Adjoint-based online learning of two-layer quasi-geostrophic baroclinic turbulence
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Institut de Physique du Globe de Paris（巴黎地球物理研究所）；Université Grenoble-Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；National Oceanography Centre, Southampton（南安普顿国家海洋中心）；Courant Institute of Mathematical Sciences, New York University（纽约大学柯朗数学科学研究所）
本文研究将流体动力学模型纳入训练过程的在线学习方法，用于两层准地转斜压湍流参数化，并提出完全伴随与近似伴随两种在线方案，证明其技巧和数值稳定性优于离线方法。
2024-11-21 cs.LG physics.ao-ph physics.flu-dyn
Flame- and flow-conditioned vorticity transport in premixed swirl combustion
本文介绍了在Karlovitz数为20-50的预混旋流燃烧中火焰诱导涡度拟能输运的实验分析。这样的火焰形成了一个大尺度的压力场，除了与小尺度湍流涡旋相关的压力场之外，它还可以与密度梯度相互作用，产生斜压扭矩。同时层析粒子图像测速和甲醛平面激光诱导荧光测量被用来获得高分辨率的速度和渐进变量场。这使得统计评估的各种条款拟能运输方程。小规模和大规模的压力梯度的影响进行评估，通过调节斜压扭矩的瞬时火焰前内的流体的位置，在火焰刷，轴向燃烧器内。在所有的条件下研究，斜压扭矩是一个显着的贡献涡度拟能运输，具有相当的幅度涡拉伸和粘性扩散。涡度拟能衰减和斜压扭矩的产生倾向于分别发生在瞬时火焰表面的反应物和产物侧。然而，斜压扭矩的值同样强烈地依赖于燃烧室中的位置。因此，小尺度和大尺度气压场都可以通过斜压扭矩导致显着的涡度拟能变化。这证明了火焰诱导的涡动力学在旋流燃烧中是重要的，并且大尺度几何形状相关的流场可以影响火焰产生的湍流。
2020-06-17 physics.flu-dyn
Turbulence Closure for Mixing Length Theories
我们提出了一种基于混合长度理论的湍流封闭方法，该方法在二维背景下考虑三维湍流脉动。这个模型的目的是快速计算恒星演化软件中的实施，并捕捉到广泛的相关现象，只有一个单一的自由参数，即混合长度。我们将磁，旋转，斜压和浮力的影响，正是在形式主义的线性增长理论与非线性衰减。我们对待微分旋转的影响，微扰的共转框架中使用一种新的控制近似匹配的时间演化的参考系的任意顺序。然后，我们实现了这个模型在一个有效的开源代码，并讨论了由此产生的湍流应力和输运系数。我们证明，该模型表现出对流，斜压和剪切不稳定性以及磁旋转不稳定性（MRI）。它还表现出非线性饱和行为，我们用它来提取各种传输系数在物理上有趣的限制的渐近缩放。
2018-09-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Ribbon Turbulence
本文研究了在不稳定的纬向平均流作用下，两层准地转流的非线性平衡，特别注意了底摩擦的作用。在低底摩擦条件下，经典的地转湍流理论预测，在水平方向上，动能与区域尺度上的凝结和垂直方向上的正压性成反比。相反，在大的底部摩擦的限制下，流动由上层的高动能带控制。这些带状物对应于分离均匀化位涡区域的曲折射流。我们解释这些结果，利用这个系统所满足的特殊的守恒定律：动力学可以被重铸在这样一种方式，即所施加的平均流出现在上层位涡水平的初始源。初始的斜压不稳定导致一个湍流，它搅动了这个位涡场，同时保持了位涡水平的全球分布。1-1/2层准地转模式的统计力学理论预言了由最小界面分隔的两个均匀化位涡区的形成。我们表明，动态的丝带之间的竞争的结果达到这种平衡态的倾向，斜压不稳定，诱导曲折的接口。这些曲折间歇性地中断并引起位涡混合，但在整个流动演化过程中，界面保持尖锐。我们发现，对于某些参数制度，带状物作为一个混合障碍，防止放松平衡，有利于出现多个带状射流。
2014-09-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Shock-driven transition to turbulence: emergence of power-law scaling
我们考虑了平面激波与圆柱形密度界面相互作用的两种情况。在第一种情况下（平面正激波），气缸的轴线平行于激波阵面，由激波沉积的斜压涡量主要是二维的（沿气缸轴线方向）。在第二种情况下，圆柱体是倾斜的，导致斜激波干扰，和一个完全三维的激波诱导涡量场。这两种情况下的流量的统计特性进行了分析，从两个正交的可视化平面的图像的基础上，使用荧光示踪剂的强度图的结构函数与重气体预混合。后来，这些结构函数在相当大的尺度范围内表现出类似幂律的行为。在马赫数从1.1到2.0的范围内和气缸相对于激波阵面的倾斜角的范围（0到30度）内，根据Richtmyer的线性理论定义的无量纲时间，这种行为的表现是非常一致的。
2016-12-30 physics.flu-dyn
Three dimensional chaotic advection by mixed layer baroclinic instabilities
通过数值模拟经历斜压不穩定的纬向通道中自由发展的混合层锋，计算了三维有限时间李雅普诺夫指数。三维FTLEs显示出复杂的结构，具有比二维（2D）FTLEs定义更少的特征，这表明搅拌不局限于涡流的边缘和沿细丝，并对混合产生显著影响。观察到的FTLEs的大小强烈地由垂直切变决定。假设热成风平衡，导出了与局部FTLE和用于初始化ML锋的非局部密度对比度相关的标度律。标度律只收敛到密度跃层内的模拟发现的值，而它显示ML内的差异，其中的不稳定性显示了大的非地转分量。二维和三维FTLE的概率分布函数被发现是非高斯在所有深度。在ML中，FTLEs波数谱显示-1斜率，而在密度跃层中，FTLEs波数谱显示-2斜率，对应于锋面动力学。近地表测地线拉格朗日相干结构（LCS）揭示了一个复杂的搅拌结构，与椭圆形结构分离的锋区。在密度跃层中，LCS能够检测到欧拉场未捕获的非线性结构。
2016-03-11 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Transition from Weak Wave Turbulence to Soliton-Gas
我们报告了一个实验调查的影响有限深度的统计特性的波动湍流在水面上的重力毛细范围。我们分别通过改变水深和强迫来调节波的色散和非线性程度。我们使用时空分辨轮廓术来重建变形的水面。当减小水深时，我们观察到在最弱强迫下的弱湍流和在较强强迫下的孤波状态之间的剧烈转变。我们通过研究它们的傅里叶光谱来表征这两种状态之间的转变。我们还研究了弱湍流区的能量传递效率。我们报告的角度传输的效率损失的波的色散减少，直到系统分叉到孤子制度。
2017-09-14 physics.flu-dyn
Quantitatively mapping the Eady model onto a two-layer quasi-geostrophic model
Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）
本文通过定量映射Eady模型与双层准地转模型，揭示了在弱底摩擦条件下，利用2LQG模型的扩散率预测Eady模型的涡旋扩散率的方法。
2025-12-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Lagrangian pair dispersion in upper-ocean turbulence in the presence of mixed-layer instabilities
海洋上层亚中尺度（尺度小于形变半径）的湍流对海洋与大气的热交换和海洋地球化学起着重要作用。其动力学应强烈依赖于季节循环和相关的混合层不稳定性。后者在冬季尤其重要，并且负责形成覆盖混合层整个深度的充满活力的小尺度。然而，对于了解海洋表面和内部动力学之间的耦合至关重要的海洋深处流动的输运特性的知识仍然有限。通过数值模拟，研究了考虑温跃层和混合层不稳定性的准地转模式系统中湍流的拉格朗日频散特性。结果表明，当混合层不稳定性存在时，分散制度是本地从表面到深度可比的界面与温跃层，而在他们的情况下，分散迅速成为非本地与深度。然后，我们确定了这种行为的起源，由于混合层不稳定性的存在下的精细尺度充满活力的结构。我们进一步讨论了垂直剪切对拉格朗日粒子扩散的影响，并讨论了表面和深度处的色散特性之间的相关性，这与评估从更容易到达的表面推断更深流动的动力学特征的可能性有关。
2021-02-04 physics.flu-dyn
Observation of depth-induced properties in wave turbulence on the surface of a fluid
我们报告的重力毛细表面波由于有限深度效应的波动湍流特性的变化的观察。当流体深度减小时，在毛细管区的波谱上观察到一个驼峰，其尺度取决于深度。讨论了这个驼峰的可能来源。在重力状态下，波浪谱仍然表现出幂律，但具有强烈依赖于深度的指数。还报道了平均注入功率的重力谱的缩放的变化。最后，被发现是独立的流体深度和被很好地描述了一个Tayfun分布的波振幅的概率密度函数由其均方根值重新缩放。
2011-06-16 nlin.CD physics.class-ph physics.flu-dyn
Synergy of turbulence and thermo-diffusive effects on the intermittent boundary-layer flashback of swirling flames
State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems, College of Engineering, Peking University（北京大学工学院湍流与复杂系统国家重点实验室）；HEDPS-CAPT, Peking University（北京大学高能量密度物理研究所）
研究通过LES-FSD方法揭示了湍流与热扩散效应协同作用下，富氢旋流火焰间歇边界层闪火的形成机制与影响因素。
2024-10-21 physics.flu-dyn
Vortex polarization and circulation statistics in isotropic turbulence
本文通过直接数值模拟深入分析均匀各向同性湍流的涡旋气体模型，揭示经典与量子湍流在惯性区尺度上的结构差异源于涡旋团簇内极化与环量强度的相关性。
2023-12-02 physics.flu-dyn
On the connection between intermittency and dissipation in ocean turbulence
应用湍流多重分形理论研究了西北大西洋的能量级联。从现场测量计算的速度梯度的奇异性指数的统计数据被用来表明，在50至500米之间的深度的速度结构函数的异常标度具有线性依赖于表征最强的速度梯度的指数，随着深度的斜率减小。由于指数的分布是不对称的模式在所有的深度，我们使用一个无限可分的非对称模型的能量级联，对数泊松模型，导出的功能依赖的异常标度与耗散。利用这个模型，我们可以解释的线性坡度的垂直变化的能量级联的变化。
2020-12-02 physics.ao-ph 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
Data-driven decomposition of the streamwise turbulence kinetic energy in boundary layers. Part 2. Integrated energy and $A_1$
第一部分考虑了紊流边界层中流向速度能谱的定标。光谱分解分析提供了一种手段，分离出附加和非附加涡流的贡献，并被用来产生三个光谱子组件，其中之一是一个密切的代表性的自相似，附壁湍流引起的光谱签名。由于流向湍流强度$\overline{u^2}$的子分量来自于速度能谱的积分，因此我们在这里集中于前者的标度。壁正常的配置文件和雷诺数趋势的三个人，添加剂的流向湍流强度的子组件进行检查。与评估总流向湍流强度相比，这允许在更深处重新审视湍流强度的缩放。根据所有考虑的雷诺数的普遍趋势，给出了$A_1 = 0.98$的Townsend-Perry常数的一些证据，该常数将描述根据Townsend的附着涡假设的湍流强度的壁面法向对数衰减。它也证明了这个常数可以是一致的，在近壁区域的流向湍流强度的增加的雷诺数。
2019-12-03 physics.flu-dyn
Robust inverse energy cascade and turbulence structure in three-dimensional layers of fluid
在这里，我们报告的第一个证据的逆能量级联流占主导地位的三维运动。实验是在电磁驱动湍流的厚流体层中进行的。结果表明，如果层的自由表面不扰动，层的顶部表现为准二维的，并支持逆能量级联层的厚度无关。远低于表面的级联生存，即使在存在强大的三维涡流发展时，层深度超过一半的强迫尺度。在低底耗散的有界流中，逆能量级联导致在自由表面以下产生光谱凝聚。这种相干流可以破坏层中大部分的3D涡流，并在整个层厚度上增强流动的平面性。
2011-09-13 physics.flu-dyn
Mechanics of drag reduction of an axisymmetric body of revolution with shallow dimples
本文采用基于高精度雷诺应力模型的数值模拟方法，研究了轴对称旋转体表面浅凹坑减阻机理。在不同的雷诺数从已发表的文献中的阻力演变的实验结果被用来验证模型的预测。数值计算结果与实验结果吻合较好。据观察，该机构的阻力减少了最大的$31\%$与这种形状修改（$7.5\%$的深度直径比和覆盖率的$52.8\%$）。这是由于湍流水平降低、流动稳定和物体边界层中流动分离的抑制而产生的。从分析的非同位素不变映射（AIM）的情况下的酒窝体的湍流状态，我们表明，湍流达到轴对称极限的层接近的表面的身体。在平均流动方向和雷诺应力张量的主轴之间也存在减小的不对准，这导致这样的阻力减小。还改变了凹坑的深度与直径比和覆盖率，以评估其对阻力演化的影响。
2021-06-29 physics.flu-dyn
Revisiting the structure function of PSR B0950+08 scintillations
射电脉冲星PSR B 0950 +08的观测结构函数在十年前被拟合成指数为$1 \pm 0.01$的幂律。这被解释为{ \em明显偏离}，通常观察到的$5/3$指数，预期用于Kolmogorov湍流。在本文中，它建议的意见是一致的Kolmogorov湍流和{ \em表观}偏差是由于湍流区的有效深度是{ \em可比}的天空平面上观察到的横向尺度，跨越脉冲星光束。或者，$1$的拟合指数与潜在的压缩湍流和均匀的{ \it较小}深度一致。在第一种解释中，深度是$(5.5 \pm 1.8) \times 10^8 cm$。在第二个中，深度是$\lesssim 4\times 10^7 cm $。这些估计支持了十年前提出的在本地星际云中存在极薄的电离散射屏。
2021-03-11 astro-ph.GA physics.flu-dyn
Turbulence damping as a measure of the flow dimensionality
流体层中湍流的维数决定了它们的性质。我们研究了电磁驱动的流动在有限深度的流体层，并表明，涡粘性，这似乎是由于三维运动，导致增加底部阻尼。异常系数，其特征在于从使用准二维模型导出的阻尼的偏差，可以被用作流动维度的度量。湍流层中的实验表明，当反常系数变大时，湍流逆能量级联被抑制。在相反的极限中，湍流可以自组织成相干流。
2010-12-07 nlin.AO physics.flu-dyn
Wave turbulence in a two-layer fluid: coupling between free surface and interface waves
实验研究了具有自由上表面的两种密度相近的不混溶流体界面上的重力-毛细波湍流。我们局部测量波的高度在两种流体之间的界面上的高灵敏度的激光多普勒测振仪。我们发现，当上部流体深度增加时，毛细管波湍流制度的惯性范围显着扩展：重力和毛细管波湍流制度之间的交叉频率被发现减少，而频谱的耗散截止频率被发现增加。我们解释这些意见之间的渐进解耦波传播的接口和在自由表面，使用完整的色散关系的重力毛细波在两层流体的有限深度。截止演化是由于寄生毛细血管的消失，负责一个单一的流体的主波耗散。
2017-01-27 nlin.CD physics.ao-ph physics.class-ph
Wind farm global blockage as an adverse pressure gradient problem: turbulence amplification and spectral modification in the induction region of a model wind farm
Imperial College London（帝国理工学院）
本研究通过实验将风电场感应区视为逆压梯度湍流边界层问题，发现风电场引起的大尺度湍流增强主要源于逆压梯度，且与转子尺度相当的湍流能量对涡轮疲劳载荷有重要影响。
2026-09-23 physics.flu-dyn
Overlapping boundary layers in coastal oceans
由于海底相互作用的存在，近岸区域的边界层湍流不同于深海区域。本文采用大涡模拟方法，通过数值求解波浪平均方程，研究了有限水深近岸海洋中表层和底层边界层的合并问题。海洋流体是由风应力、表面波和存在稳定垂直层结的恒定电流的联合作用驱动的。产生的流动由两个重叠的边界层组成，即表面和底部边界层，由内部分层分离。重叠边界层的发展经历了快速加深、振荡平衡和迅速合并三个阶段，其间有两个转捩。合并前，在分层层中观察到内波，内波主要由表面边界层中的朗缪尔湍流激发。这些波对底部产生的湍流产生明显的调制，促进表面和底部边界层之间的相互作用。合并后，原本局限于表层的朗缪尔环流被发现在尺寸上增长并向下延伸到海底（即使表面波感觉不到底部），让人想起组织良好的朗缪尔超级单体。这些全深度的朗缪尔环流促进了垂直混合并增强了底部剪切，导致垂直柱中湍流水平的显著增强。
2021-03-26 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Generation of mean flows in rotating anisotropic turbulence: The case of solar near-surface shear layer
太阳近地表剪切层（NSSL）自转速率的径向梯度与纬度和半径无关。理论平均场模型已经成功地解释了太阳NSSL的这一特性，而全球直接对流模型一直不成功。我们调查这种差异的原因，通过测量平均流量，雷诺应力和湍流输运系数NSSL条件下。模拟的成分很少。这些成分是由于边界、各向异性湍流和旋转引起的不均匀性。模拟的参数被选择为使得它们与弱旋转约束的NSSL相匹配。模拟探测局部笛卡尔补丁的恒星在给定的深度和纬度。通过改变旋转速率来改变斑块的深度，使得所得到的科里奥利数<1。我们测量的湍流输运系数相关的非扩散和扩散部分的雷诺应力，并将它们与目前的平均场论的预测。一个负的径向梯度的平均流类似于太阳NSSL的产生，只有在赤道的纬向流是缺席。在其他纬度，纬向气流与对应于差异旋转的平均气流相当。我们还发现，雷诺应力的径向分量不能忽略。此外，我们还发现，从表面到底部的NSSL的湍流粘性被约50%的旋转淬灭。我们的局部模拟没有验证的平均场论的NSSL的产生的解释被忽略的横向应力。然而，在我们的模拟中湍流粘性的旋转依赖性与理论预测吻合得很好。我们的结果是在定性协议与全球对流模拟的NSSL赤道附近获得。
2020-12-10 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Phenomenology of decaying turbulence beneath surface waves
本文通过波平均模拟揭示表面波下衰减湍流的唯象特征，类比旋转湍流，用双方程模型再现动能演化，并引入伪涡度数，对海洋混合建模有启示。
2025-08-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Reduced models of point vortex systems
本文用最优闭合方法建立了点涡系统的非平衡统计模型，并将这些模型应用于由二维Euler方程和准地转方程控制的单层或双层流动系统向平衡态的松弛。最优闭包是一种简化哈密顿系统的通用方法，其中宏观状态需要属于相空间上的参数分布族。在点涡系综的情况下，宏观变量描述了空间粗粒涡。在这些宏观状态的动力学封闭是通过优化路径的参数空间中的简化模型受到守恒量的约束。这种优化最大限度地减少了成本功能，量化的信息损失率，由于模型的减少，这意味着最佳路径代表一个宏观的演变，是最兼容的微观动力学在信息理论的意义。将该方法近似平衡线性化，导出了平面内点涡系综低阶空间矩的耗散方程。这些严重减少模型描述了后期的二维和地转湍流相干结构的演变。对于单层动力学，它们近似于初始扭曲结构向轴对称平衡态的松弛。对于两层动力学，他们预测斜压扰动结构返回到稳定正压状态的能量转移率。与直接数值模拟的完全解决的多涡动力学验证这些简化模型的预测能力的比较。
2018-10-29 cs.IT math.IT nlin.CD
