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
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
Drift of interfaces in forced stably-stratified turbulence and the role of vertically-sheared helical structures
Department of Physics & INFN, University of Rome “Tor Vergata”（罗马第二大学物理系及意大利国家核物理研究所）；INFN Sezione di Lecce（意大利国家核物理研究所莱切分部）；CNR NANOTEC（意大利国家研究委员会纳米技术研究所）
研究强迫稳定分层湍流中界面粗化动力学现象，通过直接数值模拟和长时间积分，发现界面垂直漂移和合并与打破镜面对称性的垂直剪切螺旋结构有关，还建立了螺旋度耗散率与垂直浮力通量的联系。
2026-07-10 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
Prandtl number effects on extreme mixing events in forced stratified turbulence
该研究通过直接数值模拟探讨了Prandtl数对强迫分层湍流极端混合事件的影响，发现随Prandtl数增大界面变细且对整体混合贡献降低，但极端混合事件始终优先发生于静态稳定界面中。
2023-10-23 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
Forced Imbibition in Stratified Porous Media
吸渗在各种能源、环境和工业过程中起着核心作用。在许多情况下，介质具有多个不同渗透率的平行地层;然而，这种分层如何影响渗吸却知之甚少。我们通过直接可视化具有两个平行地层的三维（3D）多孔介质中的强制自吸来解决这一知识缺口。我们发现，渗吸是空间异质性：对于小的毛细管数Ca，润湿流体优先侵入细地层，而对于Ca以上的阈值，流体，而不是优先侵入粗地层。该阈值取决于介质的几何形状、流体性质以及孔隙空间中残余润湿膜的存在。这些发现很好地描述了一个线性稳定性分析，结合地层之间的横流。因此，我们的工作提供了定量的指导方针，预测和控制在分层多孔介质中的流动。
2020-10-05 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft 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
Turbulent transport in a strongly stratified forced shear layer with thermal diffusion
这项工作提出了数值计算结果的热量和化学物质的运输剪切诱导湍流强烈分层，但热扩散的环境。在这种状态下驱动的剪切不稳定性有时被称为“长期”剪切不稳定性，即使当流动的梯度理查森数（浮力频率与剪切速率之比的平方）很大时，只要佩克莱数（热扩散时间尺度与湍流涡旋的周转时间尺度之比）很小，也会发生剪切不稳定性。我们已经确定了一组简单的标准来确定这些不稳定性是否会发生。一般来说，我们发现，只要流体的热扩散率非常大（通常大于$10^{14}$ cm $^2$ /s），它们就可能是相关的，例如在大质量恒星（$M\ge 10 M_\odot$）的外层就是这种情况。使用一个简单的模型设置，其中剪切力是被迫由空间正弦，恒定振幅的体力，我们已经确定了几个制度，从有效的非分层非常强烈分层，每个都有自己的一套动力学特性。除非系统处于两个极端的政权之一（有效非分层或完全稳定），然而，我们发现（1）只有大约10%的输入功率用于热传输，而其余90%是粘性耗散的;（2）Zahn（1992）的模型很好地近似了有效组分混合系数，其中$D \simeq 0.02 κ_T /J$是热扩散率，$J$是梯度理查森数。然而，这些结果需要通过不同模型设置和更高有效雷诺数下的模拟来确认。
2015-12-29 astro-ph.SR 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
Forced Imbibition in Stratified Porous Media: Fluid Dynamics and Breakthrough Saturation
渗吸是润湿流体取代非润湿流体的过程，在各种能源、环境和工业过程中起着核心作用。虽然该过程通常在具有均匀渗透率的均匀多孔介质中进行研究，但在许多情况下，介质具有不同渗透率的多个平行地层。这种分层如何影响吸液的流体动力学，以及润湿流体突破到给定介质的末端后的流体饱和度，还知之甚少。我们解决这个知识的差距，通过开发一个分析模型的吸液在多孔介质中有两个平行的地层，结合孔隙网络模型，明确地描述了地层之间的流体横流。通过数值求解这些模型，我们研究了突破后留下的流体动力学和流体饱和度。我们发现，非润湿流体的突破饱和度最小化时，施加的毛细管数Ca被调谐到一个值Ca $^*$，这取决于两种流体之间的介质和粘度比的结构。因此，我们的研究结果提供了定量的指导方针，预测和控制分层多孔介质中的流动，与水的修复，石油/天然气的回收，并在不同的材料中需要水分管理的应用程序的影响。
2021-08-04 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.flu-dyn
Emergent eddy saturation from an energy constrained eddy parameterisation
全球海洋环流的大尺度特征以及这些特征对强迫变化的敏感性主要取决于中尺度涡场的影响。其中一个这样的功能，在数值模拟中观察到的中尺度涡场至少部分解决，是涡流饱和的现象，其中的时间平均环极运输的南极绕极流显示相对不敏感的风强迫变化。粗分辨率模型采用根特-麦克威廉姆斯参数化与一个恒定的根特-麦克威廉姆斯系数似乎无法重现这种现象。在本文中，使用通道中风强迫、纬向对称流动的理想模型来研究不同涡旋闭合下绕极输送对风强迫变化的敏感性。研究表明，当与简单的参数化涡动能量收支耦合时，Marshall等人（2012）[参数化涡动位渦通量的框架，J. Phys. Oceanogr.，Vol.42，539- 557]，其包括线性涡流能量依赖性，产生涡流饱和作为突发的性质。
2016-10-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Wave-kinetic dynamics of forced-dissipated turbulent internal gravity waves
本文通过受迫耗散动理学方程模拟弱非线性内重力波，揭示早期非局域相互作用与后期局域各向异性能量级联，并发现小水平波矢处由波-波相互作用介导的层化凝聚现象。
2025-03-28 physics.flu-dyn
Energetically consistent localised APE budgets for local and regional studies of stratified flow energetics
针对局地和区域分层流能量分析中 APE 参考态不一致的问题，本文提出精确平均/涡旋分解框架，将局地化 APE 定义为涡旋分量，并建立其与分子耗散及参数化能量传递的严格联系。
2025-06-08 physics.ao-ph 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
Mixing in stratified gravity currents: Prandtl mixing length
分层流中剪切引起的垂直混合是温盐环流的一个重要组成部分。我们实验确定的垂直通量的动量和密度的强制重力流使用高分辨率的速度和密度测量。一个恒定的涡流粘度模型提供了一个穷人的物理混合的描述，但普朗特混合长度模型的动量和密度通量的平均速度和密度梯度的作品。对于$<Ri_g > \approx 0.08$和$Re_λ\approx 100$，混合长度是相当恒定的，大约相同的大小，与湍流剪切长度相当。
2009-03-06 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
Mixing and sharpening at the interface of a two-layer fluid forced by random jets
École Normale Supérieure PSL（巴黎高等师范学院）；Institute of Science and Technology Austria（奥地利科学技术研究所）；École Normale Supérieure de Lyon（里昂高等师范学院）；Université de Lorraine（洛林大学）
研究两层流体密度界面处混合，通过随机驱动合成射流阵列产生随机湍流猝发进行实验，用记录密度场解析界面演化，发现界面速度与密度跃变关系及不同密度差下界面变化情况，为地球物理混合动力学提供新见解。
2026-07-15 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Large-scale anisotropy in stably stratified rotating flows
我们提出的结果从直接数值模拟的Boussinesq方程的旋转和/或分层的存在下，无论是在垂直方向。运行在小尺度上各向同性且随机地强制进行，空间分辨率高达$1024^3$网格点和雷诺数$\approx 1000$。我们首先表明，负能通量和逆级联的解决方案，在旋转湍流发展，是否分层存在。然而，纯分层的情况下，其特征在于，而不是由早期的，高度各向异性转移到大尺度几乎为零净各向同性能通量。这与先前观察到垂直剪切水平风发展的研究一致，尽管只是在相当晚的时间。然而，与以前的作品，当足够的尺度分离之间的强迫尺度和域的大小，总能量显示一个垂直（水平）的频谱与功率定律的行为兼容的$\sim k_\perp^{-5/3}$，包括在没有旋转。在后一种纯粹分层的情况下，这种谱是大尺度水平风中所含能量直接级联的结果，这一点可以通过在所有尺度（包括最大分辨尺度）上平行方向上的强正能量通量来证明。
2014-07-17 physics.flu-dyn
Drainage in a model stratified porous medium
我们表明，当一个非润湿流体排水分层多孔介质在足够小的毛细管数Ca，它只流过介质的粗地层;相比之下，高于阈值Ca，非润湿流体也被迫横向，部分相邻的，更精细的地层。这种局部浸润的空间范围随着Ca的增加而增加。我们定量地了解这种行为，通过平衡地层规模的粘性压力驱动流动与所需的毛细管压力侵入个别孔隙。由于地质构造经常分层，我们预计，我们的研究结果将是相关的一些重要的应用，包括了解石油迁移，防止地下水污染，地下CO $_{2}$存储。
2013-01-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.flu-dyn
On the Asymmetry of Rotating Stratified Throughflows Across Finite Amplitude Topography. Part I: Injection of Boundary Layer PV
我们提出了一个理想化的研究斜压结构的旋转，分层通过一个有限振幅的脊在f-平面上，迫使一个稳定的，均匀的流入和流出的相等的幅度。由此产生的平衡环流的特点是不稳定的，西方加强边界电流和流量沿f/H等值线顶部的山脊附近的波峰，关闭强制流通。我们发现，定位于侧边界流的底部埃克曼动力学放大了简单拉伸/挤压所预期的分层：沿着与净上坡输送相关的反气旋边界流的强烈分层底部锋面（高PV异常），以及底部混合层锋面（消失的PV异常））位于存在净下坡输送的气旋边界流。与两个锋相关的PV异常由斜压增长导致的平均流和涡旋平流，导致高PV沿脊集中的空间分布，低PV被平流到脊下游的内部海洋中，在中间深度。使用的框架，体积集成PV守恒，其中包括与底部地形的净通量，我们符合从底部边界层的脊和净平流脊的PV注入之间的近似积分平衡。这些研究结果之间的相互作用，了解大规模和底边界动力学的影响进行了讨论。
2021-01-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Nonlinear internal wave penetration via parametric subharmonic instability
我们提出了一个实验室实验研究的谐波，空间周期性的边界强迫从上面的密度分层，包括一个强分层，薄上层坐在上面的弱分层，深下层的内部波场的结果。在线性状态下，与在上层中激发的相对高频率的内波相关联的能通量由于波场的倏逝衰减而被阻止进入下层。然而，在实验中，我们发现，在上层的参数分谐波不稳定性（PSI）的发展转移能量从强迫的主波到一对分谐波子波，每个子波能够穿透弱分层的下层。我们发现，在我们研究的区域，主波能量通量的$10\%$附近通过这种非线性波-波相互作用穿透到下层。
2016-02-11 physics.flu-dyn
Long-wave instabilities of sloping stratified exchange flows
本文在倾斜分层交换流中发现三种新的长波不稳定性，它们可在强分层背景流中增长并诱发湍流混合，揭示了一条新的能量交换路径。
2023-09-18 physics.flu-dyn
Nonlinear dynamics of forced baroclinic critical layers
在本文中，我们研究强迫的斜压临界水平，出现在分层流体与水平剪切流沿表面的波的相速度相对于平均流匹配的自然内部波的速度。线性理论预测斜压临界层动力学与经典临界层动力学相似，其特征是在一个宽度逐渐减小的区域上气流扰动的长期增长。利用匹配渐近展开，我们构造了一个非线性斜压临界层理论，研究了气流扰动进入非线性区后的演变。该理论的一个关键特征是，由于斜压临界层的位置是由流向波数决定的，因此非线性动力学过滤掉谐波，并且对平均流的修改控制了演变。在晚些时候，我们表明，涡度开始集中到更小的区域，其宽度随时间呈指数级下降，并且耗散效应的增加可以阻止这种集中，以创建一个漂移的相干结构。在平均水平速度中的射流状缺陷是临界层动力学的主要结果。
2019-10-07 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
The dynamics of stratified horizontal shear flows at low Péclet number
我们考虑一个垂直分层，水平强迫Kolmogorov流的动力学。天体物理系统的普朗特数往往是渐近小的启发，我们的重点是很少研究的限制高雷诺数，但低Péclet数（定义为雷诺数和普朗特数的产品）。通过线性稳定性分析，我们证明了二维模式对无穷小扰动的稳定性与分层无关，而三维模式在强分层和强热扩散的极限下总是不稳定的。随后的非线性演化和过渡到湍流的数值研究使用直接数值模拟。对于足够大的雷诺数，四个不同的动力学制度自然出现，这取决于背景分层的强度。通过考虑占主导地位的平衡的控制方程，我们推导出每个政权的比例律解释的数值数据。
2020-10-26 astro-ph.SR 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
Stratified inclined duct: two-layer hydraulics and instabilities
分层倾斜导管（SID）维持交换流在一个长的，轻轻倾斜的管道作为一个模型，连续强制密度分层流，如那些发现在河口。实验表明，出现的界面波和它们的过渡到湍流的倾斜角的增加似乎与阈值的交换流量由无粘性的两层水力学。我们发现这些水力机制与（i）最近的直接数值模拟（DNS）提供了完整的流量数据，在关键的流动制度（朱和Atoufi等人，arXiv：2301.09773，2023），（ii）平均这些DNS分为两层，（iii）无粘性两层浅水和不稳定理论，以诊断界面波的行为，并提供物理见解。层流在整个管道中是亚临界和稳定的，并且在管道的端部处是液压控制的。随着倾斜的增加，流动变得到处都是超临界的，并且对长波不稳定。一个内部的起伏跳跃，具有驻波首先出现在附近的中心的管道，然后导致较大幅度的行波，并在最大的倾斜角更强的跳跃，波破碎和间歇性湍流。长波（非线性）浅水方程描述的局部解释为线性波的两层平行的底流描述的泰勒-戈尔茨坦方程。这种联系有助于我们解释长波不稳定性，并将其与短波（例如开尔文-亥姆霍兹）不稳定性进行对比。我们的研究结果表明，通过长波不稳定性依赖于垂直限制的顶部和底部的墙壁在SID湍流的过渡。
2023-01-30 physics.flu-dyn
Layer formation and relaminarisation in plane Couette flow with spanwise stratification
最近的研究揭示了当稳定分层的湍流被迫具有水平剪切时相干结构在形成层中的作用（Lucas，Caulfield & Kerswell，J. Fluid Mech.，第832卷，2017年，pp. 409-437）。在这里，我们扩展了我们以前的工作，通过研究稳定分层的平面Couette流与重力在展向方向上的动态刚性边界的影响进行调查。我们观察到近壁分层和相关的新的平均流的形式大规模展向扁平流向卷。各层显示出预期的浮力标度$l_z\sim U/N$，其中$U$是典型的水平速度标度，$N$是浮力频率。我们将新的相干结构与著名的大规模二次流在平面Couette分层修改，并发现，过渡到持续湍流的可能性是由这个浮力尺度的相对大小控制的展向间距的条纹。我们还研究了在这个系统中新发现的线性不稳定性对湍流过渡的影响（Facchini et. 2018 arXiv：1711.11312）。
2019-03-19 physics.flu-dyn
An amplitude equation for long, nonlinear internal waves in a weak shear flow over topography
本文导出了一个变系数的Kor te weg-de Vries方程，用于描述地形上分层切变流中非线性长内波的振幅。推导是通过将基本流纳入Taniuti和Wei的约化摄动法的摄动级数中来完成的。在计算方程系数时，不需要求解Tailor-Goldstein长波谱问题，而只需求解通常的静止分层介质长波谱问题和一个边值问题。这些系数的显式表达式。
2014-07-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Regimes of stratified turbulence at low Prandtl number
本文通过多尺度渐近分析低普朗特数流体的强分层湍流，识别出多种动力学机制，并给出参数空间图及浮力通量等参数化方案。
2024-07-17 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Diffusion of inertia-gravity waves by geostrophic turbulence
在快速旋转的强分层流体中，大尺度地转湍流对惯性重力波的散射导致波数空间中等频锥上波浪能的扩散。导出了相应的扩散方程，并将扩散率与湍流的波动特性和能谱联系起来。我们检查这个方程的预测对数值模拟的三维Boussinesq方程的初始值和强迫的情况下，水平各向同性的波和流场。在强迫的情况下，波数扩散的结果在$k^{-2}$波浪能频谱与观测到的大气和海洋光谱的尚未解释的功能一致。
2019-04-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Stably stratified turbulence in the presence of large-scale forcing
本文对雷诺数Re~25000和佛汝德数Fr~0.1和Fr~0.03的分层湍流进行了两次高分辨率直接数值模拟。流场是在大尺度下强迫的，并在2048^3个点的各向同性网格上离散化。分层使流动各向异性，并引入两个额外的特征尺度相对于均匀各向同性湍流：浮力尺度，L_B，和Ozmidov尺度，l_{oz}。前者与沿重力方向流动发展的层数有关，后者被认为是各向同性恢复的尺度。L_B和l_{oz}的值取决于弗劳德数，它们的绝对和相对大小影响傅里叶模式之间的能量再分配。通过对比这两个模拟流的行为，我们发现了一些令人惊讶的相似之处：经过初始瞬态的两个流演变的动力学和潜在的拟能，和能量耗散率的可比值。在大尺度上出现了进一步的相似之处：势能和总能量之间的相同比率（~0.1）是由流动自发选择的，并且慢模式在两个区域中单调增长，导致总能量随时间缓慢增加。轴对称的总能量谱显示了各种各样的谱斜率作为一个函数之间的角度强加的分层和波矢量。在平行于重力的方向上计算的一维能量谱是平坦的，从强迫到浮力尺度。在中等尺度下，Fr~0.03的运行会形成一个~k ^{-3}平行谱，而对于较弱的分层，饱和谱没有足够的尺度来形成，而是观察到一个与柯尔莫哥洛夫标度相容的幂律。最后，螺旋度谱在L_B之前是平坦的，正如在夜间行星边界层中所观察到的。
2014-12-03 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
The role of fluctuations across a density interface
本文提出了密度分层流体的统计力学理论。预测的统计平衡态是湍流搅拌最可能的结果。垂直密度剖面的缓慢时间演变与不可逆混合的存在有关，不可逆混合改变了密度水平的全球分布。我们提出了一个模型，其中的垂直密度分布演变通过一系列的统计平衡态。然后，在实验室实验中的两层稳定分层的流体迫使从下面的振荡网格的理论进行测试。通过平面激光诱导荧光定量测量整个界面的密度波动。这些波动分为“波浪”部分和“湍流”部分。密度场的波动部分由菲利普斯的先前理论很好地描述。我们认为，统计力学的预测适用于足够接近界面的密度场的湍流部分。然而，在混合层内部，密度波动反而由向下的涡动通量和小尺度级联耗散之间的平衡控制。我们报告在这个区域的密度pdf指数尾。
2014-09-21 physics.flu-dyn
Goldilocks mixing in oceanic shear-induced turbulent overturns
我们提出了一个新的物理动机的参数化，基于索普和Ozmidov尺度的比例，不可逆的湍流通量系数$Γ_{\mathcal M}= {\mathcal M}/ε$，即不可逆率${\mathcal M}$在分层流中的背景势能增加，由于宏观运动的湍流动能耗散率的比例。我们的参数化涵盖了所有三个关键阶段（至关重要的是，在时间上）的剪切诱导分层湍流生命周期：初始，“热”的增长阶段，中间大力强迫阶段，和最后的“冷”的tetralization衰减阶段。涵盖所有三个阶段使我们能够突出中间阶段的重要性，我们称之为“金发姑娘”阶段，因为它显然是最佳的（因此既不太热也不太冷，但刚刚好）平衡，其中从背景剪切到湍流混合的能量传递是最有效的。$Γ_{\mathcal M}$在此阶段接近1/3，我们证明，这似乎与持续湍流$\sim 0.2-0.25$的临界或边际Richardson数的调整有关。
2021-08-11 physics.flu-dyn
Single-particle Lagrangian statistics from direct numerical simulations of rotating-stratified turbulence
地球物理流体流动主要是湍流，并且经常受到地球自转以及稳定密度分层的强烈影响。使用直接数值模拟强迫Boussinesq方程，我们研究了这些效应对流体粒子运动的影响，重点是与旋转和分层（RaS），$N$和$f$分别相关的频率的情况下，在一个固定的比例$N/f=5$。随着RaS强度的增加，观察到由涡旋主导的状态到由波主导的状态之间的急剧转变，这似乎也可以通过简单地比较时间尺度$1/N$和$τ_η$（柯尔莫哥洛夫时间尺度）来描述。我们进行了详细的研究，拉格朗日统计的加速度，速度和相关的数量在这两个政权。流动的各向异性导致颗粒在水平方向和垂直方向上的运动之间的明显差异。在区域$Nτ_η<1$中，水平和垂直方向上的加速度统计表现出众所周知的各向同性湍流特性。相反，对于$Nτ_η>1$，它们直接受外加RaS的影响。拉格朗日速度统计数据在所有运行中都表现出明显的各向异性;然而，在$Nτ_η>1$状态下，各向异性程度变得非常强。我们发现，在该制度$Nτ_η<1$，旋转提高了平均位移的粒子在水平面在短时间内，但抑制他们在较长的时间。对于$Nτ_η>1$，这种对水平位移的抑制变得更强，没有明显的扩散行为。垂直方向的位移始终受到抑制。当使用$Nτ_η>1$时，抑制作用变得非常强，颗粒几乎被水平捕获。
2020-05-27 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Detection of turbulent thermal diffusion of particles in numerical simulations
利用直接数值模拟（DNS）发现了温度分层湍流中的湍流热扩散现象，在湍流热通量的方向上引起惯性和非惯性颗粒的非扩散湍流通量。在有重力和无重力的模拟中，发现这种现象会在斯托克斯数小于1的平均流体温度的最小值附近引起颗粒数密度的峰值，其中斯托克斯数是粘性尺度下颗粒斯托克斯时间与湍流柯尔莫哥洛夫时间的比率。湍流热扩散导致惯性粒子空间分布的大尺度不均匀性的形成。这种效应的强度在斯托克斯数为1时最大，并在较大值时再次减小。惯性粒子的动力学研究使用拉格朗日模型在强迫温度分层湍流，而非惯性粒子和流体描述使用DNS在欧拉框架。
2011-11-21 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Self-similarity of the dipole-multipole transition in rapidly rotating dynamos
本文通过分析快速旋转发电机中的受迫磁流体动力学波，揭示偶极-多极转变的自相似性，并据此为地球极性反转的瑞利数提供约束。
2023-09-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
kh2d-solver: A Python Library for Idealized Two-Dimensional Incompressible Kelvin-Helmholtz Instability
kh2d-solver 是一个开源 Python 库，采用分数步投影法和快速正弦变换模拟二维不可压缩开尔文-亥姆霍兹不稳定性，并通过四个典型算例揭示混合效率取决于不稳定性生成路径而非强度度量，挑战了基于 Richardson 数的参数化。
2025-09-19 physics.ao-ph physics.comp-ph physics.ed-ph
Variable energy flux in turbulence
在大尺度下的三维流体动力学湍流中，恒定的能流$ Π_u $从大尺度流向中尺度，再流向小尺度。众所周知，对于多尺度能量注入和耗散，能通量$Π_u$随尺度而变化。在这篇评论中，我们描述了这一原则，并展示了这个一般框架是如何用于描述各种湍流现象。Kolmogorov的频谱相比，能谱陡峭的湍流涉及准静态磁流体，埃克曼摩擦，稳定分层，磁流体力学，和溶液与稀聚合物。然而，在湍流热对流，在不稳定分层湍流，如瑞利-泰勒湍流，和剪切湍流，能量谱具有相反的行为，由于增加的能量通量与波数。此外，我们简要地描述了可变的能量通量在量子湍流中的作用，在二元流体湍流，包括含时的Landau-Ginzburg和Cahn-Hillianrd方程，并在欧拉湍流。
2020-11-14 astro-ph.SR cond-mat.stat-mech nlin.CD
Model of deep zonal flows in giant planets
本文提出一种由热风方程控制的机制，解释巨行星表面纬向流如何随深度逐渐衰减，并通过三维数值模拟证明纬向急流可深入行星内部，与Juno引力数据相符。
2025-10-14 astro-ph.EP physics.flu-dyn
A Versatile Laboratory Approach to Reproduce and Analyze Internal Ocean Wave Dynamics
University of North Carolina, Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校）；Scripps Institute of Oceanography（斯克里普斯海洋研究所）；Wake Forest University（维克森林大学）；Univ. Orléans, INSA CVL, PRISME, UPRES 4229（奥尔良大学，INSA中央-卢瓦尔河谷，PRISME，UPRES 4229）；Arizona State University（亚利桑那州立大学）
本文介绍一种适用于本科生实验的装置，展示海洋中常见波生成与破碎机制，并通过改变浮力雷诺数探讨粘性与惯性/浮力力的作用。
2026-03-13 physics.ed-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Casimir preserving numerical method for global multilayer geostrophic turbulence
本文将保持能量、拟涡能和位势涡度高阶矩的 Lie-Poisson 离散化推广到全球多层准地转系统，并通过受迫与非受迫地转湍流模拟验证其长期结构保持能力。
2024-09-09 math-ph math.MP physics.flu-dyn
