稳定性（$μ=η^2$）。稳定分层流的修正瑞利准则提供了不稳定条件，$μ<1$，而在实验中，不稳定模式从未发现超出线$μ=η$。考虑到有限间隙效应，我们考虑非轴对称扰动与方位波数$l$在极限$l Fr<<1$，其中$Fr$是弗劳德数。我们推导出一个必要的条件不稳定：$μ< μ^*$ $μ^*$，$η$的功能，需要的渐近值，$μ^* \to 1$在窄间隙的限制，和$μ^* \to 2η^2(1+η)$在宽间隙的限制，在协议与最近的数值结果。一个更强的条件，$μ<η$，发现当$η>0.38$，在协议与实验结果获得的$η=0.8$。无论间隙大小如何，当$μ$值大于临界值$μ_c=η^2$（对应于离心不稳定性）时，预计会出现不稳定性。
2008-11-20 physics.flu-dyn
An instrumented tracer for Lagrangian measurements in Rayleigh-Bénard convection
我们已经开发了新的仪器，使拉格朗日测量温度在不同的流体流动。一个小型的中性浮力胶囊配备了机载电子设备，可以测量温度并通过无线射频链接将数据传输到台式计算机。该器件具有80 dB的动态范围，可在高达100 ms的采样时间内分辨毫开尔文温度变化。这些“智能粒子”的能力在水中的湍流热对流中得到了证明。我们测量温度变化的粒子是平流的对流运动，并分析其统计。额外使用的相机使我们能够跟踪粒子的位置，并在这里报告的第一个直接测量的拉格朗日热通量传递瑞利-B {é}nard对流。该设备有望在各种流体系统中开展新的研究。
2007-03-28 physics.flu-dyn
Dynamo Action in a Quasi-Keplerian Taylor-Couette Flow
我们数值计算的泰勒-库埃特几何的内，外圆柱体的旋转速率满足$Ω_o/Ω_i=(r_o/r_i)^{-3/2}$的导电流体的流动。在这种准开普勒状态下，非磁性系统对于所有雷诺数$Re$都是瑞利稳定的，并且所产生的纯方位流对于所有磁性雷诺数$Rm$都不能产生运动发电机作用。对于$Re=10^4$和$Rm=10^5$，我们证明了一个有限振幅发电机的存在，从而一个合适的初始条件产生相互维持的湍流和磁场，即使两者都不能存在没有其他。这种发电机解决方案的结果显着增加向外角动量传输，与大部分的运输是由麦克斯韦，而不是雷诺应力。
2017-10-06 physics.flu-dyn
Connections between centrifugal, stratorotational and radiative instabilities in viscous Taylor-Couette flow
“Rayleigh线”$μ=η^2$（其中$μ=Ω_o/Ω_i$和$η=r_i/r_o$分别是内柱（下标“i”）和外柱（下标“o”）之间的旋转和半径比）被认为是非分层无粘Taylor-Couette流中轴对称和非轴对称模式的离心不稳定性（CI）的极限。已知反气旋旋转比超过这条线时会出现非轴对称平流旋转不稳定性（SRI），即轴向稳定分层泰勒-库埃特流的$η^2<μ<1$，但CI和SRI在$μ<η^2$范围内的竞争尚未得到解决。在本文中，我们在有限雷诺数Re下建立了两种不稳定性之间的连续联系，正如M。Le Bars & P. Le Gal，Phys. Rev. Lett. 99，064502（2007），使得它们在开始时无法区分。这两种不稳定性也连续连接到有限Re的辐射不稳定性。这些结果表明，复数冲击粘度对该流动的线性稳定性具有影响。与无粘理论的其他几个定性差异被发现，其中一个非轴对称模式的不稳定性本地化的外圆柱没有分层，和不稳定的模式传播对内圆柱旋转分层。粘性和分层的结合也可能导致（轴对称）泰勒涡分支之间的“碰撞”，导致在过去的实验中已经观察到的轴对称振荡状态。也许更令人惊讶的是离心式的螺旋模式超出瑞利线的不稳定性，所造成的分层和粘度的联合效应。阈值$μ=η^2$似乎仍然是，然而，一个不可逾越的轴对称模式的不稳定性限制，无论分层，粘度，甚至扰动幅度。
2016-09-21 physics.flu-dyn
Absolute versus convective helical magnetorotational instability in a Taylor-Couette flow
本文采用无感近似方法，数值分析了螺旋磁场（HMRI）中Taylor-Couette流的磁旋转不稳定性。本文用Chebyshev配置法计算了小振幅扰动的特征谱。首先，我们进行了详细的传统的线性稳定性分析相对于扰动的傅立叶模式的形式，对应于对流不稳定，这是不是在一般的自我维持。螺旋磁场被发现扩展到一个相对较窄的范围内的不稳定性超出其纯粹的流体动力学极限所定义的瑞利线。HMRI出现的临界阈值不仅有一个下限，而且有一个上限，在此阈值下HMRI再次消失。后者将HMRI与磁改性泰勒涡流区分开来。其次，我们也发现了一个绝对不稳定阈值。在Rayleigh线之前的流体动力学不稳定区域中，绝对不稳定的阈值仅略高于对流阈值，尽管前者的临界波长明显短于后者。在瑞利线之外，绝对不稳定的下限显著高于相应的对流下限，而上限则显著低于对流下限。因此，绝对HMRI超出瑞利线的延伸远短于对流不稳定。绝对的HMRI应该是自我维持的，因此，在一个足够大的轴向延伸系统中，在没有任何外部激励的情况下，可以通过实验观察到。
2009-04-04 astro-ph physics.flu-dyn
Absolute versus convective helical magnetorotational instabilities in Taylor-Couette flows
本文研究了具有无量纲半径$r_i=1$和$r_o=2$，轴向具有周期性波长$h\ge100$的系统中的磁Taylor-Couette流。内、外圆柱体的旋转比被调整为略微处于瑞利稳定状态，其中需要磁场来使流动不稳定，在这种情况下触发轴对称螺旋磁旋转不稳定性（HMRI）。考虑两种施加磁场的选择，两者都具有相同的方位角分量$B_ϕ=r^{-1}$，但不同的轴向分量。第一种选择是$B_z=0.1$，并产生熟悉的HMRI，由单向行波组成。第二种选择具有$B_z\approx0.1\sin(2πz/h)$，并且产生根据$B_z$的符号在相反方向上行进的HMRI波。第一种构型对应于对流不稳定，第二种构型对应于绝对不稳定。这两种变体的行为非常相似，无论是线性发作，以及非线性平衡。
2017-04-06 physics.flu-dyn
Analog of Astrophysical Magnetorotational Instability in a Couette-Taylor Flow of Polymer Fluids
我们报告的实验观察的不稳定性的Couette-Taylor流的聚合物流体在两个同轴旋转的圆柱体之间的薄间隙中的制度，其角速度随半径减小，而特定的角动量随半径增加。在所考虑的制度，既不是惯性瑞利不稳定，也不是纯粹的弹性不稳定是可能的。我们建议，所观察到的“弹性旋转”不稳定性是一个模拟的磁旋转不稳定性，在天体物理开普勒吸积盘中起着重要作用。
2008-10-28 astro-ph physics.flu-dyn
Fully nonlinear mode competitions in magnetised Taylor-Couette flow
我们研究了磁化泰勒-库埃特流中各种螺旋不稳定性的非线性模式竞争。使用由Deguchi & Altmeyer（2013）开发的环形周期域方法跟踪所得到的有限振幅混合模式解分支。模式竞争现象进行了研究，在反气旋和气旋瑞利稳定制度。在反气旋亚旋转状态下，内圆柱体旋转速度快于外圆柱体，Hollerbach、Teeluck和Rudiger（2010年）发现，在实验研究可行的参数范围内，存在相互竞争的轴对称和非轴对称磁旋转线性不稳定模式。在这里，我们确认了模式竞争的存在，并计算了由此产生的非线性混合模式解。在气旋超旋转状态下，内圆柱旋转速度比外圆柱慢，Deguchi（2017）最近发现了一种非轴对称纯流体动力学线性不稳定性，与Rudiger，Schultz，Gellert & Stefani（2016）.我们发现，这些不稳定性的非线性相互作用引起丰富的图案形成的现象，导致剧烈的角动量输运增强/减少。
2020-05-02 physics.flu-dyn
Torque Scaling in Turbulent Taylor-Couette Flow with Co- and Counterrotating Cylinders
本文分析了独立旋转的外圆柱和外圆柱在强湍流区的Taylor-Couette流的整体输运特性，内圆柱和外圆柱的雷诺数分别达到Re_i = 2 x 10^6和Re_o = 1.4 x 10^6。对于所有Re_i、Re_o，无量纲扭矩G作为泰勒数Ta的函数缩放（其与内圆柱体和外圆柱体的角速度之间的差的平方成比例），具有通用有效标度律G \propto Ta^{0.88}，对应于表征内圆柱体和外圆柱体之间的角速度传输的努塞尔数的Nu_omega \propto Ta^{0.38}。指数0.38对应于类似瑞利-贝纳德系统的最终状态标度。对于沿相空间中的对角线的反向旋转情况，传输是最有效的，其中ω_0 \approx -0.4 ω_1。
2011-02-10 physics.flu-dyn
Paradoxical transitions to instabilities in hydromagnetic Couette-Taylor flows
利用现代谱分析的方法，我们严格地找到了与理想磁流体Couette-Taylor流相关的线性化算子的本征值分布。与流体动力学流动的瑞利稳定性判据相比，在磁场消失的极限处向不稳定性的转变具有不连续的变化，这被称为Velikhov-Zirrasekhar悖论。
2011-09-03 astro-ph.SR math-ph math.MP
Nonlinear waves in stratified Taylor--Couette flow. Part 1. Layer formation
本文是对具有固定外圆柱的轴向分层Taylor-Couette流中混合的两方面研究的第一部分，即分层的形成和浮力的上涌。使用线性分析和直接的数值模拟，我们显示了非轴对称不稳定模式所发挥的关键作用，尽管事实上，该流是离心不稳定的意义上的瑞利准则。旋向相反的螺旋模式之间的相互作用导致形成非线性相干结构：（混合）-带和（混合）-交叉螺旋。这些产生了复杂的密度界面图案，似乎随着相干结构围绕环形物缓慢旋转而周期性地出现和消失。这些相干结构似乎是Oglethorpe等人（2013）最近实验中报告的层形成的原因。我们区分“动态分层”，瞬时的，本地化的和造成的旋涡运动，从“静态分层”对应于形成一个“楼梯配置文件”中的分类背景密度。后者只发生在足够大的施密特数，揭示了施密特数在分层过程中的显着影响。
2016-09-09 physics.flu-dyn
Much faster heat/mass than momentum transport in rotating Couette flows
在剪切流中，热量和质量的输运通常与动量输运密切相关。对流传热或传质与动量输运之间的这种所谓的雷诺类比阻碍了工程传热和传质应用中的效率改进。我通过直接数值模拟表明，在平面Couette和泰勒-Couette流旋转可以强烈影响壁到壁被动示踪剂运输，使其速度远远超过动量运输，显然违反了雷诺类比。被动示踪剂传输（代表热/质传输）和动量传输之间的差异在低雷诺数下具有大反向旋转涡流的稳定流中以及在较高雷诺数下的完全湍流中观察到。它在中性（瑞利）稳定极限附近特别大。当接近这个极限时，旋转引起的科里奥利力强烈地抑制了流向/方位角速度波动，而示踪剂波动的影响要小得多。因此，动量输运比示踪剂输运减少得多，表明科里奥利力打破了雷诺类比。在较高的雷诺数，这种强对流传输相异性是伴随着近似极限环动力学与强烈的低频湍流突发接近中性稳定性极限时。研究表明，简单的体力可以导致剪切流中的热量/质量和动量输运之间的明显差异。
2020-12-23 physics.flu-dyn
Transient growth in linearly stable Taylor-Couette flows
扰动的非正常瞬态增长被认为是剪切流中亚临界转变的必要先决条件，即尽管层流具有线性稳定性，但仍向湍流转变。在这项工作中，我们提出了数值和分析计算的线性瞬态增长覆盖所有线性稳定制度的泰勒-库埃特流。我们的数值实验揭示了可比的能量放大在不同的制度。对于高剪切雷诺数Re的最佳瞬态能量增长总是遵循2/3的比例与Re，这允许大的放大，即使在制度的湍流的存在仍然存在争议。在同向旋转瑞利稳定流中，随着最佳轴向波数趋于零，最佳扰动在其结构中变得越来越柱状。在这个限制的轴向不变的扰动，我们表明，线性稳定性和瞬态增长是独立的圆柱的旋转比，我们推导出一个通用的2/3标度的最佳能量增长与Re使用WKB理论。在此基础上，得到了一个适用于所有区域的线性瞬态增长估计的半经验公式。
2014-03-05 physics.flu-dyn
Taylor rolls on tour: Slow drift of turbulent large-scale structures in flows with continuous symmetries
本研究通过直接数值模拟发现轴对称泰勒-库埃特流随系统尺寸增大发生不连续相变进入时空混沌，泰勒滚子出现缓慢不规则漂移，并估计其有效扩散系数，表明此类自发扩散位移在壁面湍流中普遍存在。
2024-12-09 physics.flu-dyn
Optimal Taylor-Couette flow: direct numerical simulations
本文数值模拟了独立旋转内、外圆柱体的Taylor-Couette湍流流动，着重于与Rayleigh-Bénard湍流流动的类比。分别达到内圆柱体和外圆柱体的$Re_i=8\cdot10^3$和$Re_o=\pm4\cdot10^3$的雷诺数，对应于泰勒数Ta达到$10^8$。有效的比例律的扭矩和其他系统responsesfound. Recent实验与Twente湍流泰勒-Couette（$T^3C$）设置和类似的设施在马里兰州在非常高的雷诺数揭示了一个最佳的运输在一定的非零转速比$a = -ω_o / ω_i$约$a_{opt}=0.33-0.35$。对于足够大的$Ta$在数值可及的范围内，我们也发现这样一个最佳的非零反旋转的运输。发现该最大值的位置随着驾驶而移动，对于$Ta=2.5\cdot10^7$达到$a_{opt}=0.15$的最大值。这种转变的解释阐明，一致的实验结果，$a_{opt}$变得近似独立的驱动强度足够大的雷诺数。此外，我们数值计算的角速度分布和可视化的不同制度的不同的流动结构。通过将方程写在与外圆柱共同旋转的坐标系中，发现了局部角速度分布与全局输运量之间的联系。
2012-10-31 physics.flu-dyn
Predicting unavailable parameters from existing velocity fields of turbulent flows using a GAN-based model
本文提出映射生成对抗网络M-GAN，利用标签信息生成器和增强型超分辨率GAN从现有速度分量预测湍流中温度、压力等不可用参数，并在Rayleigh-Bénard流和湍流通道流中验证了其预测精度与插值能力。
2023-04-16 physics.flu-dyn
Short wavelength local instabilities of a circular Couette flow with radial temperature gradient
本文对具有径向温度梯度的圆形Couette流的短波长扰动进行了线性化局部稳定性分析。轴对称和非轴对称扰动被认为是热扩散率和流体的运动粘度被考虑在内。加热的不对称性对离心不稳定流和离心稳定流的不稳定性的发生的影响，包括与开普勒剪切剖面的流，进行了彻底的研究。它被发现，向内的温度梯度不稳定的瑞利稳定流通过霍普夫分岔，如果液体是一个非常好的热导体或通过稳态分岔，如果粘度战胜热导。
2016-12-11 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Statistics, plumes and azimuthally traveling waves in ultimate Taylor-Couette turbulent vortices
本文通过实验研究了大尺度泰勒滚对完全湍流泰勒-库埃特流{雷诺数达到$\text{Re}_S=3\times 10^5$ }中小尺度统计和流动组织的影响。本文用平面粒子图像测速仪测量了半径比为$η=0.714$的同轴独立旋转圆柱在不同圆柱高度的水平面内的速度场。比较了有和没有显著泰勒涡的流动区域。我们发现，当地的角动量运输（表示在努塞尔数）主要发生在该地区的涡流和流出，其中的径向和方位角速度分量是高度相关的。有效的动量转移反映在间歇性的爆发，这成为可见的指数尾部的概率密度函数的本地努塞尔数。此外，通过计算方位角能量共谱，揭示了小尺度羽流是这些爆发的潜在结构。这些流动特征与Rayleigh-Bénard对流中观察到的流动特征非常相似，这强调了这两个系统的相似性。通过执行{复正交分解}，我们显着地检测方位行波叠加在湍流泰勒涡，不仅在经典的，而且在最终的政权。在涡中心的轴向位置处最明显的这种非常大尺度的流型{，}类似于众所周知的波浪形泰勒涡流{，}，其具有可比的波速，但方位波数大得多。
2019-08-30 physics.flu-dyn
nsCouette -- A high-performance code for direct numerical simulations of turbulent Taylor-Couette flow
我们提出了nsCouette，一个高度可扩展的软件工具来解决纳维-斯托克斯方程之间的差异加热和独立旋转，同心圆筒的不可压缩流体流动。它是基于伪谱空间离散化和动态时间步进。它是在现代Fortran与混合MPI-OpenMP并行化计划，从而设计计算湍流在高雷诺数和瑞利数。还提供了用于中等问题大小的附加GPU实现（C-CUDA）和用于湍流管流的基本版本（nsPipe）。
2020-01-17 astro-ph.SR nlin.CD physics.ao-ph
Scaling relations for heat and momentum transport in sheared Rayleigh-Bénard convection
本研究拓展Grossmann & Lohse理论，推导剪切Rayleigh-Bénard对流的热量与动量输运标度关系，通过模拟验证两类摩擦系数符合Prandtl对数摩擦律，揭示纯剪切流与热对流的普适性。
2024-07-08 physics.flu-dyn
Mutual coherent structures for heat and angular momentum transport in turbulent Taylor-Couette flows
在这项研究中，我们报告的数值结果的热$Nu$和角动量$ν_{t}/ν$在泰勒-库埃特（TC）流受到径向温度梯度的湍流传输。直接数值模拟在TC单元中进行，半径比$η=0.5$和纵横比$Γ=8$为两个瑞利数（$Ra=10^5$，$10^6$）和两个普朗特数（$Pr=0.7$，$4.38$），而雷诺数$Re$在$0 \le Re \le 15000$的范围内变化。随着$Re$的增加，流动经历了两个不同的转变：第一个转变是从对流为主的制度的过渡制度，与大规模的纬向环流演变为螺旋涡;第二个转变发生在旋转为主的制度时，泰勒涡从弱非线性状态变成湍流状态。特别是，当流动由湍流泰勒涡控制时，我们发现这两个传输过程都表现出幂律标度：$Pr=4.38$的$Nu\sim Re^{0.619\pm0.015}$，$Pr=0.7$的$Nu\sim Re^{0.590\pm0.025}$和两个$Pr$的$ν_{t}/ν\sim Re^{0.588\pm0.036}$。这些标度指数表明，热和角动量的径向传输的类似机制，这是进一步证明了湍流粘度与扩散率的比率是独立的$Re$的事实。为了说明湍流输运的基本机制，我们通过分析热通量和动量通量密度的空间分布来提取相干结构。我们的研究结果揭示了相互湍流结构，通过该结构，热量和角动量被有效地传输。
2021-11-24 physics.flu-dyn
Effect of outer cylinder rotation on the radially heated Taylor-Couette flow
本文通过线性稳定性分析研究径向加热 Taylor-Couette 流，揭示外圆柱旋转、对称破缺模态、Rayleigh 稳定区失稳及 CDNC 对临界 Taylor 数的影响。
2023-08-16 physics.flu-dyn
Stability of plane Couette and Poiseuille flows rotating about the streamwise axis
本研究结合线性稳定性分析与直接数值模拟，明确了绕流向轴旋转的平面Poiseuille流和Couette流在高低旋转数下的稳定性渐近规律，揭示了高旋转数下与展向旋转流及Rayleigh-Benard对流的稳定性关联，还探明了亚临界转捩的存在区间与特征。
2025-10-30 physics.flu-dyn
Inviscid helical magnetorotational instability in cylindrical Taylor-Couette flow
本文分析了与天体物理条件有关的无粘极限轴对称螺旋磁旋转不稳定性（HMRI）。采用零磁普朗特数定义的无感近似来区分螺旋磁场作用下圆柱形泰勒-库埃特流中的HMRI和标准MRI。用Chebyshev配点法计算了在内外半径比λ=2，旋转率和磁场螺旋度不同的情况下，对流和绝对不稳定性的阈值。研究发现，超出Rayleigh极限的自持HMRI模式的扩展不仅在窄能隙近似下，而且在有限能隙近似下都没有达到天体物理相关的Keplerian旋转轮廓。开普勒极限只能通过对流HMRI模式提供的边界是完美的传导。然而，这种模式不仅需要一个永久的外部激励是可观察的，但也有一个长的轴向波长，这是不兼容的厚度有限的天体物理吸积盘。
2011-12-19 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Exploring the phase diagram of fully turbulent Taylor-Couette flow
Taylor-Couette流（TC）的直接数值模拟。剪切雷诺数达到$3\cdot10^5$，对应于$Ta=4.6\cdot10^{10}$的泰勒数。有效的缩放法的扭矩。过渡到最终制度，其中渐近缩放法（对数校正）的扭矩预计将举行任意高的驱动，分析不同的半径比$η$，不同的纵横比$Γ$和不同的旋转比$Ro$。结果表明，该跃迁与$Ro$和$Γ$近似无关，而与$η$有显著的依赖关系.我们还计算了当地的角速度分布和可视化不同的流态，这取决于剪切的流量，和科里奥利力起源于外圆筒旋转。两个主要制度的区别，根据科里奥利力的大小，即共同旋转和弱反向旋转制度为主的瑞利不稳定区域，和强烈的反向旋转制度的稳定和不稳定的区域存在的混合物。此外，揭示了$η$和外圆柱旋转之间的类比，即较小的间隙与同向旋转的圆柱表现得像较宽的间隙，而较宽的间隙与弱反向旋转的圆柱表现得像较小的间隙。最后，$Γ$的有效扭矩与$Ta$缩放的效果进行了分析，它表明，不同的分支的扭矩与$Ta$的关系与不同的纵横比被发现交叉内的$15%$的$Re$相关的过渡到最终制度。最后给出了$Re$数参数空间的内、外相图以及$Ta$和$Ro$参数空间的相图，它们可以看作是Andereck \emph{et al.}相图向极限状态的扩展.
2014-10-15 physics.flu-dyn
A dynamical approach to the study of instability near Couette flow
本文提出一种新的动力学方法，证明了小粘性 Navier-Stokes 方程在临界空间中 Couette 流的最优不稳定性阈值，并为 Couette 流附近剪切流的线性化 Euler 方程提供了证明 Rayleigh 算子增长模式存在的新工具。
2023-05-14 math.AP physics.flu-dyn
Interactions between two adjacent convection rolls in turbulent Rayleigh-Benard convection
本研究通过带隔墙的双立方腔体湍流Rayleigh-Bénard对流实验，结合基于温度湍流扩散的随机常微分方程模型，揭示了相邻对流卷同向/反向旋转态的稳定机制及自发切换规律，表明宏观热扩散率同时调控卷间相互作用。
2023-06-12 physics.flu-dyn
Paradox of inductionless magnetorotational instability in a Taylor-Couette flow with a helical magnetic field
在无感近似下，考虑了具有螺旋形外磁场的流体动力学稳定Taylor-Couette流的磁旋转不稳定性（MRI），该近似由零磁普朗特数（$\Pm=0)$）定义.这导致了一个相当大的简化的问题，最终只包含流体动力学变量。首先，我们指出，任何微扰的能量增长在磁场的存在下，必须增长得更快，没有外地。这是一个悖论，因为基流在没有磁场的情况下是稳定的，而在螺旋磁场的存在下是不稳定的，而不被后者改变，正如最近由Hollerbach和Rudiger发现的那样[Phys. Rev. Lett. 95，124501（2005）]。我们重新审视这个问题，通过使用Chebyshev配置方法来计算线性化问题的特征值谱。通过这种方式，我们证实，MRI与螺旋磁场确实工作在无电感的限制，不稳定的影响出现作为一个有效的移动的瑞利线。其次，我们对线性化方程进行了时间积分，研究了小振幅扰动的瞬态行为，从而表明能量参数也是正确的。然而，这两个事实之间并不存在真正的矛盾。线性稳定性理论预言了任意小振幅扰动的渐近发展，而能量稳定性理论给出了任何特定扰动的瞬时增长率，但它没有说明这种扰动的演化。
2006-06-14 astro-ph physics.flu-dyn
Competition Between Thermophoretic Separation and Thermal Convective Mixing
该研究通过能量守恒耗散粒子动力学模拟，揭示了二元流体中热泳分离与热对流混合的竞争机制，发现存在最优瑞利数使分离最小化，为微混合器设计提供参考。
2025-05-24 physics.chem-ph physics.flu-dyn
Coexisting Ordered States, Local Equilibrium-like Domains, and Broken Ergodicity in a Non-turbulent Rayleigh-Bénard Convection at Steady-state
基础物理学，特别是热力学的一个挑战是理解远离平衡态的系统中的涌现秩序。当处于平衡时，温度起着关键热力学变量的作用，其在空间和时间上的均匀性定义了系统所处的平衡态，但在远离平衡的驱动系统中情况并非如此。当能量在稳态下流过有限系统时，温度呈现出与时间无关但空间变化的特征。在这项研究中，在稳态的Rayleigh-B{é}nard流体单元的对流模式被用作原型系统的温度分布和波动的时空测量。热数据是通过对对流系统进行高分辨率实时红外量热来获得的，因为当施加功率时，对流系统首先被驱动出平衡，达到稳态，然后当功率被移除时，对流系统逐渐松弛回到室温平衡。我们的研究提供了新的实验数据的非平凡性质的热波动时，稳定的复杂的对流结构出现。这些对流单体在稳态下的热分析进一步产生局部平衡样统计。总之，这些结果与对流单体的空间有序性与系统的温度流形的演变。
2019-07-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.AO
Taylor-Couette flow for astrophysical purposes
简要回顾了泰勒-库埃特流的天体物理实验和理论研究。感兴趣的流的差分旋转与内圆筒比外一个更快，但线性稳定对瑞利的无粘离心不稳定性。在剪切雷诺数高达10^6时，这种类型的流体动力学流动（准开普勒）似乎是非线性稳定的：没有看到不能归因于与轴向边界的相互作用而不是径向剪切本身的湍流。直接的数值模拟结果也是一致的，尽管它们还不能达到如此高的雷诺数。这一结果表明，吸积盘湍流不是纯粹的流体动力学的起源，至少在一定程度上，它是由径向剪切驱动。然而，理论预测了天体物理盘中的线性磁流体动力学（MHD）不稳定性：特别是标准磁旋转不稳定性（SMRI）。针对SMRI的MHD Taylor-Couette实验受到液态金属的低磁性普朗特数的挑战。需要高流体雷诺数和仔细控制轴向边界。对实验室SMRI的探索得到了回报，发现了SMRI的一些有趣的无感应表亲，最近报道的成功证明了SMRI本身利用导电轴向边界。一些突出的问题和近期的前景进行了讨论，特别是与天体物理学。
2022-12-16 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.IM
Large-Scale Pattern Formation in the Presence of Small-Scale Random Advection
尽管存在强烈的波动，许多湍流系统，如Rayleigh-Bénard对流和Taylor-Couette流显示自组织的大尺度流动模式。小尺度湍流波动如何影响这种大尺度流型的出现和稳定性？在这里，我们接近这个问题的概念，通过调查一类图案形成系统中存在的随机平流的Kraichnan-Kazantsev速度场。结合工具，从斑图形成与统计理论和模拟，我们表明，随机平流转移的发病和波数的紧急模式。作为对流中斑图形成的一个简单模型，用一个包含随机平流的广义Swift-Hohenberg方程证明了这种影响。我们还讨论了我们的结果的影响，湍流瑞利-贝纳德对流的大尺度流动。
2019-09-24 nlin.PS physics.flu-dyn
How does flow in a pipe become turbulent?
管流中向湍流的过渡不遵循瑞利-贝纳德或泰勒-库埃特流中熟悉的情况，因为层流剖面在所有雷诺数下都是稳定的，不受无穷小扰动的影响。此外，即使当流速足够高并且扰动足够强使得建立湍流时，它也可以返回到层流状态而没有任何即将衰减的指示。在此参数范围内，扰动的寿命表现出对初始条件的敏感依赖性和指数分布。湍流似乎是由三维行波的支持，出现在流场中的瞬态。层流和湍流动力学之间的边界是由不变的混沌状态的稳定流形形成的。我们还将讨论在短期内，定期连续域的观测之间的关系，并在充分扩展喷流的动态。
2007-09-20 physics.flu-dyn
Level crossing instabilities in inviscid isothermal compressible Couette flow
本文研究无粘等温可压缩库埃特流的线性稳定性，发现非拐点特征模态随马赫数和波数增大发生无限序列的能级交叉稳定性转变，形成斑马状不稳定窗口，并识别出转变附近的平方根幂律增长率形式。
2024-12-30 math-ph math.MP physics.flu-dyn
The effect of split endcaps on the flow dynamics in a tall Taylor-Couette setup
本文研究了高雷诺数下分裂端帽对塔雷-库埃特流动动力学的影响，发现端帽会降低磁旋转不稳定性（MRI）的临界阈值，促进其在相关实验中的出现。
2025-12-22 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Destabilization of rotating flows with positive shear by azimuthal magnetic fields
根据瑞利准则，当旋转流的比角动量径向向外增加时，旋转流是线性稳定的。只要角速度向外减小，著名的磁旋转不稳定性就为使这些流动不稳定开辟了一条道路。使用短波长近似，我们证明，即使是非常陡峭的正剪切流可以不稳定的方位角磁场，这是在流体中的电流。我们说明了这种不稳定性的旋转增强扭结型不稳定性的情况下，在流体中的均匀电流的过渡，并讨论了观察它在磁化泰勒-库埃特流的前景。
2015-11-12 astro-ph.SR 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 $模型解析解，得到新的Nu与Ra、Pr的关系，改进了传统浮力处理的不足。
2026-01-21 physics.flu-dyn
Variational construction of tubular and toroidal streamsurfaces for flow visualization
本研究提出流面变分构造方法，采用有限元法求解偏微分方程得到速度场最佳近似首次积分，突破了此前傅里叶级数表示的局限，可适配任意几何与边界条件的三维流动，并可用于提取对流中的动量屏障。
2023-07-03 math.DS physics.flu-dyn
Optimising energy growth as a tool for finding exact coherent structures
我们讨论了如何寻找有限振幅扰动的一个给定的能量，最大限度地提高其随后的能量增长后，一定的稍后时间$T$可以用来探测相空间周围的参考状态，并最终找到其他附近的解决方案。该过程依赖于这样一个事实，即所有的初始扰动的恒定能量超球，优化过程将自然地选择一个位于最接近的稳定流形附近的解决方案在相空间中，如果$T$是足够大的。然后，当在其随后的演化中，最优扰动瞬时地接近新的解时，在该点处的流状态可以用作初始猜测以使解收敛到机器精度。我们通过以下方式在平面Couette流中说明了这种方法：a）重新发现Schneider等人（2010 b）的展向局部化“蛇”解; b）在非常低的雷诺数下探测相空间（$< 127.7$）其中恒定线性剪切解被认为是全局吸引子;以及最后c）检查当稳定分层杀死湍流吸引子时层流和湍流之间的边缘如何演变。我们还表明，稳定的蛇解决方案顺利离域不稳定分层逐渐打开，直到它连接（通过一个中间的全球3D解决方案）的2D瑞利-贝纳德滚解决方案。
2017-01-31 physics.flu-dyn
Experiments and long-term High Performance Computations on amplitude modulations of strato-rotational flows
本文描述了一个结合实验和高性能计算研究的新的特定行为的层旋转不稳定性（SRI）。低频粒子图像测速（PIV）的实验数据与直接数值模拟的对抗揭示了新的非线性现象和模式尚未观察到的SRI，这可以有助于我们理解的天体物理流动，特别是关于现象相关的吸积盘理论。实验设计来调查这些SRI相关的现象包括一个经典的泰勒-库埃特（TC）系统，两个同心圆柱体，可以独立旋转下稳定的密度分层，由于温度梯度施加在轴向方向。在目前的研究中，弗劳德数在1.5<F<4之间，雷诺数在300<Re<1300之间变化，内外圆柱的旋转比为0.35，比Keplerian速度剖面略小，但超过Rayleigh极限。在直接数值模拟研究中使用了相同的实验配置，该配置使用了求解Boussinesq方程的并行高阶紧凑格式不可压缩代码。模拟和实验都表明，在最近的线性稳定性分析的协议，发生返回到稳定的流动相对于SRI雷诺数增加时。低频速度振幅调制有关的两个竞争的螺旋波模式，尚未报告，观察到的数值和实验。
2020-04-15 physics.flu-dyn
Data-driven discovery of the equations of turbulent convection
本文比较 SINDy/pySINDy 与 SPIDER 从湍流对流 DNS 数据中恢复控制方程及边界条件的能力，证明 SPIDER 以更小项库在宽 Rayleigh 数和 2D/3D 场景中更优。
2025-05-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Stability Criteria of 3D Inviscid Shears
经典的平面Couette流、平面Poiffille流和圆管Poiffille流都具有“条纹-滚动-临界层”形式的三维定常拟序结构。当雷诺数接近无穷大时，定常相干结构在速度变量上接近形式为（$U(y,z), 0, 0$）的三维极限剪切。所有这些三维剪切都是三维欧拉方程的稳定状态。这提高了调查的重要性，这种无粘性的三维剪切的稳定性相比，经典的瑞利理论的无粘性的二维剪切。几个一般的稳定性准则，这种无粘三维剪切推导。在附录中，给出了一个论证，说明二维极限剪切只能是经典的层流剪切。
2009-11-09 math.AP nlin.CD physics.ao-ph
General stability criteria for inviscid rotating flow
解析地得到了具有角速度$Ω(r)$的无粘Taylor-Couette流的一般稳定性准则。首先，导出了离心流动的一个必要的不稳定性判据$ξ'(Ω-Ω_s)<0$（或$ξ'/(Ω-Ω_s)<0$），其中$ξ$是翼型的涡度，$Ω_s$是拐点处的角速度$ξ'=0$。其次，找到了稳定性的判据为$-(μ_1+1/r_2)<f(r)=\frac{ξ'}{Ω-Ω_s}<0$，其中$μ_1$是最小特征值。新准则是平行流准则的类似物，平行流准则是Arnol'd非线性准则的特殊情况。具体地说，Pedley循环被证明是Rayleigh准则的一个特例.此外，平行流的判据也可以从旋转流的判据导出。这些结果推广了已有的结果，对进一步研究流体动力不稳定性的机理具有重要意义。
2010-05-11 astro-ph physics.ao-ph physics.flu-dyn
Diffusive MHD Instabilities: Beyond the Chandrasekhar Theorem
本文研究了轴向无限圆柱流的磁流体动力学稳定性，其中包含一个与线性方位速度具有相同径向轮廓的环形磁场背景场。对于理想流体，如果阿尔芬速度等于背景流的速度，那么Kazrasekhar（1956）已经证明了这种构形的稳定性。然而，对于瑞利线上的磁化泰勒-库埃特流，对于有限扩散率，这种流对非轴对称扰动变得不稳定，其中旋转速率的临界磁雷诺数不依赖于磁普朗特数Pm，如果Pm << 1。为了研究这种新的扩散方位角磁旋转不稳定性，考虑了具有相同径向轮廓但具有不同振幅的流和场。当Pm << 1时，具有最弱磁场和最慢自转速率的不稳定区域位于阿尔芬速度和自转速度等幅的Erasekhar线以下。我们发现，然后与雷诺数和哈特曼数标度的边缘不稳定线。不稳定性所需的场强和旋转速率的最小值（略微）随着越来越平坦的旋转而增长。最后，背景场的相应电流变得如此之强，以至于泰勒不稳定性（即使没有旋转也存在）也出现在小哈特曼数的分叉映射中，取代了所有的方位角磁旋转不稳定性。
2014-07-01 astro-ph.GA physics.flu-dyn
