A new Lagrangian drift mechanism due to current-bathymetry interactions: applications in coastal cross-shelf transport
我们发现,在自由表面流动,均匀,流向电流在小振幅波浪形的底部地形产生横流漂移速度。这种漂移机制被称为海流-测深相互作用诱导漂移(CBIID),具体理解为简化的近岸环境,包括均匀的沿岸海流、向岸传播的表面波和与海岸线成斜角的单色波浪底。CBIID被发现起源于稳定的,非齐次的解决方案的控制系统的方程。类似于由表面波引起的斯托克斯漂移,CBIID也产生补偿欧拉回流,以满足无通量横向边界,例如海岸线。CBIID随颗粒初始深度、海底起伏幅度和沿岸流强度的增大而增大。此外,自由(底)表面附近的CBIID增加(减少)与底部起伏的波长的增加。最大的CBIID获得的长波底部地形,大约使$π/4$角与海岸线。与斯托克斯漂移不同,由于海流-测深相互作用引起的粒子漂移可能不小,因此基于小漂移近似的解析表达式可能不准确。我们提供了一个替代的$z$有界近似,这导致高度精确的漂移速度和时间段的颗粒,特别是位于自由表面附近的表达式。现实的参数分析表明,在某些近岸环境中,CBIID的净拉格朗日漂移的贡献可以作为重要的斯托克斯漂移,这意味着CBIID跨货架示踪剂运输有重大影响。
2022-10-20 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Modified Stokes drift due to surface waves and corrugated sea-floor interactions with and without a mean current
在本文中,我们表明,斯托克斯漂移可能会受到显着影响时,入射的中间或浅水表面波在波纹海底旅行。基本机制是布拉格共振-反射波通过入射波和波纹底部之间的非线性共振相互作用产生。我们从理论上解释了两个对向传播的Stokes波对Stokes漂移的基本影响,并利用高阶谱方法对Bragg共振进行了数值模拟。单色入射波与一片底波纹相互作用,在入射波和反射波之间产生复杂的干涉。当反射波引起的速度超过入射波时,粒子轨迹反转,导致向后漂移。拉格朗日和拉格朗日平均轨迹显示,表面粒子附近的补丁的上波侧被捕获或反射,这意味着波纹补丁作为一个非表面侵入粒子陷阱或反射器。在增加波纹贴片的长度和幅度时,反射以及贴片的有效性增加。列入现实的恒定电流显示显着的差异拉格朗日平均轨迹与波纹补丁和没有。理论分析揭示了额外的条款中的斯托克斯漂移所产生的特定的解决方案,由于平均电流-底部波纹的相互作用,无论是否满足布拉格谐振条件。我们的分析可能有助于设计人造波纹海底补丁,以减轻微塑料和其他形式的海洋污染。我们还预计,海底波纹,特别是在近岸地区,可能会显着影响海洋示踪剂运输。
2020-07-25 physics.flu-dyn
Stokes drift for inertial particles transported by water waves
研究了不可压缩流体中表面重力波对惯性粒子运动的影响。使用多尺度技术,我们进行了分析计算,使我们能够预测这样的粒子的动力学;结果显示为无限和有限的深度制度。数值模拟的基础上的速度场所产生的二阶斯托克斯理论的表面高程已进行,并观察到一个很好的协议与分析预测。这样的一致意见似乎甚至在理论的正式适用性之外仍然成立。我们发现,惯性的存在下,导致一个不可忽略的校正众所周知的水平斯托克斯漂移,此外,我们发现,垂直速度也受到漂移。后一结果可能对有限尺寸颗粒的沉降速率有一些相关的影响。我们强调,在(假设的)没有引力的情况下也可以观察到这种漂移。
2013-01-24 nlin.CD physics.flu-dyn
The increased wave-induced drift of floating marine litter: A mechanism for the increased wave-induced drift of floating marine litter
周期性的水波产生斯托克斯漂移,这从拉格朗日粒子的轨道不完全闭合中可以看出。斯托克斯漂流可能有助于漂浮海洋垃圾的运输,包括塑料。以前,海洋垃圾物体被认为是完美的拉格朗日示踪剂,随着波浪的斯托克斯漂移移动。然而,漂浮的海洋垃圾物体的大小和密度范围很大,由于物体的非拉格朗日行为,这可能导致波浪的不同迁移率。通过理论和实验相结合的理想化的球形物体在深水波,我们表明,不同的对象是在不同的速率取决于它们的大小和密度,以及较大的浮力物体可以增加漂移相比,拉格朗日示踪剂。我们表明,在我们的实验中观察到的漂移增加的机制包括变量淹没和相应的动态浮力分量在垂直于当地水面的方向。这导致这些物体的漂移与在波浪周期上平均时的斯托克斯漂移相比放大。使用波陡的扩展,我们得到一个封闭的形式近似增加漂移,这可以包括在海洋尺度的海洋垃圾运输模型。
2021-02-19 physics.flu-dyn
Ponderomotive Forces, Stokes Drift, and Momentum in Acoustic and Electromagnetic Waves
我们揭示了经典波动物理中三个重要现象之间的普遍联系:(i)作用在振荡波场中的介质粒子上的有质动力,(ii)波场中自由介质粒子的斯托克斯漂移,以及(iii)介质中的正则波动量。我们分析这些现象(a)纵向声波在气体或流体和(b)横向电磁波与电子相互作用的等离子体或金属。在这两种情况下,假设准单色但任意不均匀的波场,有质动力、斯托克斯漂移速度、动能和介质粒子携带的正则波动量之间的联系由相同的简单表达式给出。这揭示了这些现象的本质,它们之间的相互作用,并可用于各种类型的波中的动力学输运现象的应用。
2022-08-05 physics.flu-dyn physics.optics physics.plasm-ph
Stokes drift and impurity transport in a quantum fluid
该研究通过多时间渐近展开理论预测了量子流体中经典杂质的斯托克斯漂移,发现漂移方向与幅度依赖初始相位,二阶项恢复经典结果但系数与密度比相关,并通过二维Gross-Pitaevskii方程模拟验证。
2022-12-15 cond-mat.other cond-mat.quant-gas physics.flu-dyn
Modeling the Propagation, Breaking and Drift of Ocean Surface Wave
本文构造了一个不同于Airy、Stokes和Gerstner经典海洋表面波模型的新模型。由此对波动机制有了新的认识:(1)振幅大或陡度小的波传播速度快;(2)波前角大于46.3 °时波破碎;(3)波漂移的大小应小于已知的Stokes漂移大小。
2017-05-15 physics.flu-dyn physics.gen-ph
Shallow Water Memory: Stokes and Darwin Drifts
本文将浅水的规范对称性阐释为二维保面积微分同胚,构造相关表面荷与 u(1) 流代数,并把 Euler、Stokes 和 Darwin 漂移统一解释为记忆效应或表面荷变化。
2023-07-21 cond-mat.str-el hep-th physics.ao-ph
Understanding Stokes drift mechanism via crest and trough phase estimates
本文通过波峰与波谷相位的渐近估计,从运动学角度解释了Stokes漂移的成因,并比较了声波与水波中的粒子轨迹,揭示了波峰相位对向前漂移的主导作用。
2024-02-24 math-ph math.DS math.MP
Wave-induced vortex recoil and nonlinear refraction
当涡旋折射表面波时,表面波携带的动量通量改变方向,并且波在涡旋上引起反作用力。我们实验研究由此产生的涡流畸变。入射的表面重力波撞击在流体层底部由磁流体动力学驱动的速度为$U_0$的稳定涡旋上。波引起的涡中心在横向波传播的方向上的移动,连同减少表面涡。我们在Craik和Leibovich(1976)提出的框架中解释这两种现象:我们确定无量纲斯托克斯漂移$S=U_s/U_0$作为相关的控制参数,$U_s$是波的斯托克斯漂移速度。我们提出了一个简单的涡线模型,表明涡中心的移动源于斯托克斯漂移和涡的自平流涡度平流之间的平衡。表面涡度的减少被解释为涡度驱逐的结果,由快速斯托克斯漂移,这限制了它在深度。这种纯流体动力学过程类似于快速运动导体通过电磁趋肤效应对磁场的磁流体动力学驱逐。我们研究了Stokes漂移极限下的涡度驱逐,并推导出表面涡度以$1/S$的形式减小,这一预测与实验数据是一致的。这种波浪引起的涡旋畸变对波浪折射的非线性区域有重要影响:折射角随波浪强度迅速减小。
2017-09-26 physics.flu-dyn
The theory of fifth-order Stokes waves in a linear shear current
本文利用摄动方法推导了线性剪切流中的五阶Stokes波新解,经与实验和数值结果对比验证其精度更高,并揭示了背景涡度对流体粒子轨迹和Stokes漂移方向的影响。
2023-08-06 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Nonlinear Dynamics of Wind-Drift Currents at Mid-Latitudes
University of Vienna(维也纳大学)
本文基于f平面近似的Navier-Stokes方程,推导出中纬度风应力驱动海洋上层流动的首阶精确显式解,揭示了平均Ekman流、摆线振荡与背景地转流的叠加结构。
2025-11-02 math-ph math.MP physics.ao-ph
Turbulence-induced anti-Stokes flow: experiments and theory
Norwegian University of Science and Technology(挪威科技大学);SINTEF Ocean(辛特夫海洋);University of Porto(波尔图大学);TU Delft(代尔夫特理工大学)
本研究通过实验和理论分析,揭示了表面波与亚表面湍流相互作用导致欧拉平均流的变化,其核心方法基于快速变形理论,发现湍流强度影响流体平衡状态的形成。
2026-03-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
A model for drift velocity mediated scalar eddy diffusivity in homogeneous turbulent flows
本文针对含漂移速度的均匀湍流中被动标量输运问题,提出一个描述涡扩散率衰减的新模型,并结合欧拉场测量方法与直接数值模拟验证其准确性和理论一致性。
2023-10-25 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Origin of Lagrangian Intermittency in Drift-Wave Turbulence
研究了耗散漂移波湍流的拉格朗日速度统计。对于绝热性(或小碰撞性)的大值,拉格朗日加速度的概率密度函数显示指数尾,而不是拉伸指数或代数尾,通常观察到的高度间歇性加速的Navier-Stokes湍流。这种指数分布被证明是一个强大的功能独立的雷诺数。对于较小的绝热性,代数尾巴观察,这表明强的影响点涡状动力学的加速度。的概率密度函数的形状和自相关的规范的加速度之间的因果关系。
2010-09-28 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Lagrangian vs Eulerian view on the mean drift and streaming flows in orbital sloshing
本文通过截断渐近近似数值求解接触线区域,对比轨道晃动中拉格朗日平均流与欧拉流动,揭示高粘性流体中Stokes漂移的粘性修正与欧拉流动同等重要,并与实验在非共振频率下取得显著一致。
2024-07-03 physics.flu-dyn
Vortex Stretching in the Navier-Stokes Equations and Information Dissipation in Diffusion Models: A Reformulation from a Partial Differential Equation Viewpoint
Graduate School of Economics, Hitotsubashi University(早稻田大学经济学研究科)
本文从偏微分方程视角重新表述了纳维-斯托克斯方程中的涡旋拉伸,通过分数函数学习构建反时间粒子轨迹,揭示了信息在压缩与拉伸方向上的不同耗散特性。
2026-02-01 cs.AI math.AP physics.flu-dyn
Multiscale geometrical Lagrangian statistics of heavy impurities in drift-wave turbulence
1 Aix-Marseille Universit\'e, CNRS, I2M, UMR 7373, 13331 Marseille, France;2 Aix-Marseille Universit\'e, CNRS, IUSTI, UMR 7343, 13453 Marseille, France;3 Aix-Marseille Universit\'e, CNRS, PIIM, UMR 7345, 13397 Marseille, France
本研究通过直接数值模拟,分析了重杂质在湍流中的轨迹,提出新的松弛时间推导方法,并揭示了重杂质在湍流中的聚类现象。
2025-03-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Bypassing Hölder super-critcality barriers in viscous, incompressible fluids
本文在任意维数且无边界条件下,首次为不可压缩Navier-Stokes方程建立了真正超临界正则性判据,通过利用一维漂移-扩散方程基本解的新估计突破临界性障碍,证明任意Hölder指数下的解不产生奇性。
2023-05-29 math.AP physics.flu-dyn
Comparing phase-space and phenomenological modeling approaches for Lagrangian particles settling in a turbulent boundary layer
本研究通过直接数值模拟和相空间方法评估唯象模型对惯性粒子沉降增强的适用性,发现其涡扩散闭合不完整,并提出相空间方法可构建更通用的参数化方案。
2023-07-25 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Fluid flow dynamics under location uncertainty
我们提出了一个推导的随机模型的纳维-斯托克斯方程,依赖于分解的速度场到一个可微的漂移分量和时间不相关的不确定性随机项。这种类型的分解在精神上让人想起经典的雷诺分解。然而,这里考虑的随机速度波动相对于时间是不可微的,它们必须通过随机微积分来处理。与可微漂移分量相关的动态来自随机版本的雷诺输运定理。它包括在其一般形式的不确定性相关的“亚网格”散装公式,不能立即与通常的Boussinesq涡粘性假设构造热分子搅拌类比。这种提法,从流体包裹位置的不确定性,从另一个角度解释了目前在计算流体动力学或地球物理科学中使用的一些亚网格涡扩散模型,并为新的大尺度流动建模铺平了道路。最后,我们描述了一个应用程序,我们的形式主义的随机版本的浅水方程的推导或降阶动力系统的定义。
2013-08-21 physics.flu-dyn
Arbitrary Order Energy and Enstrophy Conserving Finite Element Methods for 2D Incompressible Fluid Dynamics and Drift-Reduced Magnetohydrodynamics
在完全离散的设置中保持守恒律对于数值模拟的精确长时间行为至关重要,并且需要考虑空间和时间的离散守恒性质。本文推导了任意阶有限元外微积分空间离散的二维(2D)Navier-Stokes方程和漂移减少磁流体动力学方程,保持能量和拟能的机器精度时,一般辛时间积分方法相结合。连续和不连续Galerkin(DG)弱公式都可以保证守恒,但只有一般的辛时间积分方法,如隐式中点法,才允许时间上的精确守恒。此外,辛隐式中点方法产生一个数量级的加速显式计划。这些方法使用MFEM库实现,并针对一系列广泛的2D中性流体湍流测试问题验证了解决方案。通过比较半解析线性特征值求解器以及有限差分全球漂移扰动(GDB)代码的数值解进行验证。然而,它被发现,湍流模拟,保存能量和涡度拟能往往有太多的权力在高波数和这部分的频谱应控制重新引入人工耗散。DG制定允许迎风的平流运营商消散拟能,同时仍然保持能量守恒。耦合迎风DG与隐式辛积分似乎提供了最好的妥协,允许中程波数达到适当的幅度,同时仍然控制高波数部分的频谱。
2022-02-26 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Formation and decay of eddy currents generated by crossed surface waves
由交叉表面波引起的质量输运由Stokes和Euler贡献组成,它们在性质上非常不同。第一个贡献是理想流体中平面波的Stokes漂移的推广,第二个贡献是由于流体粘性而产生的,并且它由施加在流体表面附近的粘性子层中的力激发。我们研究的诱导质量传输的形成和衰减的理论和实验,并证明这两个贡献有不同的时间尺度为典型的实验条件。欧拉贡献的演化由扩散方程描述,其中流体运动粘度起扩散系数的作用,而斯托克斯贡献的演化更快,感觉到系统边界附近的附加阻尼。如果流体表面被污染,则差异变得更加明显。我们模型的污染的影响,由一个薄的不溶性液体膜上的流体表面的压缩模量是唯一的非零流变参数的膜。然后,欧拉对质量输运的贡献在参数上变得更大,斯托克斯贡献的演化在参数上变得更快。该参数在两种情况下是相同的,并且它等于表面波的品质因数,其通过表面膜的存在而被修改。我们推断的压缩模量的膜的值通过拟合的瞬态测量的涡流的结果,并表明,所获得的值导致正确的比率的水平和垂直速度的波动的振幅,是在合理的协议与测量的表面波耗散率。
2019-10-06 physics.flu-dyn
Brownian motion with geometry-dependent hydrodynamic memory
Princeton University(普林斯顿大学)
该研究提出一个理论框架,利用洛伦兹互易定理从任意流动问题解中推导胶体运动方程,同时给出斯托克斯阻力和巴塞特型记忆项,并推导过阻尼极限,适用于复杂几何中的被动和主动粒子。
2026-09-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph