The evolution of localized vortex in stably stratified flows
在Boussinesq近似下，利用流体冲量概念分析了稳定分层流中局部涡的演化。描述流体脉冲的时间发展的方程组具有积分-微分特征，其中表示分层效果的项出现为流体脉冲的分量的卷积积分和时间依赖的“记忆”函数。这些功能的情况下，外部的平行剪切流只在重力的方向上变化，并受到本地化的二维和三维扰动计算。从演化方程的解可以看出，在这两种情况下，都有一个理查森数的范围，其中与扰动相关的流体冲量呈指数增长。对于二维和三维情况，该范围的上限为Ri ~ 1.23和Ri ~ 0.89。这两种情况的特征还在于Richardson数的临界值（两种情况下约Ri ~ 0.3），超过该值，解表现出振荡行为。事实上，这种振荡行为已经在湍流中观察到，正如本研究所示，它是嵌入稳定分层剪切流中的非波动局部涡的固有特征。这篇论文写于2001年，现在出版，没有任何修改和新的补充。
2021-12-12 physics.flu-dyn
The hydrodynamic thermal continuum, with applications to stratified atmospheres and 1D coronal loop models
本文通过解析与数值方法证明了非绝热分层大气及一维日冕环模型中存在热连续统，提出了控制所有本征模的通用方程，并阐明了其在驱动日冕雨等多热现象中的关键作用。
2025-06-30 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Scaling Behavior of a Turbulent Kinetic Energy Closure Scheme for the Stably Stratified Atmosphere: A Steady-State Analysis
本文提出了一种适用于稳定层结大气的湍流动能（TKE）封闭方案，其中动量和热量的混合长度不以相同的方式参数化。关键的区别在于，在中性分层条件下，热量的混合长度倾向于与动量的稳定性无关的混合长度，而在大稳定性的极限下，它倾向于基于Brunt-Väisälä时间尺度和TKE的平方根的混合长度。这使得一个独特恒定状态解决方案TKE获得，我们证明，否则将是不可能的，如果混合长度相同。尽管该模型的相对简单，它表现出相当不错的观测数据从1999年合作大气-地面交换研究（CASES-99）使用常用的模型常数。分析无量纲速度和位温梯度或稳定性（校正）函数的标度行为揭示，对于大的稳定性，本模型以与Viterbo等人的一阶操作方案相同的方式标度（第四章）。罗伊流星125，2401-2426，1999）。或者，它表现为Baas等人的TKE封闭方案的两种情况的混合。层流星。127，17-36，2008）。重要的是，由于可以获得唯一恒定状态TKE，因此本模型避免了在Baas等人（2008）的一个案例中识别的非物理行为。
2020-12-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Short-wavelength secondary instabilities in homogeneous and stably stratified shear flows
我们提出了一个数值研究三维，短波长的线性不稳定性的Kelvin-Helmholtz（KH）涡在均匀和分层的环境。使用二维数值模拟产生的基流的特征在于基于初始一维速度和浮力剖面定义的雷诺数和理查森数。局部稳定性方程，然后解决封闭的流线在涡基流，这是假定准定常。对于非层结的情况下，椭圆形不稳定性的涡核占主导地位，在被接管的涡边缘的双曲线不稳定性。对于分层的情况下，早期的不稳定性包括一个占主导地位的椭圆形不稳定性的核心和双曲线不稳定性的强烈影响的分层在涡边缘。在中间时间，当地的方法显示了一个新的分支的不稳定性（对流分支），出现在涡核，随后向涡边缘移动。更多的对流不稳定分支出现在涡核处并远离，然后在大部分时间合并形成涡外围内最不稳定的区域。从本地的方法的主导不稳定性特征被证明是在良好的定性一致性与结果从全球不稳定性研究均质和分层的情况下。分区分析，然后用来阐明剪切和分层上确定的不稳定性的作用。浮力的作用被证明是至关重要的主要KH不稳定饱和后，与占主导地位的对流不稳定发生在最强的静态不稳定分层的区域。最后，我们强调了潜在的洞察力的作用，当地的方法可以提供在其他流量的二次不稳定性的理解。
2018-02-14 physics.flu-dyn
Nonlinear dynamo in obliquely rotating stratified electroconductive fluid in an uniformly magnetic field
本文研究了一种新的大尺度不稳定性，这种不稳定性出现在具有均匀磁场和小尺度外力且螺旋度为零的倾斜旋转分层粘性流体中。这个力引起小雷诺数的速度的小尺度振荡。利用多尺度渐近展开法，得到了雷诺数为三阶的涡旋扰动和磁扰动的非线性方程组。研究了由$α$效应型不稳定性引起的磁涡流发电机的线性阶段。用数值方法得到了非线性磁涡流发电机方程的定态解，其解的形式为局域混沌结构。
2018-07-03 nlin.CD physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Study of internal wave breaking dependence on stratification
本文研究了分层流体中的混合效应。本文应用不可压缩流体在重力场作用下的欧拉方程组来表述一个数学问题，并描述了重力场作用下的分层效应。发现欧拉方程组不足以构成正确的广义问题。一些互补关系的建议和理由。本文发展了一种数值方法，用于研究分层流体中旋涡的破坏和混合过程。数值研究了涡旋破坏对层结尺度的依赖性，结果表明，涡旋破坏的影响随层结尺度的增大而增大。结果表明，当流体密度一定时，涡破坏效应不存在。一些简单的数学解释的效果建议。
2012-06-26 math-ph math.DS math.MP
Systematic Evaluation of Stencil Configuration, Forcing Scheme, and Resolution Effects in the Stratified Taylor--Green Vortex: A Lattice Boltzmann Study
School of Atmospheric Sciences, Sun Yat-sen University（中山大学大气科学学院）
本文系统评估了格子玻尔兹曼方法在三维分层格林涡中的预测能力，探讨了 stencil 配置、强迫方案和分辨率的影响，发现 D3Q27×19 配置在精度和效率之间取得最佳平衡，且需至少 256³ 分辨率以实现定量收敛。
2026-05-14 physics.flu-dyn
The generalised buoyancy/inertial forces and available energy of axisymmetric compressible stratified vortex motions
已知梯度风平衡中对稳定参考涡的绝热和无粘轴对称扰动会经历两种回复力：一种与扰动密度和参考压力梯度成比例，另一种是纯径向的，与角动量扰动的平方成比例。我们证明了克服这些力将流体块从其平衡位置移动到实际位置所需的功是路径无关的，并且形式上等价于Andrews（2006）和Codoban and Shepherd（2006）先前构建的动量约束的可用能量。物理上，这个功代表了涡旋不平衡部分的能量，因此是涡旋能量的一种形式。它可分为有效声能、倾斜有效势能和离心势能。我们表明，这些能量是正定的条件对应于对称稳定的经典条件，有效的小和有限振幅扰动。新的可用的能量框架具有各种有利的功能，比以前的方法，揭示了新的光的热力学和机械的汇/源的能量控制的加强的平衡和不平衡的部分的温暖的核心气旋性涡旋。这些特征在未来将被证明是有用的，可以在一个统一的理论框架内重新检查和澄清现有的不同热带气旋（TC）增强模式之间的联系。
2020-08-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Short-wave vortex instability in stratified flow
本文研究了分层流体中Lamb-Chaubergin偶极子的一种新的不稳定性。通过数值线性稳定性分析，增长率的第二个峰值出现在比浮力尺度$L_{b}=U/N$小一个数量级的垂直尺度上，其中$U$是特征速度，$N$是Brunt-Väisälä频率。这种新的不稳定性表现出的增长率是类似的，甚至超过，之字形不稳定性，它具有的特征长度的浮力尺度。这种不稳定性进行了调查的雷诺数$Re=2000-20000$和水平弗劳德数$F_{h}=0.05-0.2$，其中$F_{h}=U/NR$，$Re=UR/ν$，$R$是偶极子的特征长度尺度，和$ν$是粘度的宽范围。探讨了从浮力尺度到粘性阻尼尺度的垂直尺度范围。此外，证据表明，这种新的不稳定的动力学部分取决于浮力雷诺数，$Re_{b}=F_{h}^{2}Re$。
2014-09-18 physics.flu-dyn
On Linear and Nonlinear Acoustics in Stratified, Variable-Area Ducts and Atmospheres, and Lighthill's Proposition
本文研究了在一维流动约束下，变截面通道内分层流体中的线性和非线性波。我们推导出一个修改后的版本的黎曼不变量，是有关波的光度。这个量服从线性理论中的一个简单动力学方程，从中可以很容易地看出波的反射规律，并且在高频极限下是守恒的。根据Lighthill的建议，我们应用线性绝热不变量来预测轻度非线性波。这只会引起适度的误差。我们发现，莱特希尔的标准，冲击形成基本上是准确的领先的冲击，并在高频波的冲击。我们的结论是，近似不变量可以用来准确地预测低振幅声脉冲的自失真，以及弱冲击的耗散模式，在复杂的环境，如恒星信封。我们还确定了完全非线性解决方案的一类限制性问题。
2020-11-14 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The Universal Aspect Ratio of Vortices in Rotating Stratified Flows: Theory and Simulation
我们推导出旋转分层流体中稳定且缓慢演变的涡旋的涡旋纵横比$α$（垂直半厚度与水平长度尺度）的关系，作为涡旋$N_c$内和涡旋外背景流体中Brunt-Vaisala频率的函数$\bar{N}$、科里奥利参数$f$和涡旋的罗斯比数$Ro$：$α^2 = Ro(1+Ro) f^2/(N_c^2-\bar{N}^2)$。这个关系式对气旋和反气旋在旋转或地转状态下都是有效的;它适用于Boussinesq流体或理想气体中的涡旋，并且背景密度梯度不需要是均匀的。我们的$α$关系式对旋转分层流中的平衡涡有许多结果。例如，气旋必须具有$N_c^2 > \bar{N}^2$ ;在准地转涡旋中，弱反气旋（具有$|Ro| < 1$）必须具有$N_c^2 < \bar{N}^2; and strong anticyclones must have $ N_c ^2> \bar{N}^2 $. We verify our relation for $ α $ with numerical simulations of the three-dimensional Boussinesq equations for a wide variety of vortices, including: vortices that are initially in (dissipationless) equilibrium a…
2012-06-06 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
High drag states in tidally modulated stratified wakes
采用大涡模拟方法研究了分层旋转环境中时变流对水下三维地形形状阻力和涡动力学的影响。海流的形式为$U_c+U_t \sin(2πf_t t)$，其中$U_c$为平均值，$U_t$为潮汐分量，$f_t$为其频率。在低佛汝德数的情况下，考虑了圆锥形障碍物。当没有潮汐时，涡流以自然脱落频率$f_{s,c}$脱落。在参数研究中，相对频率$f^*=f_{s,c}/f_t$发生变化，揭示了高时间平均形状阻力系数的状态。当$f^*$位于0.5和1之间时，相对于无潮（$U_t=0$）情况，形状阻力系数放大两倍。在高阻力状态下，近尾涡的空间组织不同于卡门涡街。例如，当为$f^*=5/12$时，障碍物的旋涡脱落是对称的，而当为$f^*=5/6$时，则是强烈不对称的。随着$f^*$的增加，形状阻力的增加源于障碍物背风面中压力的底部增强，这与气流分离和近尾涡的变化有关。
2021-09-09 physics.ao-ph physics.flu-dyn
On the topology of the atmosphere advected by a periodic array of axisymmetric thin-cored vortex rings
本文研究了一组相同的、轴对称的、薄芯涡环的周期性排列所产生的流体运动。众所周知，这样的阵列在对称中心轴的方向上均匀移动而不改变形状或形式，因此是欧拉方程的平衡解。在与涡环系统一起运动的参考系中，被动流体粒子的运动被研究为定义该系统的两个无量纲参数的函数：$\varepsilon = a/R$，环形涡环的短半径与长半径的比率，以及$λ= L/R$，由其半径归一化的涡环的分离。两个分叉的流线拓扑结构中发现，显着依赖于$\varepsilon$和$λ$，这些分叉描绘了三个不同的形状的“大气”的流体粒子一起移动的涡环的所有时间。类似于孤立涡环的情况，大气可以是“薄体”或“厚体”。此外，我们发现了一个“连接”系统的发生，其中相邻环的大气接触在一个不变的环的流体粒子是静止的参考系移动的环。
2022-03-08 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
Effect of rotation on wake vortices in stratified flow
本文模拟孤立锥形海山后的分层尾流，分析不同罗斯比数下旋转对涡结构的影响，通过SPOD提取全局模态并跟踪涡演化，发现旋转影响涡模态形状与对称性，改进了稳定性分析标准。
2024-06-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Speaker-wire vortices in stratified anabatic Prandtl slope flows and their secondary instabilities
静止的纵向涡卷出现在下降和上升普朗特斜坡流由于流剪切的浮力的法向分量的优势。在这里，我们进一步确定这些纵向辊的自配对作为一个独特的流动结构。反向旋转涡对的拓扑结构与扬声器线有着惊人的相似之处，它们之间的相互作用是流场进一步不稳定和分解成更小结构的前兆。就其本身而言，扬声器线涡流保持其独特的拓扑结构，而没有任何涡流重连或分裂。对于一个固定的倾斜角$α=3^{\circ}$和在一个恒定的普朗特数，我们分析了扬声器线涡的饱和状态，并进行了双全局线性稳定性分析的基础上，他们的平稳状态。我们建立的基础和次谐波二次不稳定性依赖于扬声器线涡的基态的流通和横向波长的存在。相对于基本模式的次谐波模式的优势，有助于解释一个单一的涡对的相对稳定性相比，在存在两个或偶数对的涡动力学。这些不稳定模式是必不可少的弯曲和合并的多个扬声器线涡，打破，导致更多的动态不稳定状态，最终铺平了道路过渡到湍流。通过直接数值模拟，我们能够跟踪这些不稳定性的非线性时间演化证明了这个过程。
2022-06-03 physics.flu-dyn
Energy cascades in rotating and stratified turbulence in anisotropic domains
ENS（巴黎高等师范学院）
研究显示，在旋转和层化湍流中，逆向能量级联可在特定条件下由干燥流体动力学产生，可能影响中间尺度大气自组织过程。
2025-08-01 astro-ph.EP physics.flu-dyn
The formation and dissipation of current sheets and shocks due to compressive waves in a stratified atmosphere containing a magnetic null
我们研究了磁流体动力学波在一组数值模型中的传播和耗散，每个模型都包括一个类似太阳的分层大气和一个具有零点的磁场。所有模拟具有相同的磁场配置，但不同的过渡区高度。压缩波包被引入到模拟的光球部分，并朝着零作用，使其坍缩成电流片，然后进行重连。坍缩的零形成电流片，这是由于磁扰动无法穿过零而导致的强磁压梯度。虽然零电流片经历了多次重联事件，由于反复反射的下边界，我们没有发现任何证据的振荡重联所产生的动力学零本身。波模转换周围的零产生一系列的慢模式冲击本地化附近的每个分界线。冲击强度在每个分界线上是不对称的，因此随后的冲击阻尼在每个分界线上产生切向不连续性，具有长寿命的电流密度。注入波能量达到零的参数研究证实了我们以前的WKB估计。最后，使用目前估计的光球声功率，我们估计，冲击和欧姆加热，我们描述的可能占$\approx1-10\%$的辐射损失从日冕亮点具有类似的拓扑结构，同样不足以占较大的结构，如短暂的区域的损失。与此同时，动力学是可比的拟议机制产生II型针状体。
2019-06-05 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.flu-dyn
An unstable mode of the stratified atmosphere under the non-traditional Coriolis acceleration
本文研究了非传统科里奥利加速度（完整科里奥利项）对等温、流体静力和可压缩大气的影响，通过线性稳定性分析和数值实验，发现静止大气在特定边界条件下会出现一种新的指数增长的不稳定模式。
2023-06-07 math.AP math.DS physics.flu-dyn
A dusty plasma model for vortex structure in Jupiter atmosphere
以无限流动等离子体中的静电束缚带电尘埃云为原型，研究了自然界中各种驱动耗散复杂流动系统在木星大气中自组织涡旋的结构变化.使用二维流体动力学模型，稳态流动的解决方案，得到的体积驱动的尘埃云在一个有界域的纵横比为1.5相关的GRS的当前大小和驱动剪切离子流类似的一部分纬向射流流经GRS。这些非线性解揭示了实验室实验中稳定驱动的尘埃环流与木星大气涡旋之间的许多相似特征。从连续的结构变化开始，围绕GRS和白色椭圆的均匀涡度的静止内部的高速领环的持久性被解释为与运动粘度而不是驱动场相关的内部性质的变化的结果。这一分析也揭示了驱动场、边界和动力学参数在决定木星大气中涡旋的特征大小、强度、环流方向和漂移以及自然界中其他相关的驱动耗散流系统中的作用。
2018-11-22 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Energy Conservation and Gravity Waves in Sound-proof Treatments of Stellar Interiors: Part I Anelastic Approximations
恒星内部的典型流动比声速慢得多。为了跟踪亚音速运动的缓慢演化，各种隔音方程被广泛使用，特别是在恒星天体物理流体动力学中。这些低马赫数方程包括滞弹性方程。一般来说，这些方程在近似绝热分层的区域（如恒星对流区）是有效的，但在亚绝热、稳定分层的恒星辐射内部可能无效。了解对流区和辐射内部之间的耦合是一个至关重要的问题，可能对太阳和恒星发电机理论有很强的影响，因为两者之间的界面，称为太阳的速跃层，在许多太阳发电机理论中起着至关重要的作用。本文研究了稳定层结大气中重力波的性质。特别是，我们探讨如何处理重力波在各种隔音方程。我们发现，一些滞弹性处理无法保存能量在稳定的分层大气，而不是保存伪能量，取决于分层，我们证明了这一点的数值。一个滞弹性方程组在所有的大气中都是能量守恒的，我们提供了将低马赫数滞弹性代码转换成这组方程的建议。
2012-07-11 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Transport and emergent stratification in the equilibrated Eady model: the vortex gas scaling regime
我们的数值和理论研究Boussinesq Eady模型，在那里一个快速旋转的密度分层层的流体是受一个热风平衡的垂直剪切纬向流的纬向温度梯度。通过一系列的数值模拟，我们表明，所产生的湍流的传输特性是由准地转（QG）动力学在快速旋转的强层结制度。在两层QG模型的背景下提出的“涡旋气体”标度预测延续到这个完全3D系统：控制参数上的双曲矢通量的函数依赖性是相同的，进入理论的两个可调参数取稍微不同的值。与QG预测一致，赤道浮力通量与深度无关。垂直浮力通量是这样的湍流沿等密度线传输浮力，除了在顶部和底部边界附近的狭窄层中，其厚度随着扩散率趋于零而减小。垂直浮力通量和沿垂直方向的扩散之间的简单平衡决定了层结的出现（再）。总体而言，这项研究表明如何涡气体标度理论可以适应定量预测的大小和垂直结构的纬向和垂直浮力通量，和紧急分层，没有额外的拟合参数。
2022-11-23 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Scaling laws for the tropical cyclone derived from the stationary atmospheric vortex equation
在行星大气的二维模型中，涡度的可压缩对流表现为强非线性，能够驱动流体朝向准相干涡型。这类似于理想欧拉流体在松弛时产生的高度有组织的运动。然而，大气层的问题有着根本的不同，因为现在有了一个固有长度，即罗斯贝半径。在Charney Hasegawa Mima模型中导出了一个控制行星大气中定常、二维、高度有组织的涡旋流的微分方程。我们提出了这个微分方程的数值研究结果。最具特征的解与一个热带气旋的形态有很强的相似性。定量比较也是有利的，可以得出几个关系连接的热带气旋的特征物理参数：眼壁半径，最大方位角速度和径向延伸的涡旋。
2007-04-03 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Stratified wake of an accelerating hydrofoil
拖曳体和自航体在分层流体中的尾流与非分层尾流有很大不同。层化对等速运动非流线体尾流发展的长期影响是众所周知的。在这项实验研究中，我们演示了浮力如何影响的初始增长的涡发展的尾迹中的水翼从休息加速。采用粒子图像测速技术（PIV）测量了NACA 0015翼型在水中低雷诺数、较强稳定分层流体（Re=5,000，Fr~O（1））中的尾流演化过程。速度和涡量场的分析，以下的涡识别和估计的循环，揭示了在分层流体的情况下，在近尾流沿流向的方向伸展的涡。与非分层尾流相比，分层尾流的动量厚度剖面显示出较低的动量厚度值，这意味着分层介质中加速水翼上的阻力在加速阶段减小。研究结果可能会提高我们的能力，以预测阻力由于机动的微型空气/水车辆在分层条件下。
2015-05-07 physics.flu-dyn
Turbulent mixing driven by mean-flow shear and internal gravity waves in oceans and atmospheres
本研究从Baumert和Peters（2004，2005）根据Itsweire（1984）和Rohr和Van Atta（1987）在通道和风洞中进行的分层剪切实验结果以及Dickey和Mellor（1980）在静止分层容器中进行的自由衰变实验结果推导出的平衡开始。通过修改Canuto（2002）关于湍流和波浪的观点，这些平衡与Gregg（1989）提出的无平均流切变的公海（内部）重力波能量平衡相结合。后者增加了线性（粘性）摩擦项。格雷格的波能源解释其长波频谱端的内部潮汐，地形，大尺度风，和大气低压的行动。此外，内部本征波，产生的平均流剪切，和老化的波场从一个virginal（线性）到饱和状态被考虑在内。波包和湍流被视为粒子（涡，包）的系综动力学，使损失项在所有三个平衡有二次型。根据Peters（2008）的提议，纯波浪产生的湍流的混合效率被视为普适常数，中性条件下的湍流普朗特数也是如此。结果表明：（i）在风洞中，本征波被关闭;（ii）由于远距离产生的长波或其它非局部能量源，湍流和波的共存平衡即使在高达$10^3$的Richardson数下也是稳定的;（iii）三方程系统与屏蔽设置（如某些分层实验室流）兼容。与大量观察结果的一致性令人惊讶。Gregg（1989）的波动模型分量和a.m.普适常数分开，方程只包含一个额外的无量纲参数，估计为$Y\approx 1.35.$
2012-07-05 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
The vortex gas scaling regime of baroclinic turbulence
大气和海洋的平均状态是通过外部强迫（风、辐射、热量和淡水通量）与紧急湍流之间的平衡来确定的，紧急湍流将能量转移到耗散结构。强迫引起大气中的喷流和海洋中的海流，它们通过斜压不稳定性自发地发展湍流涡旋。发展气候理论的一个关键步骤是适当地包括由此产生的热、水分和碳等特性的涡致湍流输送。斜压不稳定在Rossby形变半径处产生流动结构，其长度尺度在大气中为1000 km，在海洋中为100 km，分别小于行星尺度和海洋盆地的典型范围。因此，在大尺度温度梯度和随机平流的较小涡流之间存在尺度分离，从而引起有效扩散。数值解的两层准地转模式，标准模型的研究在大气和海洋中的涡旋运动，表明这种尺度分离保持在强非线性湍流制度，提供了足够的底部阻力。我们计算了与斜压湍流有关的涡驱动输运的标度律。首先，我们提供了一个理论基础的经验标度法在以前的研究中报道，不同配方的底部阻力法。其次，这些标度律提供了一个重要的第一步，准确的本地关闭，以预测斜压湍流的影响，在设置大尺度的温度分布在大气和海洋。
2020-10-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Nonlinear modeling of wave-topography interactions, shear instabilities and shear induced wave breaking using vortex method
线性剪切不稳定性的理论研究通常使用简单的速度和密度分布（例如，恒定的，分段的），以获得良好的定性和定量预测的初始扰动。此外，这种简单的配置文件提供了一个极小模型，以获得否则难以捉摸的剪切不稳定性的机械理解。然而，除了少数特定情况下，简单的配置文件的功效仍然限于线性稳定性范例。在这项工作中，我们提出了一个通用的框架，可以模拟各种分层剪切不稳定性的完全非线性演化，以及波-波和波地形相互作用的问题，具有简单的配置文件。为此，我们已经修改了经典的涡方法，将Birkhoff-Rott方程扩展到多个接口，此外，还将背景剪切穿过密度接口。后者更微妙，并且源于理解伯努利方程不仅限于无旋流，而且可以修改以使其适用于分段速度剖面。我们已经解决了各种各样的问题，基本上可以减少到多个相互作用的界面范例，例如溢出和暴跌断路器，分层剪切不稳定性，如Holmboe和泰勒-考菲尔德，射流，甚至波地形相互作用的问题，如布拉格共振。自由滑移边界是一个涡面，用涡方法也能有效地捕捉到它的影响。我们发现，极小模型捕捉关键的非线性特征，例如，波浪破碎特征，如尖点形成和卷起，这是在实验和/或广泛的模拟中观察到的，具有平滑，逼真的轮廓。
2017-09-27 physics.flu-dyn
Characterization of local energy transfer in large-scale intermittent stratified turbulent flows via coarse graining
该研究针对大气海洋中分层湍流的大规模间歇性问题，改进空间滤波程序分析极端垂直气流的影响，发现其能触发跨尺度能量传递并加强特定尺度下动能与势能的耦合。
2025-04-15 physics.ao-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Dynamics of a buoyant plume in a linearly stratified environment using simultaneous PIV-PLIF measurements
大气和海洋中分层层的存在导致浮力垂直运动，通常称为羽流。为了模拟烟羽的演化和增长，在局部尺度上研究烟羽的混合动力学是很重要的。这种表征需要同时测量混合流体的速度和密度。在这里，我们提出的浮力羽流在线性分层介质中传播的结果，密度差为0.5%，从而产生浮力频率N=0.15 s^{-1}。为了了解羽流行为，测量了沿不同下游位置的中心线和轴向速度、湍流动能、雷诺应力和浮力通量等统计数据。中心线速度随高度的增加而减小。雷诺应力和浮力通量剖面表明存在不稳定层和该层内的混合。
2016-10-24 physics.flu-dyn
Shape and size of large-scale vortices: A generic fluid pattern in geophysical fluid dynamics
行星自转将流体运动组织成连贯的、长期存在的漩涡，称为大尺度涡旋（LSV），它在地球物理和天体物理流体的动力学和长期演化中起着重要作用。在这里，使用直接数值模拟，我们表明，LSV在快速旋转的混合对流和稳定分层的流体，它近似的两层，许多地球物理和天体物理流体的顺层动力学，有一个通用的形状，它们的大小可以预测。我们发现，LSV出现在对流区从高档的能量转移，并可以渗透到分层层。在对流层结界面处，LSV芯具有正浮力异常。由于热成风的约束，这种浮力异常导致风的分层，衰减超过一个特征的垂直长度尺度。因此，LSV采取的形状的深度不变的圆柱体与一个有限大小的半径在湍流层和一个穿透半球形的分层层。重要的是，我们证明，当LSV穿透所有的方式通过分层层，并达到边界，是没有滑动，他们饱和的边界摩擦。我们提供了一个预测的穿透深度和最大半径的LSV涡度的函数，分层层的深度，分层。我们的研究结果，适用于气旋LSV，表明LSV在缓慢旋转的恒星和地球的液体核心被限制在对流层，而在地球的大气和海洋，他们可以深入到分层层。
2020-06-17 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Mathematical model of influence of friction on the vortex motion
本文研究了无粘性分层可压缩旋转介质中线摩擦对涡旋运动的影响。我们的方法可以应用于描述一个热带气旋接近陆地的复杂行为。特别是，我们表明，几个功能的涡旋在大气中，如一个显着的轨迹偏转，突然衰减和加强，可以解释已经通过最简单的二维正压模式，这是一个结果，平均在高度上的原始方程的空气运动在大气中。我们的理论考虑是在一个很好的符合实验数据。与其他模型相比，在第一个额外的物理合理的简化，我们处理的特殊解决方案的完整系统。我们的方法能够解释气旋吸引陆地和气旋与岛屿相互作用的现象。
2015-12-13 math.AP physics.flu-dyn
On the motion of hairpin filaments in the atmospheric boundary layer
本研究将大气边界层中的发夹状涡结构视为细长涡丝，采用修正细管模型模拟其运动，结合改进的特征追踪方案验证，并拓展渐近分析纳入重力效应，揭示了层化条件下发夹涡朝向与初始高度的关联及重力的作用机制。
2023-03-16 physics.flu-dyn
Point vortex dynamics in three-dimensional ageostrophic balanced flows
地球物理学上的湍流，其特征是快速旋转，用小的Rossby数量化，和稳定的分层，通常自组织成一组相干涡旋，称为涡旋气体。Rossby数的最低阶渐近展开式是具有纯水平速度和气旋-反气旋反对称性的准地转。非地转效应是许多地球物理流的重要组成部分，因此，这些现象并没有很好地模拟准地转。Rossby数的下一阶修正，包括非地转效应，被称为平衡动力学。平衡动力学包括非地转垂直速度和打破地转气旋-反气旋反对称。点涡解在二维和准地转动力学中是众所周知的，并且对于研究地球物理湍流的涡旋气体区是有用的。在这里，我们发现点涡的解决方案，在全三维连续分层$QG^{+1}$动力学，一个特殊的配方平衡动力学。对$QG^{+1}$点涡的模拟显示了一些准地转点涡没有捕捉到的有趣特征，包括在长时间尺度上的显著垂直输送。$QG^{+1}$点涡动力学的非地转分量使它们在模拟准地转过滤掉重要物理过程的流动中非常有用。
2022-01-08 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Vertical drafts and mixing in stratified turbulence: sharp transition with Froude number
我们调查的垂直速度和温度的大规模的不稳定性，和稳定分层的湍流的混合特性，使用拉格朗日和欧拉场直接数值模拟，在一个参数空间的大气和海洋。在一个范围内的弗劳德数的地球物理的兴趣（$\approx 0.05-0.3$），我们观察到非常大的波动的垂直分量的速度和潜在的温度，本地化的空间和时间，与急剧过渡导致非高斯翼的概率分布函数。这种行为被捕获的一个简单的模型表示之间的竞争重力波在一个快速的时间尺度和非线性陡峭的较慢的时间尺度。共振制度的存在，其特征在于增强大规模的不稳定性，所提出的模型的框架内理解，然后链接到出现的结构中的速度和潜在的温度场，局部翻转和混合。最后，在同一制度中，我们观察到的混合效率与弗劳德数的线性缩放和增加其值的大约一个数量级。
2018-09-18 physics.flu-dyn
Radial Trapping of Thermal Rossby Waves within the Convection Zones of Low-Mass Stars
本研究推导了低质量恒星分层大气中大气波的色散关系，揭示了热Rossby波在恒星对流区内可被径向陷俘于波导中并沿纬向自由传播，并指出太阳对流区下部可能存在此类稳定波动。
2022-05-04 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The evolution of coherent vortical structures in increasingly turbulent stratified shear layers
我们研究了欧拉涡结构的形态及其与密度界面的相互作用，在日益动荡的稳定分层剪切层。本文分析了在分层倾斜管道实验室中得到的三维同时速度场和密度场。我们跟踪，在15个数据集，相干结构的演变，从前湍流Holmboe波，通过间歇性湍流，充分的湍流和混合。我们使用的Rortex-剪切分解的涡度场成一个纯旋转的部分（的Rortex矢量），和一个非旋转的部分（剪切矢量）。我们描述了无处不在的发夹状涡结构（揭示的rottex）的形态，类似于那些通常观察到的边界层湍流。这些都是作为相对较弱的涡流周围的强三维剪切结构的封闭Holmboe波，并逐渐加强和变形下增加湍流，转化成对向上和向下指向的发夹传播方向相反的剪切层的顶部和底部边缘。每个发夹的一对腿是反向旋转的，并在横向和垂直方向上夹带流体，它们的拱形“头”是横向涡流，垂直夹带流体。然后，我们阐明了这种大规模的旋涡形态搅拌和混合的密度场。基本上，位于混合层（主要是发夹头）的任一边缘上的尖锐密度界面处的涡流将未混合的流体团吞没到混合层中，而混合层（主要是发夹腿）内部的涡流进一步搅拌它，产生强烈的小尺度剪切，增强混合。这些发现提供了新的见解剪切驱动的分层混合中的湍流相干结构的作用。
2022-03-21 physics.flu-dyn
Vertical alignment of stagnation points in pseudo-plane ideal flows
近年来对拟平面理想流的研究表明，在均匀流体和分层流体中，以及在惯性和旋转参考系中，涡排列现象普遍存在。稳态PIF模型的精确解表明，驻点倾向于垂直排列，同心结构代表了欧拉方程的定点现象。在旋转坐标系中，当流动保持惯性周期时，可能出现偏斜中心。基于Morse理论得到了驻点的性质，通过压力Hessian给出了垂直排列的拓扑解释。因此，这项研究揭示了一个新的方面的涡流行为在理想流体，要求涡中心对准重力方向时，涡流演变达到一个层流的最终状态，其特征在于稳定的伪平面速度。虽然这一现象源于欧拉方程的约束，但在特定条件下，拓扑理论适用于粘性流体，并解释了vonKármán涡旋的曲线倾斜现象。
2017-09-06 physics.flu-dyn
Metastability of stratified magnetohydrostatic equilibria and their relaxation
针对等离子体中爆发性能量释放问题，研究分层MHD平衡的二维非线性稳定性，发现亚稳态特性，提出用组合优化求最低能态、基于玻尔兹曼混合熵的统计力学理论预测湍流弛豫，且与模拟结果吻合。
2024-12-09 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Helicity of the toroidal vortex with swirl
本文从Bragg-Hawthorne方程的解出发，讨论了有旋薄环涡的螺旋度--沿环面的轨道运动。结果表明，螺旋度与环量的关系取决于涡环中心的方位角速度分布。在非均匀旋流的情况下，这种关系不同于众所周知的莫法特关系-这种循环乘以链接数的两倍产品。这些结果可应用于行星大气中的涡旋和活动星系核附近的涡旋运动。
2016-04-04 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Instability of a dusty vortex
本文研究了半稀释尘埃流中，有限半径圆片中的惯性粒子对二维朗肯涡稳定性的影响。与不存在不稳定模式的无粒子情况不同，我们表明来自粒子的反馈力触发了一种新的不稳定性。使用弱惯性粒子的线性稳定性分析来表征驱动不稳定性的机制，并通过欧拉-拉格朗日模拟进一步验证。结果表明，当质量载荷为$M>0$时，颗粒涡总是不稳定的。令人惊讶的是，即使是非惯性粒子不稳定的旋涡的机制类似的离心瑞利-泰勒不稳定性的径向分层涡密度跳跃。我们确定了一个临界质量负载以上的本征模式$m$变得不稳定。随着m的增加，临界质量载荷下降到零。当粒子是惯性的，低于临界质量负载的模式变得不稳定，而在它上面的模式保持不稳定，但与非惯性的情况下相比，具有较低的增长率。与欧拉-拉格朗日模拟的比较表明，从模拟计算的增长率匹配以及理论预测。经过线性阶段，我们观察到高波数模式的出现，这些模式变成从核心发出的集中粒子的螺旋臂，而无粒子流的区域则被向内吸入。涡度场也表现出相似的模式，导致初始朗肯结构的破裂。这种新的不稳定性的尘埃涡突出了如何从分散相的反馈力可以引起故障，否则弹性的旋涡结构。
2022-07-07 physics.flu-dyn
