The buoyancy staircase limit in surface quasigeostrophic turbulence
本文研究表面准地转湍流中浮力阶梯极限的形成，发现垂直层结影响急流形态：递减层结产生直线急流，递增层结产生弯曲急流且速度比更小。
2022-06-07 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Numerical study on the axisymmetric state in spherical Couette flow under unstable thermal stratification
本文数值研究了不稳定热分层条件下双同心球边界差分旋转之间的剪切流，即所谓的球形Couette流，重点研究了内半径与间隙宽度相当的宽间隙情况下的轴对称/非轴对称过渡边界。虽然在没有热因素的情况下，SCF的过渡已被实验证实，但对SCF的热不稳定性，特别是在宽间隙情况下与地球物理问题相关的知识不足，主要是基于数值分析，我们的动机是通过参数扩展来弥合知识差距。我们再次确认，在没有热效应的过渡是由一个干扰可视化为一个螺旋形图案与n臂延伸从赤道区的极点在每个半球，在临界雷诺数，Recr，如前所述。随着热因子的增加，浮力效应有助于系统旋转，触发向非轴对称状态的转变，导致相对减少的Recr。这与在低雷诺数下系统旋转通过科里奥利效应明显抑制向热对流态转变的结果相反。本研究阐明了轴对称状态的存在被限制在一个封闭的区域内的扩展参数空间，沿边界的螺旋图案实验观察到的SCF连续连接到经典的球形Benard对流状态。
2019-03-18 physics.flu-dyn
On the role of non-uniform stratification and short-wave instabilities in three-layer quasi-geostrophic turbulence
本文在准地转近似下用一个三层简化模式研究了短波不稳定性对地转湍流的作用。线性稳定性分析表明，短波不稳定性是由上层和下层剪切相互作用产生的。如果分层是不均匀的，特别是表面强化，线性增长率是短波不稳定性大于长波不稳定性和层基本上是解耦的，与小尺度独立增长。通过数值试验研究了充分发展的均匀湍流。结果表明，在等层深和地面强化层结的情况下，均观察到动能的逆级联。在小尺度下，由于层结的解耦，在高斜压数时，模态动能谱显示出较高的能量。结果表明，在等层深的情况下，正压不稳定性大，位温梯度大，而地面层结强度增强的特征是从涡度分布不均匀的地面动力学向涡度涡度在位涡距平的概率分布函数中可以看到短波不稳定性的影响，当短波不稳定性的增长率大于长波不稳定性的增长率时，位涡距平的概率分布函数趋于高斯分布。表面强化层结也改变了位涡通量的垂直结构，并显示了假设湍流作为向下梯度扩散的尺度通量的偏差。
2015-10-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Effect of fuel stratification length scale on thermodiffusively unstable lean hydrogen flames
University of Pisa（比萨大学）；The University of Edinburgh（爱丁堡大学）
本研究通过直接数值模拟发现，燃料分层长度尺度通过几何机制调控热扩散不稳定贫燃氢火焰的结构与传播速度，为部分预混氢燃烧器设计提供关键依据。
2026-09-28 physics.flu-dyn
Convection onset induced by a density stratification whose unstable part is infinitely thin
我们考虑一个垂直腔室组成的两个室分隔的可伸缩的热绝缘薄膜。上腔室和下腔室填充有不可压缩的Boussinesq流体，并通过两个单独的加热器分别保持在温度$T_2$和$T_1>T_2$。在膜收缩时，两个流体团形成不稳定的分层结构，其中冷且重的流体覆盖在较暖且较轻的流体上，并且被非自由界面分离，在该非自由界面上存在密度的跳跃。本文的目的是确定对流开始和相关的流体流动模式引起的这种不连续的密度分层的阈值条件。我们发现，密度分布的不连续性导致出现的温度扰动等值线，具有透镜形状，而不是经典的椭圆形的形状和混合被限制在附近的位置的密度跳跃与停滞和等温流体远离不连续性。我们推导出通量条件的不连续界面，并表明它的行为就像一个热沉的下部和上部的流体层。此外，我们提出了对流开始的稳定性阈值参数对密度间断轨迹的依赖性。文中提出的实验装置可以用来检验本理论的预言。
2016-11-18 physics.flu-dyn
Stratified precessional flow in spherical geometry
我们在球面几何数值研究层结与进动的相互作用。研究了稳定层结和不稳定层结。在所研究的参数区，稳定层结抑制了岁差不稳定性，而不稳定层结和岁差在不同的岁差速率下既可以相互稳定，也可以相互不稳定。
2013-02-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Non-normal energy amplifications in stratified turbulent channels
本研究通过线性响应计算探究分层对湍流通道相干结构放大的影响，发现分层效应仅针对流向拉长大尺度结构，且临界与亚临界理查森数下的结构放大源于同一机制。
2023-06-15 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
Large density stratification stabilizes Rayleigh-Taylor instability in presence of shear
本文研究了剪切对瑞利-泰勒不稳定性（RTI）的影响。即使是简单的均匀剪切强烈影响的不稳定性;较长的波完全稳定时，密度分层是大的（高阿特伍德数）。这个明显违反直觉的结果是由于剪切项中存在阿特伍德数。当不稳定的密度界面嵌入在剪切层中时，剪切再次被发现稳定RTI。然而，这种配置在较低波数区域引入了额外的不稳定剪切不稳定模式。一种新型的剪切不稳定性，其增长率与阿特伍德数增加，起着主导作用，而开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI），这是以前被认为是唯一可能的剪切不稳定性在这种情况下，没有什么意义。因此，在RTI的非线性阶段观察到的波涛，这通常归因于KHI，实际上可能是这种新的不稳定性的非线性表现。
2017-10-22 physics.flu-dyn
The Geostrophic Turbulence of Boundary Buoyancy Anomalies
非地转流是由内部位涡和边界浮力的空间变化引起的。我们首先发展了位涡为零的流体中边界浮力异常的地转湍流理论。我们发现，垂直层结控制边界浮力异常的相互作用范围和边界捕获Rossby波的频散。浮力异常在递减分层[ $\mathrm{d}N(z)/\mathrm{d}{z} \leq 0$，其中$N(z)$是浮力频率]上比在递增分层[ $\mathrm{d}N(z)/\mathrm{d}{z} \geq 0$ ]上产生更长范围的速度场和更分散的Rossby波。因此，表面动能谱是陡峭的减少（混合层样）分层比在经典的均匀分层模型。我们还发现，Rossby波与湍流的非线性相互作用自发地重组成均匀的表面浮力区浮力间断分离，尖锐的向东射流在间断为中心。喷流动力学则取决于垂直分层。在渐减层结上，我们得到了由向东传播的色散波扰动的直喷流。在增加层结，我们得到蜿蜒射流的形状演变的时间，由于向西传播的弱色散波。最后，我们研究了边界限制回复力存在下的简正模，最终目的是得到一个能量守恒的准地转方程的模态截断。这样的模态截断将推广经典的$N$层模型来考虑非等熵边界。然而，我们发现，损失的一个重要的对称性的模式之间的垂直耦合防止模式截断保存能量，所以没有这样的模式截断是可能的。
2022-07-19 physics.ao-ph 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
Mechanism of finite-amplitude double-component convection due to different boundary conditions
发现了一种新的双组分对流机制。它出现在一个水平层的Boussinesq流体作为一个稳定的分层，由于通量边界条件被添加到一个不稳定的梯度指定的固定边界值。一个足够大的扰动大大降低了稳定的通量梯度，但未能混合不稳定的固定值梯度。稳定的有限振幅流让人想起Rayleigh-Benard对流，然后出现，即使净背景分层是稳定的，强调的重要性，确定的机制，双组分流体系统。V2摘要：发现了一种新的双组分对流机制。它出现在一个水平层的Boussinesq流体作为一个稳定的分层，由于通量边界条件被添加到一个不稳定的梯度指定的固定边界值。在这种机制的驱动下，即使背景密度分层是稳定的，也会出现类似Rayleigh-Benard对流的稳定有限振幅流动。
2004-08-31 physics.flu-dyn
A purely analytical and physical wind turbine wake model accounting for atmospheric stratification
该研究提出仅依赖湍流强度与积分时间尺度的纯解析物理风力机尾流模型，可内在表征大气分层，并经LES验证优于Super-Gaussian模型。
2025-10-20 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Stratification, turbulence organization, and pressure-strain effects on surface-layer turbulence anisotropy
University of Innsbruck（因斯布鲁克大学）；Duke University（杜克大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；University of Utah（犹他大学）
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
Phenomenology of two-dimensional stably stratified turbulence under large-scale forcing
本文研究了强、中、弱稳定层结二维湍流在大尺度随机强迫作用下的能谱标度、能量和涡度拟能的尺度间传递。在强分层情况下，大尺度垂直剪切水平流（VSHF）与小尺度湍流共存。VSHF由内部重力波和湍流的动能（KE）谱，遵循近似$k^{-3}$标度与零KE通量和一个强大的正拟能通量。湍流位能（PE）的谱也近似遵循$k^{-3}$幂律，其通量指向小尺度。对于中等分层，没有VSHF和KE的湍流表现出Bolgiano-Obukhov缩放，过渡从浅$k^{-11/5}$形式在大尺度上，在小尺度上一个陡峭的近似$k^{-3}$缩放。整个尺度范围内显示出很强的正向涡度拟能通量，有趣的是，大（小）尺度显示出逆（正）KE通量。在这个制度中的PE通量是针对小尺度，和PE频谱的特点是由一个近似的$k^{-1.64}$缩放。最后，对于弱分层，KE向上转移，其频谱紧密遵循$k^{-2.5}$标度，而PE表现出前向转移，其频谱显示近似$k^{-1.6}$幂律。对于所有的层结强度，总能量总是从大尺度流向小尺度，几乎所有的谱指数都很好地解释了占相应通量的尺度依赖性质。
2016-07-28 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
Sheared stably stratified turbulence and large-scale waves in a lid driven cavity
为了确定控制平均流和湍流的参数，并了解它们对动量和热传递的影响，我们对具有非零垂直平均温度梯度的盖驱动腔中的稳定分层湍流进行了实验研究。我们发现，平均速度模式（例如，大尺度环流的形式和大小）强烈地取决于温度分层的程度。在强稳定层结情况下，强湍流区位于主大尺度环流附近。在强稳定层结的情况下，我们发现了大尺度的非线性振荡，这种振荡可以解释为非线性的重力波。在非线性阶段，速度场和温度场中这些波的主要含能频率之比约为2。波的振幅在弱湍流区域（靠近空腔的底壁）增加，由此垂直平均温度梯度增加。
2014-08-26 astro-ph.EP 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
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
Disruption of SSP/VWI states by a stable stratification
本文在稳定分层平面库埃特流中用DAL方法寻找触发湍流的最小种子，发现分层会改变SSP/VWI相干结构并在足够强的分层下通过抑制垂直运动破坏波对滚转结构的增强机制。
2015-10-27 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
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
Isolating effects of large and small scale turbulence on thermodiffusively unstable premixed hydrogen flames
本研究通过直接数值模拟探究湍流对稀燃预混氢气火焰的影响，揭示了不同Karlovitz数与积分长度尺度下火焰速度、面积的变化规律及差异扩散效应的作用机制。
2023-11-29 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
Sheared stratified turbulence driven by Kolmogorov flow
Institute of Atmospheric Sciences and Climate, National Research Council（大气科学与气候研究所，国家研究委员会）
研究由Kolmogorov流驱动的分层湍流，发现高分层导致稳定界面促进层流化，同时混合层中湍流持续并遵循幂律关系。
2025-12-15 physics.flu-dyn
Unstable magnetic reconnection self-generates turbulence
The University of Manchester（曼彻斯特大学）
本研究通过高分辨率模拟揭示了不稳定的磁重联如何自动生成湍流，并展示了湍流能量注入与非线性能量 cascade 的机制。
2026-02-24 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Rayleigh-Taylor instability between two stable stratifications
这些流体动力学视频序列显示了两个瑞利-泰勒不稳定性实验。第一个视频序列显示了一个实验，其中均匀密度的两层被布置成使得上层的密度大于下层的密度。两层之间的不稳定界面最初由不锈钢屏障支撑。随着势垒的去除，瑞利-泰勒不稳定性导致混合区域的产生，该混合区域随时间增长。这种生长加速，直到混合区域充满整个罐。第二个序列显示瑞利-泰勒不稳定性时，它被限制在两个稳定的分层。虽然最初的混合区的增长加速，稳定的分层减缓增长的不稳定性，并使其停止之前，它可以填补坦克。分层构造的淡水和盐水和两个实验具有相同的阿特伍德数。通过在下层中使用荧光染料实现混合层的上表面的可视化。
2012-10-09 physics.flu-dyn
Irreversible mixing by unstable periodic orbits in buoyancy dominated stratified turbulence
我们认为湍流驱动的大规模水平剪切Kolmogorov流（即正弦体强迫）和背景线性稳定分层与浮力频率$N_B^2$施加在第三，垂直方向的流体中的运动粘度$ν$。这种流动是已知的组织成层的非线性不稳定的稳定状态，倾斜的垂直背景剪切，可以证明是有限振幅饱和的一系列不稳定性，最初从层流状态。在这里，我们调查的下一个顺序的运动在这个系统中，即依赖于时间的机制，密度场是不可逆的混合。这项调查是使用“循环流分析”。我们确定（不稳定）的周期性轨道，这是嵌入在湍流吸引子，并使用这些轨道作为代理的混沌流。我们发现，适当测量流动“混合效率”的时间平均值$\mathscr{E}= χ/(χ+\mathcal{D})$（$\mathcal{D}$是体积平均动能耗散率，$χ$是体积平均密度方差耗散率）随时间平均浮力雷诺数$\overline{Re}_B= \overline{\mathcal{D}}/(νN_B^2)$非单调变化，并以$1/6$为界，与Osborn（1980）的经典模型一致。在低$\overline{Re}_B \sim O(1)$下具有较低不可逆混合效率的不稳定轨道和在中等$\overline{Re}_B \sim 10$下具有接近最佳$\mathscr{E} \lesssim 1/6$的不稳定轨道之间存在质的不同的物理性质。较弱的轨道，不可避免地嵌入在更强的分层流，其特征在于应变或“冲刷”…
2017-09-11 physics.flu-dyn
Energy transfer in resonant and near-resonant internal wave triads for weakly non-uniform stratifications. Part I: Unbounded domain
本文利用多尺度分析方法，导出了一个广义的数学模型，用于计算无界区域内弱非均匀密度层结中弱非线性重力波包组成的共振和近共振三波组的振幅演化和能量交换。这种三元相互作用是高波数内波通过参数次谐波不稳定性导致海洋湍流和混合的机制之一。非均匀层结在垂直波数三波组条件下引入失谐失配，这可能强烈影响能量传输过程。我们详细研究了波包宽度、群速度、非线性耦合系数、失谐量和粘性等因素对弱变化层结中能量传递的影响。我们发现的局限性，著名的“泵波近似”，并推导出一个无量纲的数量，它可以从初始条件进行评估，可以预测的最大能量转移从主波在后期阶段。基于影响近共振波包之间能量转移的各种因素，还定义了两个附加的无量纲数。此外，我们确定了最佳的背景分层在介质中的变化分层的主要波，形成一个三重奏，没有失谐，使能量转移是最大的。最后，我们表明，即使是一个小的变化，在背景分层可以导致显着差异的能量传递过程中的波包时，它们具有相同的数量级的能量。
2020-05-26 physics.flu-dyn
Interaction between low-level jets and wind farms in a stable atmospheric boundary layer
低空急流（LLJ）是在具有高风能潜力的大气低层区域的风最大值。在这里，我们使用大涡模拟来研究LLJ高度对具有$10\times4$涡轮机的风电场中的流动动力学的影响。我们通过改变地面冷却率来改变LLJ高度和大气热力层结。我们发现，第一行的功率生产是更高的LLJ的存在相比，没有LLJ的中性参考情况。此外，我们发现，第一行功率生产增加，降低LLJ的高度。由于较高的湍流强度，风力机尾流在中性边界层中比在稳定分层中恢复得更快。然而，对于具有低高度LLJ的强热分层，尾流恢复可以比中性参考情况更快，因为能量可以从LLJ夹带。流场显示结果表明，在稳定层结条件下，风电场内部边界层的增长受到限制，风在风电场周围流动。风力发电场通过尾流蜿蜒和湍流卷吸从LLJ提取能量，这取决于LLJ的高度。这两种效应都有利于尾流恢复，这有利于顺风涡轮机的性能。这一发现证实了能量预算分析，它揭示了一个显着增加的动能通量在LLJ的存在。当射流通过连续的涡轮排时，射流强度降低。对于强层结，浮力破坏和湍流耗散的综合作用大于湍流卷吸作用。因此，风力发电场后面的涡轮机的发电量对于强大气分层相对较低。
2020-12-11 physics.flu-dyn
Resolvent analysis of stratification effects on wall-bounded shear flows
剪切驱动的湍流和分层之间的相互作用是一个关键的过程，在广泛的地球物理流动的时空尺度，跨越许多数量级。基于分层边界层外部参数的快速数值模式预报可以大大有助于理解不同尺度下速度和标量通量之间的相互作用。由于这些原因，在这里，我们使用的预解框架，调查的影响，一个积极的标量对不可压缩的壁有界湍流。通过对控制纳维-斯托克斯方程中的非线性项采用Boussinesq近似，我们得到了流动系统的状态。这扩展了配方，包括标量平流方程与标量分量作用在壁法线方向的动量方程。我们使用的平均速度剖面从DNS的稳定分层的湍流槽道流在不同的摩擦理查森数。从预解式分析得到的结果进行了比较，从DNS得到的预乘能量谱，自相关系数，和能量预算条款。结果表明，尽管只使用了一个非常有限的范围内的代表性尺度，预解模型是能够再现的能量预算条款的平衡，以及提供有意义的洞察相干结构发生在流中。领先的预解模型的计算，尽管考虑了有限的尺度范围内，再现能量预算条款的平衡，提供有意义的预测相干结构的流动，是更具成本效益的比进行全尺寸模拟。这个快速的模型可以提供进一步的理解分层流的平均配置文件和先前的知识，在中性浮力边界层的运动的能量尺度的信息。
2021-01-28 physics.flu-dyn
Sustaining processes from recurrent flows in body-forced turbulence
通过直接从体强迫三维湍流中提取不稳定的不变解，我们研究了当强迫是大尺度的并且在动量或涡量方程中是单向的时，在起作用的动力学过程。在前一种情况下，从最近关于线性稳定剪切流的工作中所熟悉的动力学过程--不同地称为自持过程（Waleffe 1997）或涡波相互作用（Hall & Smith 1991; Hall & Sherwin 2010）--即使在基流是线性不稳定的情况下也是重要的。在后一种情况下，强迫驱动泰勒-格林涡，从各种类型的周期性轨道孤立的观察到一些机制。特别是，两种不同的瞬态生长机制进行了讨论，以解释更复杂的状态。
2016-11-15 physics.flu-dyn
Turbulence energetics in stably stratified geophysical flows: strong and weak mixing regimes
传统上，湍流能量学的特征在于湍流动能（TKE），并单独使用TKE预算方程建模。在稳定分层中，TKE由速度剪切产生，并通过粘性耗散和抵抗浮力而扩展。分层效应的特征在于浮力梯度与剪切力平方之比，称为理查森数，Ri。人们普遍认为，在Ri超过临界值Ric时，局部剪切不能维持湍流，并且流动变成层流。我们通过将能量分析扩展到湍流位能和总能量（TPE和TTE = TKE + TPE）来修正这一概念，考虑它们的预算方程，并得出结论，TTE是由剪切在任何分层中维持的保守参数。因此，不存在“能量Ric”，这与流体动力学不稳定性阈值Ric不稳定性相反，其典型值在0.25到1之间变化。我们证明，这个区间，0.25<Ri<1，分离两个不同的湍流制度：强混合和弱混合，而不是湍流和层流制度，作为经典的概念状态。这解释了Ri>>1时自由大气和深海湍流的持续发生，阐明了湍流边界层与自由流动的主要区别，为改进湍流闭合模式提供了依据。
2008-07-11 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Phenomenology of buoyancy-driven turbulence: recent results
本文综述了浮力驱动湍流的研究进展。标度和数值计算表明，中等层结的稳定层结湍流具有动能谱$E_u(k) \sim k^{-11/5}$和动能通量$Π_u(k) \sim k^{-4/5}$，即Bolgiano-Obukhov标度。然而，瑞利-贝纳德对流（RBC）的能通量在惯性范围内近似恒定，这导致动能的柯尔莫罗戈夫谱（$E_u(k) \sim k^{-5/3}$）。RBC的现象学应适用于浮力提供动能的其他流动，例如气泡湍流和充分发展的Rayleigh Taylor不稳定性。本文还介绍了几种预测RBC雷诺数和努塞尔数的模型。最近的工作表明，红细胞的粘性耗散率的标度为$\sim \mathrm{Ra}^{1.3}$，其中$\mathrm{Ra}$是瑞利数。
2016-11-29 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
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
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
Helicity dynamics in stratified turbulence in the absence of forcing
对衰减稳定分层流进行了数值研究。被认为是相对较高的分层和中等雷诺数，并特别强调螺旋度（速度涡度相关性）的作用。该问题是通过集成Boussinesq方程在一个周期性的立方域使用不同的初始条件：一个非螺旋泰勒-格林（TG）流，一个完全螺旋贝尔特拉米（ABC）流，和随机流与可调螺旋度。我们表明，分层ABC流螺旋度经历了一个实质性的衰减比非分层ABC流。这一事实可能与层结和大尺度相干结构的综合作用有关。事实上，当后者缺失时，如在随机流中，螺旋度会被引力波的出现迅速破坏。一种类型的大规模耗散“旋”平衡可以用来解释这种行为。当螺旋度在系统中存在时，它强烈地影响能量的时间衰减和傅立叶模之间的能量分布。我们发现，事实上，分层的螺旋流的能量衰减率比分层的非螺旋流慢得多，可以考虑与一个唯象模型的方式类似的是什么做的非分层旋转流。我们还表明，螺旋度，当强，有一个可测量的影响傅立叶光谱，特别是在尺度大于浮力尺度，它显示了一个相当平坦的缩放与垂直剪切。
2012-11-13 physics.flu-dyn
Nonlinearly most unstable route to high-speed boundary-layer turbulence
采用直接数值模拟方法研究了马赫数为4.5时零压力梯度边界层的层流到湍流转捩。对于给定水平的总扰动能量，流入频谱的设计对应于非线性最危险的条件，导致最早可能的过渡雷诺数。将进气道扰动的合成公式化为约束优化，其中控制矢量由进气道模态的幅值和相对相位组成;约束条件为规定的总能量，且气流演化满足完全非线性可压缩纳维-斯托克斯方程;成本函数为平均壁面摩擦力，该摩擦力一旦最大化，对应于最早可能的转捩位置。一个系综变分（EnVar）技术的发展，以解决优化问题。EnVar在每次迭代结束时使用成本函数的梯度更新控制向量的估计，该梯度是根据可能解决方案的集合的结果计算的。两个流入条件计算，每个对应于不同的能量水平，和他们的频谱进行对比：较低的能量情况下，包括两个正常的声波和一个斜涡扰动，而较高的能量条件包括斜声波和涡波。重点放在前一种情况下，不稳定波，启动快速崩溃的湍流是不存在的入口平面。相反，它出现在下游位置后，一系列的非线性相互作用，刺激最快的湍流发作。非线性最有效入流条件的结果也与仅根据线性理论选择的其他进气道扰动进行了比较，这些进气道扰动都产生相对延迟的转捩起始。
2018-11-30 physics.flu-dyn
Turbulent flame speed of thermodiffusively unstable flames: experimental investigation and scaling
本文通过本生火焰实验研究热扩散不稳定与湍流的相互作用对火焰传播的增强效应，提出基于Karlovitz数和Lewis数的参数化标度律，成功拟合不同湍流水平下的实验结果并捕捉过渡Lewis数处的急剧转变。
2023-11-29 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
The tachocline revisited
太阳速跃层是位于太阳对流层底部的剪切层。速跃层中的水平剪切可能是湍流，并且通常认为由于局部分层，这种湍流将是强烈的各向异性。然而，这种湍流在速跃层动力学中起着什么样的作用还有待确定。特别是，目前还不清楚它是否会导致湍流涡流扩散率，或反扩散率，或其他完全。在本文中，我们提出了第一个直接数值模拟的湍流水平剪切流在低普朗特数，在一个理想化的模型，忽略旋转和磁场。我们发现，存在几个制度，这取决于分层，粘度和热扩散率的相对重要性。我们的研究结果表明，速跃层是在分层的湍流制度，它具有非常具体的属性控制浮力，惯性和热扩散之间的平衡。
2020-04-05 astro-ph.SR 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
Turbulence organization and mean profile shapes in the stably stratified boundary layer: zones of uniform momentum and air temperature
本研究在稳定分层边界层中发现涡旋组织呈均匀动量区与温度区的阶梯状结构，其尺度变化解释了对数平均廓线的偏差，并关联了湍流普朗特数趋势。
2022-07-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Transition from shear-dominated to Rayleigh-Taylor turbulence
自然界中的湍流混合层通常以两股不同速度的流体之间存在平均剪切和不稳定浮力梯度为特征。取决于剪切力与浮力的相对强度，前者或后者可能主导两股流之间的湍流和混合。在本文中，我们提出了一个唯象理论，导致识别两个不同的湍流制度：早期制度，占主导地位的平均剪切，和后来的制度占主导地位的浮力。主要的理论结果包括识别的交叉时间尺度，区分剪切和浮力为主的湍流。这个交叉时间取决于三个大规模的流动常数，即浮力差，两股流之间的速度差，和重力加速度。我们验证我们的理论对直接数值模拟（DNSs）的时间湍流混合层与不稳定的分层复合。我们观察到，交叉时间正确地预测从剪切浮力驱动的湍流的过渡，在湍流动能生产，能谱标度和混合层厚度。
2021-06-17 physics.flu-dyn
Viscoelastic pipe flow is linearly unstable
已知牛顿管流在所有雷诺数下都是线性稳定的。我们报告，第一次，一个线性不稳定性的压力驱动的粘弹性流体的管流，遵守Oldrophil-B本构方程通常用来模拟稀聚合物溶液。的不稳定性被证明存在于雷诺数显着低于那些通常观察到的牛顿管流过渡到湍流。我们的研究结果定性地解释了实验观察到的过渡到湍流的稀聚合物溶液的管流中的流速牛顿湍流是不存在的。这里讨论的不稳定性应形成第一阶段，在一个迄今为止尚未探索的动力学路径的湍流聚合物溶液。平面Poiffille流也存在类似的不稳定性。
2017-12-04 physics.app-ph physics.flu-dyn
Forecasting Fluid Flows Using the Geometry of Turbulence
特别是不稳定的Navier-Stokes方程的解决方案（精确相干结构）的存在和动力学的作用，揭示了在实验室研究中的弱湍流薄，电磁驱动的流体层。我们发现，动力学表现出明确的签名，许多不稳定的平衡解决方案，这是使用从实验和完全解决的数值模拟相结合的流量测量计算。我们证明了这些解决方案的动力学的重要性表明，湍流访问他们的状态空间的邻居反复。此外，我们发现，不稳定的流形与这样一个不稳定的平衡预测的演变湍流在实验和模拟相当长的一段时间。
2016-11-07 nlin.CD nlin.PS 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
Turbulence Spectra in the Stable Atmospheric Boundary Layer
在高雷诺数下，层化会导致湍流谱偏离Kolmogorov的各向同性-5/3幂律标度。然而，关于光谱的确切形状还没有达成共识。本文在前人研究的基础上，通过理论推导，提出了水平波数下湍流动能谱和温度谱的形状，并将其划分为三个区域：浮力子区、过渡区和各向同性惯性子区。这些制度证实了在大气边界层的各种观测。我们还表明，DNS可能不适用于非常稳定的大气边界层在非常高的雷诺数的研究，因为他们不能正确地代表所观察到的光谱制度，因为缺乏尺度分离的限制，目前的计算能力。此外，在过渡区的光谱解释了为什么Monin-Obukhov相似理论不能完全描述的稳定大气边界的行为。
2018-10-19 physics.flu-dyn
Lower branch coherent states in shear flows: transition and control
当雷诺数$R$较大时，平面Couette流的下支相干态具有O（1）条纹、$O(R^{-1})$流向滚动和形成临界层的弱正弦波的渐近结构。高次谐波可忽略不计。这些不稳定的下支状态似乎有一个单一的不稳定的本征值在所有雷诺数。这些结果表明，低支相干态控制过渡到湍流，他们可能是有前途的目标，为新的湍流预防策略。
2007-03-07 physics.flu-dyn
Wall-modelled large-eddy simulation of turbulent channel flow with unstable stratification
Institute of Extreme Mechanics, School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University（西北工业大学航空学院极端力学研究所）；National Key Laboratory of Aircraft Configuration Design, Key Laboratory for Extreme Mechanics of Aircraft of Ministry of Industry and Information Technology（飞机总体设计全国重点实验室、工业和信息化部飞机极端力学重点实验室）
本研究提出浮力修正的对数-二次壁面模型，用于不稳定分层湍流槽道流动的壁面模化大涡模拟，在高达Reτ≈6000和Ra=10^10下显著减少网格数量，并准确预测平均速度、温度及全局输运量。
2026-09-22 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Evolution of a Stratified Turbulent Cloud under Rotation
本文结合线性解析、数值模拟与 Lagrangian 粒子追踪，研究旋转分层流体中湍流云的演化，揭示惯性-重力波对柱状结构倾斜、云扩张及能量转移的控制作用。
2023-11-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Instabilities and turbulence in extensile swimmer suspensions
本文研究可拉伸自驱动游动体悬浮液中的低雷诺数湍流，通过一维模型揭示张开失稳的超临界Hopf分岔机制，并利用二维数值模拟发现系统随单一无量纲数从缺陷湍流过渡到浓度波湍流。
2025-06-20 cond-mat.soft physics.flu-dyn
