Experimental study of the non-linear saturation of the elliptical instability: inertial wave turbulence versus geostrophic turbulence
本文对旋转流体中惯性波参数共振驱动的湍流饱和进行了实验研究。在我们的装置中，一个半米宽的充满水的椭球体被带到固体旋转，然后经历持续的谐波调制其旋转速率。这触发了一对惯性波的指数增长，通过一种称为振动驱动椭圆不稳定性的机制。一旦达到这种不稳定性的饱和，我们观察到一个湍流状态的能量注入到共振惯性波。根据旋转速率调制的幅度，观察到两种不同的饱和状态。在大强迫振幅下，饱和流主要由稳定的地转反气旋组成。当强迫振幅减小时，它的振幅消失，而保持在椭圆不稳定性的阈值以上。在这种二次跃迁之下，饱和流是惯性波的叠加，惯性波处于弱非线性共振相互作用中，这种状态可能渐近地导致惯性波湍流。除了是不稳定旋转流中波主导饱和的第一次实验观察外，本研究也是Le Reun et al，PRL（2017）模型的实验确认，他介绍了这两种湍流状态的可能性。最后讨论了这两个制度之间的过渡及其与地球物理应用的相关性。
2021-01-25 physics.flu-dyn
The inertial wave activity during spin-down in a rapidly rotating penny shaped cylinder. Part I The quasi-geostrophic trigger
在先前的论文中，Oruba，Soward和Dormy（J.Fluid Mech.，vol.818，2017，pp.205-240）考虑了粘度为$ν$的恒定密度流体的主要准稳态地转（QG）运动，该运动在半径为$L$和高度为$H$的圆柱形容器中的线性自旋下降期间发生，围绕其对称轴快速旋转（角速度$Ω$），受到$L=H$情况下的混合刚性和无应力边界条件的影响。在这里，直接数值模拟（DNS）在大$L= 10 H$和埃克曼数$E=ν/H^2Ω=10^{-3}$揭示了结构化的惯性波活动的自旋下降的时间尺度。基于$E\ll 1$的分析研究建立在Greenspan和Howard（J.Fluid Mech.，vol.17，1963，pp.385-404）用于无限平面层$L\to\infty$。在距离对称轴大但有限的距离$r^†$处，导致QG自旋下降的回旋（QG-）流被侧向边界$r^†=L$阻挡，这为惯性波提供了QG触发。在无界层的真实情况是复杂的，进一步的最大频率（MF）的惯性波（瞬态埃克曼层的表现形式）的格林斯潘和霍华德确定的第二组的存在。它们在$r^†=L$的阻塞为我们在后续（第二部分）中考虑的更多惯性波提供了次级MF触发器。在这里，QG触发器，我们解决了一个线性初值问题的拉普拉斯变换方法。随后的复杂的惯性波结构解释近似我们的圆柱形几何在大半径的矩形笛卡尔几何，有效的$L-r^\star=O(H…
2019-05-01 physics.flu-dyn
Evidence of the Zakharov-Kolmogorov spectrum in numerical simulations of inertial wave turbulence
旋转湍流通常被认为是由地转涡主导的，地转涡沿着旋转轴是不变的，并经历逆级联。然而，它最近被证明可以维持完全三维的状态，并具有降尺度的能量级联。在这封信中，我们调查的三维旋转湍流的统计特性的直接数值模拟的手段，在一个三重周期的盒子，地转涡是专门阻尼。由此产生的湍流是一种惯性波湍流，其验证了Galtier（Phys. Rev. E，68，2003）解析导出的Zakharov-Kolmogorov谱，从而提供了三维各向异性波的波湍流理论的相关性的数值证明。最后，我们表明，相同的强迫导致无论是地转或波湍流取决于初始条件。因此，我们的研究结果带来了进一步的证据，双稳定性旋转湍流。
2020-11-10 physics.flu-dyn
An asymptotic model for the propagation of oceanic internal tides through quasi-geostrophic flow
从流体静力Boussinesq方程出发，我们推导出一个时间平均的“流体静力波方程”，它描述了惯性重力内波通过准地转流的传播。推导过程中采用多时间尺度渐近方法，将波场演化隔离在比波周期长得多的时间间隔内，假定波场具有明确的非惯性频率，如中纬度半日潮的频率，忽略了非线性波-波相互作用，并且对背景密度分层或波场与准波场之间的相对空间尺度没有限制。地转流因此，流体静力波动方程是一个简化的模型，适用于大尺度内潮在非均匀运动海洋中的传播。通过与线性化Boussinesq方程和静力Boussinesq方程的数值比较，验证了静力波动方程的正确性，并说明了当准地转流太强和波频太接近惯性波时，模型失效的方式。
2016-12-28 physics.flu-dyn
The evolution of surface quasi-geostrophic modons on sloping topography
这项工作讨论了modons，或偶极涡，沿倾斜地形传播。存在两种不同的制度，分别使用地面准地转方程进行了研究。首先，当modon传播方向相反的地形Rossby波，稳定的解决方案存在和半解析方法计算这些解决方案。其次，当modon在Rossby波的相同方向上传播时，产生波尾流。这种尾迹从modon中带走能量，使其缓慢衰减。这种衰变的渐近预测，发现同意密切与数值模拟。在很长一段时间内，衰减的涡流被发现由于涡流内部产生的波导致的不对称而预锻破裂。沿壁运动的单极涡的行为类似于偶极子，虽然壁的存在被发现稳定的旋涡，并防止长时间的崩溃。这个问题在数学上等价于一个偶极涡旋沿着密度前沿运动，因此我们的结果直接适用于这种情况。
2023-02-10 physics.flu-dyn
Interplay between geostrophic vortices and inertial waves in precession-driven turbulence
利用直接数值模拟和傅立叶空间动力学分析方法，研究了旋进驱动的旋转湍流的性质。研究是在局部旋转坐标系中进行的，其中进动产生背景剪切流，该背景剪切流变得线性不稳定并分解成湍流。我们观察到，这种进动驱动的湍流的一般特点是共存的二维（2D）柱涡和三维（3D）惯性波，其相对能量依赖于进动参数$Po$。涡类似于典型的地转湍流凝结物，沿旋转轴排列（在该方向上波数为零，$k_z=0$），并通过非线性能量转移由3D波馈送，而波（具有$k_z\neq0$）又直接由背景流的岁差不稳定性馈送。涡旋本身经历能量的逆级联，并在傅立叶空间中表现出各向异性。对于小的$Po<0.1$和足够高的雷诺数，大多数地质和天体物理应用的典型制度，流动表现出强烈的振荡（突发）的演变，由于涡和小尺度波的交替。另一方面，在较大的$Po>0.1$湍流是准稳定的，只有轻微的波动，在这种状态下共存的柱状涡和波引起分裂（同时反向和正向）的级联。增加的进动幅度导致加强波相对于涡的能量谱接近Kolmogorov标度，因此，进动机制抵消旋转的影响。
2022-10-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Inertial wave and zonal flow in librating spherical shells
本文数值研究了球壳在纵向振动（一种旋转速率的振荡变化）驱动下的惯性波和纬向流。内部剪切层是由于Ekman边界层在临界纬度处的破裂而产生的。我们的数值结果验证了以前的研究预测的内剪切层的标度律。平均纬向流由边界层中的非线性相互作用驱动。内部流体中惯性波的非线性相互作用对纬向流没有明显的贡献。由于临界纬度处边界层的非线性和内部剪切层的反射点，产生了多个地转剪切层。我们还研究了地转剪切层的标度律，并将结果外推到行星环境中。
2014-03-07 physics.flu-dyn
A generalized wave-vortex decomposition for rotating Boussinesq flows with arbitrary stratification
线性波和地转（涡）的解决方案被证明是一个完整的基础物理变量$(u,v,w,ρ)$在旋转的非静力Boussinesq模式与任意分层。因此，流体可以明确地分离成线性波和地转分量在每个时刻的时间，而不需要时间滤波。然后，可以诊断流体的时间变化的波和地转系数在每个独特的波数和模式，包括那些不可避免地发生由于非线性相互作用。我们证明，这种方法可以用来确定哪些物理相互作用导致模式之间的能量转移的非线性运动方程投影到波涡的基础上。在特定的例子中，我们表明，在地转平衡叠加惯性振荡在表面的涡流能量从惯性振荡内部重力波模式。这种方法可以更普遍地应用于确定哪些机制参与波和涡之间的能量传递，包括它们各自的尺度。最后，我们表明，在波涡基础上表示的非线性运动方程的计算效率为某些问题。在分层配置文件随深度变化强烈的情况下，这种方法可能是一个有吸引力的替代传统的旋转Boussinesq流的光谱模型。
2020-07-31 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Maintenance of a columnar vortex by inertial waves in rotational turbulence
Landau Institute for Theoretical Physics, Russian Academy of Sciences（朗道理论物理研究所，俄罗斯科学院）；National Research University Higher School of Economics（国立高等经济大学）；Osipyan Institute of Solid State Physics, Russian Academy of Sciences（奥西普扬固体物理研究所，俄罗斯科学院）
本文提出一种理论，通过外围惯性波吸收维持快速旋转湍流中的地转涡旋，确定其平均速度径向分布，并经实验验证模型有效性。
2026-09-09 physics.flu-dyn physics.geo-ph
The stability of propagating plane inertial waves in rotating fluids
Columbia University（哥伦比亚大学）；IRAP, Université de Toulouse, CNRS, UPS, CNES（图卢兹大学、法国国家科学研究中心、南法第一大学、法国国家空间研究中心）；University of Leeds（利兹大学）
研究旋转流体中传播平面惯性波的稳定性及非线性破裂机制，揭示其在湍流和能量传输中的作用。
2026-02-11 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Libration-driven inertial waves and mean zonal flows in spherical shells
我们太阳系中的几个行星体由于与其轨道同伴的引力相互作用而经历强迫天平动，导致其金属液体核心或地下海洋中复杂的流体运动。在这项研究中，我们数值研究纵向振动球壳的流动。我们专注于几个剪切层的Ekman数的依赖性时，天平动频率小于旋转频率的两倍，天平动振幅小。随时间变化的流动主要由在临界纬度处由于Ekman泵激奇点而激发的惯性波组成，形成锥形剪切层。特别是，以前的理论研究提出了不同的缩放的锥形剪切层产生的临界纬度的内边界。我们的数值结果支持Le Dizès \& Le Bars（2017）预测的速度幅度缩放$\mathrm{O}(\varepsilon E^{1/12})$，而不是Kerswell（1995）最初提出的缩放$\mathrm{O}(\varepsilon E^{1/6})$，尽管我们计算中的Ekman数还不够小，无法确定这种缩放。在边界层中的非线性相互作用驱动一个平均纬向气流，并伴有几个地转切变。数值结果表明，与临界纬度相关的地转切变在内外边界上具有相同的尺度，即在$\mathrm{O}(E^{1/5})$宽度上的振幅为$\mathrm{O}(\varepsilon^2 E^{-1/10})$。数值结果表明，除了与临界纬度有关的地转切变外，惯性波的反射还可以在宽度为$\mathrm{O}(E^{1/3})$的范围内产生振幅为$\mathrm{O}(\varepsilon^2…
2020-05-13 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Collapse of generalized Euler and surface quasi-geostrophic point-vortices
本文提出了广义欧拉方程的点涡模型，其特征在于活动标量与流函数之间的分数拉普拉斯关系。特别关注的情况下，表面准地转的（SQG）方程，有限时间奇点的存在仍然是一个有争议的问题。点涡轨迹表示使用南部动力学。该配方是基于一个非正则括号，并允许作为汉密尔顿和卡西米尔的水平集的交叉点的轨迹的几何解释。在这种情况下，我们专注于三点涡模型的解决方案的崩溃。特别是，我们表明，SQG的崩溃可以是自相似或非自相似的。自相似性仅在哈密顿量为零时发生，而非自相似性出现在非零值的情况下。对于这两种情况，在允许的区间内，对于任何循环的选择，崩溃都是允许的。这些结果与经典的点涡模型有着显著的不同，在经典的点涡模型中，对于任何哈密顿量值，坍缩都是自相似的，但涡环流必须满足严格的关系。结果也可能揭示了在SQG偏微分方程的奇异性的形成，奇异性被认为是达到只有在一个自相似的方式。
2018-08-15 math-ph math.MP nlin.SI
SQG Point Vortex Dynamics with Order Rossby Corrections
该研究在Weiss工作基础上，探讨含非地转效应的SQG+点涡动力学，分析守恒律变化，得到双涡轨迹及三涡平衡解，还数值研究了被动示踪剂的垂直偏移与表面局部发散现象。
2025-08-18 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Clustering and chaotic motion of heavy inertial particles in an isolated non-axisymmetric vortex
本研究针对孤立非轴对称涡中重惯性粒子的动力学，以Kirchhoff涡和Kida涡为对象，发现非轴对称性引发粒子聚集，且粒子惯性超过临界值时可抑制外部应变导致的混沌输运。
2024-09-18 physics.flu-dyn
Vortex cluster arising from an axisymmetric inertial wave attractor
本文对轴对称几何条件下惯性波吸引子的饱和非线性动力学进行了实验研究。实验是在一个旋转的环形流体域中进行的，该流体域由两个垂直的同轴圆柱体、一个圆锥形底部和一个作为波发生器的水平可变形上盖限定：流体体积的椭圆形横截面是一个椭圆形，而水平横截面是一个环。首先，将流体设置为刚体旋转。此后，迫使引入系统通过轴对称低振幅体积守恒振荡运动的上盖。经过大约10个强迫周期的短暂瞬变后，建立了一个具有轴对称惯性波吸引子的准线性区域。吸引子是容易不稳定的：在长时间尺度（100强迫周期的顺序）的饱和完全非线性制度的发展作为一个能量级联排水能量向一个缓慢的二维歧管表示的正多边形系统的轴向取向的气旋涡是缓慢的进动周围的内缸的结果。我们发现，这个缓慢的二维流形表现出持续的缓慢的反气旋运动和强的气旋-反气旋的不对称性量化的概率密度函数的垂直涡度的时间演化。
2020-09-15 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Modon solutions in an N-layer quasi-geostrophic model
提出一种半解析方法，通过将问题转化为多参数线性特征值问题，在任意多层准地转模型中寻找完全非线性modon解，并成功应用于三层模型发现中层传播地形涡旋解。
2024-04-11 physics.flu-dyn
An objective vortex identification method
通常，涡结构应该独立于移动的观察者，特别是当他们的坐标是非惯性的，这可能会导致混乱的研究人员之间的通信。不受坐标选择影响的性质称为客观性。大多数情况下，研究人员希望在惯性坐标系中收集数据，因为大多数物理定律在惯性坐标系中有效。因此，如何将非惯性坐标系中的观测值转换为惯性坐标系中的观测值引起了人们的兴趣。本文提出了从非惯性观测资料中选择一个已知的零涡量点（该点位于无粘区），得到惯性坐标系中的速度和速度梯度张量，进而由目标速度或速度梯度张量计算目标涡结构的方法。选择柳特克斯作为涡的指示器，通过两个数值算例对所提出的方法进行了验证。结果表明，该方法具有很好的性能，相对误差极小。
2022-06-25 physics.flu-dyn
Interaction of near-inertial waves with an anticyclonic vortex
反气旋涡旋集中并捕获近惯性波，使得涡旋核心内的近惯性能级升高。这个过程的某些方面，包括非线性修改的涡波，被困近惯性本征模式的存在解释。这些涡本征模容易被水平尺度远大于涡半径的初始波激发。我们研究这个过程中使用的波平均模型的近惯性动力学和比较其理论预测与数值解的三维Boussinesq方程。在线性近似中，该模型预测的本征模频率和空间结构，和近惯性波能量签名，其特征在于由一个近似的时间周期性，方位角不变的图案。波浪平均模型表示波浪通过对位涡的波浪诱导贡献对涡旋的非线性反馈，该位涡与波浪的动能密度的拉普拉斯算子成比例。当考虑到这一点时，模态频率被预测为随着初始激励的能量线性增加。线性和非线性预测都令人信服地同意与Boussinesq的结果。
2020-10-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Measuring fluxes between wave and geostrophic features in rotating non-hydrostatic flows with variable stratification
该研究提出了一种框架，用于在具有变量层结的旋转非静力流中分离波和地转成分，并量化其能量通量和转移。
2025-11-22 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Visualization of Inertial and Kelvin Waves on the Quantum Vortex Lattice in Superfluid Helium
Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Institut Néel（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、法国国家科学研究中心、格勒诺布尔理工学院、内尔研究所）；National High Magnetic Field Laboratory（国家高磁场实验室）；Université Paris-Saclay, CNRS, FAST（巴黎萨克雷大学、法国国家科学研究中心、FAST）
通过旋转低温恒温器中的量子涡旋晶格施加热流扰动，实验观测到惯性波和开尔文波湍流级联，为理解量子涡旋集体动力学提供直接方法。
2026-10-05 physics.flu-dyn
A Vortex Dynamic Equation for Sediment Transport
针对强变化泥沙底床上的准地转流，本文提出并推导了考虑侵蚀/沉积交换与床面变形的新涡动力学方程，给出适用于多相湍流的变体及模型优势。
2024-01-24 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
Reynolds number scaling and energy spectra in geostrophic convection
本文使用立体粒子图像测速技术研究了地转状态下旋转Rayleigh-Bénard对流的雷诺数标度与能谱，发现VAC和CIA力平衡标度均匹配，且随Ek减小趋于无扩散标度，能谱揭示了四极涡旋与三维湍流特征。
2022-12-21 physics.flu-dyn
Linear and nonlinear stability of a quasi-geostrophic mixing layer subject to a uniform background shear
本文的目的是通过核波（KW）的观点重新研究在背景切变影响下大气中准地转（QG）混合层（或涡带/涡丝）的破裂。QG混合层模拟与家庭准瑞利速度剖面的位涡（PV）是恒定的补丁。在KW视角中，在每个PV边缘（即PV跳跃所处的边缘）处创建反向传播Rossby波（CRW）。我们研究的重要参数是（i）均匀剪切的涡度m和（ii）Rossby变形半径Ld，它指示压力扰动可以垂直传播多远。当不利的剪切（m < 0）使系统稳定时，有利的剪切（m > 0）使系统不稳定性增强。这是由于当m < 0（m > 0）时，背景切变通过将最佳相位差向大（小）波数移动来影响两个非耦合CRW。当引入QG环境时，注意到不稳定性的普遍减弱，特别是对于m > 0...
2018-09-11 physics.flu-dyn
Transient growth of a wake vortex and its initiation via inertial particles
本研究数值证实了粘性临界层特征模对强旋转尾迹涡最优瞬态增长的关键贡献，并发现通过在涡核外围分布惯性粒子引发双向耦合，能在非线性系统中实现最优瞬态增长。
2025-02-24 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
Trapping and Transport of Inertial Particles in a Taylor-Green Vortex: Effects of Added Mass and History Force
本文研究 Taylor-Green 涡中有限密度惯性粒子的捕获与输运，通过线性稳定性分析和数值模拟揭示附加质量与历史力对 St-R 参数空间中捕获、扩散和弹道行为区域的影响，发现同时计入两者时所有粒子均呈弹道运动。
2025-03-10 physics.flu-dyn
Analytic treatment of vortex motion in non-inertial Stokes flows
本文研究不可压缩粘性流体在旋转参考系中的定常运动，在旋转参考系中可能产生旋涡。对于涡量沿给定方向高度集中的情况，提出了斯托克斯流问题的近似解析解。这种近似将沿旋转轴的速度分量与动量方程分开。这使得能够从泊松方程的解中找到涡量。我们使用的格林函数的方法来提供解决方案的三维流动的圆柱形域上的径向入口/出口的速度分布通过使用一个精确的扩展的格林函数。这种近似的涡量解析解与有限差分法（FDM）计算的数值解吻合得很好。关键词：解析近似，斯托克斯流，格林函数，有限差分。
2018-11-03 physics.flu-dyn
Nonlocal flow sampling enables vortex trapping of heavy particles
National Institute of Technology Karnataka（卡纳塔克国立理工学院）；Aix Marseille Univ, CNRS, Centrale Med, IRPHE（艾克斯-马赛大学）；Université Côte d’Azur, CNRS, LJAD（蔚蓝海岸大学）；Indian Institute of Technology Bombay（孟买印度理工学院）；Indian Institute of Technology Indore（印多尔印度理工学院）
研究非局部流采样对重粒子在涡流中运动的影响，揭示了非局部粒子在不同惯性条件下捕获涡流中心的动态行为及稳定性。
2026-03-15 physics.flu-dyn
A study of turbulence and interacting inertial modes in a differentially-rotating spherical shell experiment
本文研究了半径比为$η= 1/3$的差动旋转球壳（球库埃特流）实验中的惯性模。惯性模式是科里奥利恢复的线性波模式，通常出现在快速旋转的流体中。最近的实验工作表明，对于$Ω_{i}<Ω_{o}$，球库埃特流中存在惯性模，其中$Ω_i$和$Ω_o$分别是内外球的旋转速率。通过在两个固定的$Ω_{o}$上扫描来自$-2.5 < Ro = (Ω_{i}-Ω_{o})/Ω_{o} < 0$的Rossby数，我们发现了相似惯性模的存在.然而，这里描述的流动行为与以前的球形库埃特实验有很大不同。我们发现，占主导地位的惯性模式的动能显着增加，降低Rossby数，最终导致一个破波和增加的小尺度结构在临界Rossby数。在球形库埃特流中的这种转变以前没有描述过。临界Rossby数与Ekman数的比例为0 $E^{1/5}$。此外，增加小规模的功能以外的过渡转移到一个大规模增强的平均流动的切线圆柱体的能量。在这方面，我们讨论了主导惯性模式与地转Rossby模式激发次级模式，其频率匹配的三元共振条件之间的相互作用。
2017-07-05 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Acoustic and inertial modes in planetary-like rotating ellipsoids
旋转的充满流体的椭球体的有界振荡可以提供物理洞察变形行星内部的流动动力学。由科里奥利力维持的惯性模式在快速旋转的流体中普遍存在，并且Vantieghem（2014，Proc. R. Soc. A，470，20140093，doi：10.1098/rspa.2014.0093）开创了一种在不可压缩流体椭圆体中计算它们的方法。然而，考虑到密度（和压力）的变化是需要精确的行星应用，这在很大程度上被忽略了椭球模型。为了超越不可压缩的理论，我们提出了一个在刚性无芯椭球的Galerkin方法，基于一个整体的多项式描述。我们应用该方法来研究完全可压缩，旋转和无扩散流体的正常模式。我们考虑一个理想化的模型，它公平地再现了地球的液体核心和类星体的气体行星的密度变化。我们成功地对标准的有限元计算结果进行基准测试。值得注意的是，我们发现，准地转惯性模式可以显着修改的压缩性，即使在中等可压缩的内部。最后，我们讨论了使用正常模式建立简化的动力学模型的行星流。
2021-08-31 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Shortcut to geostrophy in wave-driven rotating turbulence: the quartetic instability
我们报告的实验室实验波驱动旋转湍流。一组造波机产生的惯性波束在安装在旋转平台上的水箱的中心区域非线性地相互作用。因此，强迫只将能量注入惯性波。对于中等的强迫振幅，强迫惯性波的能量的一部分被转移到亚谐波，通过标准的三重共振不稳定性。这第一步大体上符合弱湍流理论。然而，令人惊讶的是，较强的强迫并不导致惯性波湍流制度。相反，大部分的动能凝聚成垂直不变的地转流，即使后者是非强迫的。我们表明，共振四重惯性波可以触发不稳定性-“四重不稳定性”-导致这种自发出现的地转。在本实验中，这种不稳定性作为经典三元不稳定性的次级不稳定性而出现。
2020-03-02 physics.flu-dyn
Large-scale vortices and zonal flows in spherical rotating convection
出于对恒星和行星内部动力学的理解，我们对旋转球中的Boussinesq对流进行了一组直接数值模拟。该域是内部加热与固定的温度和无应力的边界条件，但固定的热流和无滑移的边界条件也被简要考虑。我们特别关注的大尺度相干结构和平均纬向流，可以在系统中发展。在普朗特数的团结，作为热强迫（测量的瑞利数）增加以上的对流发病的值，我们发现一个松弛振荡制度，其次是地转湍流制度。除此之外，我们第一次看到在旋转轴上形成的大尺度相干涡旋的存在。所有制度的边界都很好地描述了对流Rossby数$Ro_c$的临界值，从振荡到地转湍流的过渡，然后到大尺度涡旋制度的值分别为$Ro_c\approx 0.2$和$Ro_c\approx 1.5$。纬向流由对流Rossby数控制，并在流从地转湍流区向大尺度涡旋区过渡时改变其方向。虽然非纬向流速和热传递可以用地转湍流区的惯性尺度来描述，但大尺度涡的形成似乎会降低非纬向流速和对流热传递的效率。
2021-03-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Interactions of point vortices in the Zabusky-McWilliams model with a background flow
我们结合一个简单的准地转流模型与大气涡旋动力学的Zabusky-McWilliams理论来解决保险业感兴趣的飓风跟踪问题。这使我们能够对“跟随我的领导”现象做出预测。
2011-06-20 physics.flu-dyn
From Geostrophic to Magnetically-Damped Turbulence in Liquid Metal Rotating Magnetoconvection
本研究通过液态镓实验首次测量磁地转状态下的旋转磁对流，揭示了洛伦兹力与惯性力相对大小对流动标度律的影响，发现磁阻尼区传热增强，并外推得到地球核对流的参数区间。
2025-09-03 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
Inertial flow around obstacles in microchannels
再循环尾迹的形成是钝体惯性绕流的一个显著特征。在均匀无界流中，在旋涡脱落开始之下，再循环尾流区域中的流体在封闭的平面轨道上移动。因此，定常尾流是流动中的隔离区，并且不与自由流交换流体。在这项工作中，我们利用格子玻尔兹曼模拟和微流体实验来证明，在微通道惯性流动的牛顿流体，再循环尾流被取代的三维涡流。螺旋流线在障碍物后面的涡流和自由流之间产生连续的流体交换。流动惯性由定义为$Re = \frac{u_{max}D_{y}}ν$的雷诺数表示，其中$u_{max}$是通道入口中的最大流体速度，$D_{y}$是特征障碍物长度，并且$ν$是流体运动粘度。我们讨论了$Re$、障碍物形状和壁面约束对流体进入旋涡的影响。此外，我们表明，在流动的稀悬浮液的颗粒周围的障碍物，流体进入涡流也可以导致在捕获的颗粒。
2017-10-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Nematic order condensation and topological defects in inertial active nematics
不同长度尺度的生命物质表现出取向有序、拓扑缺陷和主动湍流等主动湍流特征。利用数值模拟，我们调查的影响，流体惯性集体斑图形成在积极的向列相。我们表明，由于减少粘度的惯性效应的增量增加，导致在逐步熔化的拓扑缺陷密度增加的前一个不连续的过渡到涡凝聚态的顺序。在足够低的粘度下出现的涡旋凝聚态与巨涡旋内的三阶凝聚和拓扑缺陷密度的下降相一致。我们进一步表明，流场周围的拓扑缺陷的惯性效应的影响很大。此外，我们证明了动能谱对惯性效应的强烈依赖性，恢复了涡旋凝聚相内的Kolmogorov标度，但没有发现在较高粘度下的普适标度的证据。研究结果揭示了活性向列湍流的新复杂性，并强调了活性颗粒在流动和取向组织中的活性和惯性效应之间的重要串扰。
2022-06-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A generalised-Lagrangian-mean model of the interactions between near-inertial waves and mean flow
本研究基于广义拉格朗日平均框架构建近惯性波与平均流的耦合哈密顿模型，发现近惯性波可通过尺度减小从平衡流提取能量的新机制，对理解海洋能量收支有重要意义。
2015-04-29 physics.flu-dyn
Geostrophic convective turbulence: The effect of boundary layers
Rayleigh-Bénard（RB）对流，从下面加热和从上面冷却的流体层中的流动，被用来分析热对流向地转制度的转变。在地转制度，这是直接相关的大多数地球和天体物理流动，系统强烈旋转，同时保持足够大的热驱动产生湍流。我们直接模拟了两个热强迫值$Ra=10^{10}$和$Ra=5\cdot10^{10}$的Navier-Stokes方程，普朗特数$Pr=1$为常数，Ekman数在$Ek=1.3\cdot10^{-7}$到$Ek=2\cdot10^{-6}$范围内变化，满足了超临界和强旋转的要求。重点讨论了无滑移边界条件与无应力边界条件在水平板上应用的差异。对于两种边界条件，在大致相同的参数值处发现过渡，即对于~ $Ra=1\times 10^{10}$在~ $Ek\approx 9\times 10^{-7}$处，对于~ $Ra=5\times 10^{10}$在~ $Ek\approx 3\times 10^{-7}$处。然而，过渡是渐进的，并且对于不同的流量指示器，其在~ $Ek$中并不完全一致。特别是，我们报告的传热标度律，边界层的厚度，散逸的体积/边界层分布和平均温度梯度在散装的过渡的特性。对于无滑移和无应力的板块，地转区的流动现象演化是不同的。在无应力条件下，一个大尺度正压涡旋的形成和相应的逆能量级联是明显的。对于无滑移板，没有大规模的相干结构的湍流状态被发现，没有大规模的…
2016-02-01 physics.flu-dyn
Quantitative experimental observation of weak inertial-wave turbulence
本文报道了旋转湍流弱惯性波湍流区的定量实验观测。我们产生一个统计稳定的均匀湍流，由非线性相互作用的惯性波，使用粗糙的顶部和底部边界，以防止出现的地转流。随着强迫振幅的增加，时间谱从一组离散的峰值演变成一个连续谱。的速度场的双相干的地图确认这样一个逐渐过渡的离散波之间的相互作用在弱强迫振幅，弱湍流理论（WTT）所描述的制度，为更强的强迫。在前一种情况下，双相干图显示出接近零的背景水平，以及与离散共振相关的尖锐的局部峰。相比之下，在后一种情况下，双相干是一个光滑的函数，其取值为Rossby数的量级，符合WTT的无限域和随机相位假设。空间谱则表现出幂律行为，在高雷诺数和低Rossby数下，谱指数和谱级均由WTT准确预测。
2020-10-29 physics.flu-dyn
Transition from geostrophic flows to inertia-gravity waves in the spectrum of a differentially heated rotating annulus experiment
惯性重力波在地球大气动力学中起着重要的作用，它向上传播时会产生能量和动量通量。一个悬而未决的问题是在多大程度上IGWs有助于总能量和平坦化的能量谱观察到的中尺度。在这项工作中，我们提出了一个实验研究的能量分配之间的大尺度平衡流和小尺度不平衡流。在差热旋转环实验中，观测到斜压喷流发射的弱非线性IGW。与大气谱相似，实验动能谱揭示了典型的分为两个不同的制度与斜率$k^{-3}$为大尺度和$k^{-5/3}$为小尺度的细分。通过将光谱分离为涡旋和波分量，可以看出，在中尺度的大尺度端，实验中观察到的重力波导致光谱变平，并提供了大部分能量。在较小的尺度上，我们的数据分析表明，一个过渡到湍流制度的前向能量级联的扩散过程中发生的耗散。
2020-04-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Velocimetry in rapidly rotating convection: spatial correlations, flow structures and length scales
旋转Rayleigh-Bénard对流是一个经常使用的模型系统，用于评估由于旋转引起的浮力和Coriolis力的相互作用，这是许多地球物理和天体物理流动中发现的动力学效应的显著相关相互作用。这些流量显示极端值的管理参数：大瑞利数$Ra$，量化的热力强迫的强度，和小埃克曼数$E$，一个参数成反比的旋转速率。这导致了在压力梯度和科里奥利力之间的流动中占主导地位的地转平衡。由于要求同时获得大的$Ra$值和小的$E$值，所以难以用实验室实验和数值模拟来研究旋转对流的所谓地转区。在这里，我们使用流量测量，使用立体粒子图像测速在一个大规模的旋转对流装置在一个水平面中的中等高度，研究丰富的流动现象的地转制度的旋转对流。我们量化的垂直速度和垂直涡度的空间相关性的流量的水平长度尺度，再现的对流泰勒柱和羽流状态的地转制度的两个部分的功能。此外，我们发现在这个水平面上的组织成一个四极涡在较高的瑞利数从羽状状态。
2021-11-03 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
Magnetic Dynamo Driven by Inertial Waves
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹中心）；Abastumani Astrophysical Observatory（阿巴斯图马尼天体物理观测台）；Aix Marseille Univ, CNRS, Centrale Marseille, IRPHE UMR 7342（艾克斯马赛大学，法国国家科学研究中心，马赛中央理工学院，IRPHE UMR 7342）；Department of Applied Mathematics, School of Mathematics, University of Leeds（利兹大学数学学院应用数学系）
研究证实惯性波湍流可驱动磁发电机，引入涡旋受控阻尼提升发电机在低Pm、低Po下的增长率，确立惯性波为行星恒星内部磁场放大的有效机制。
2026-08-07 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Crossover from ballistic to diffusive vortex motion in convection
涡旋在天体物理和地球物理的热量和动量传输中起着独特的作用，它也是地球发电机的起源。根据历史资料能否预测或理解涡旋的运动是一个长期存在的问题。在这里，我们使用实验和数值模拟来展示一些通用的涡运动和分布的特点。结果表明，涡旋运动可以用布朗粒子的框架来描述，在布朗粒子的框架中，涡旋运动在短于某些临界时间尺度的时间内进行弹道运动，然后进行扩散运动。传统上，当人们考虑它们的运动时，通常忽略了涡旋的惯性，我们的结果意味着涡旋实际上具有惯性诱导记忆，使得它们的短期运动可以预测。扩展到天文和地球物理学，过渡的临界时间尺度是在几分钟的量级，在大气和海洋中的旋涡，这种惯性效应往往可以忽略不计相比，其他导向源。然而，涡旋的时间尺度要大得多，从几天到一年不等。提出了地球磁场短期变化不仅有太阳风等外源的贡献，还有涡旋惯性等内源的贡献。
2019-02-25 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Spirographic motion in a vortex
旋涡流中颗粒运动的研究主要集中在点状颗粒上，无论是惯性的还是自推进的。这个近似假设粒子周围的速度场是线性的。本文考虑二维定常涡中的无惯性刚性哑铃。虽然系统保持解析易处理，但粒子经历周围速度场的非线性。通过利用旋转对称的流动，我们减少了问题的二维动力系统，其不动点和周期轨道可以用来解释哑铃的运动。对于流体角速度随径向距离减小的所有涡流，哑铃的质心遵循围绕涡流中心的螺旋轨迹。这是由于径向上的周期性振荡与围绕中心的旋转相结合。轨迹的形状强烈地依赖于哑铃的初始位置和方向，但无论旋涡的形式如何，动力学性质都是相同的。如果流体的角速度不是单调的，那么螺旋运动就会因传输障碍的存在而改变，传输障碍的形状现在对涡旋的细节很敏感。
2022-01-14 physics.flu-dyn
Trapping and extreme clustering of finitely-dense inertial particles near a rotating vortex pair
针对旋转系统中惯性粒子的捕获问题，通过数值模拟研究旋转Lamb-Oseen涡旋对中粒子的行为，分析St和R的影响，发现极端聚集现象及BBH力的作用，其结果对星子形成等领域有意义。
2024-05-08 nlin.CD physics.flu-dyn
Dynamical signature of vortex mass in Fermi superfluids
研究揭示费米超流中涡旋因核心正常分量提供有限惯性质量，导致小振幅横向振荡，为超流涡旋动力学中的惯性效应提供了新见解。
2025-12-10 cond-mat.quant-gas physics.flu-dyn
The inertial wave activity during spin-down in a rapidly penny shaped cylinder. Part II The inertial wave of maximum frequency trigger
在早期的论文中，Oruba，Soward和Dormy（J.Fluid Mech.，vol.818，2017，pp.205-240）考虑了粘度为$ν$的恒定密度流体的主要准稳态地转（QG）运动，该运动在半径为$L$和高度为$H$的圆柱形容器中的线性自旋下降期间发生，围绕其对称轴快速旋转（角速度$Ω$），受到$L=H$情况下的混合刚性和无应力边界条件的影响。Oruba，Soward和Dormy在大$L= 10 H$和Ekman数$E=ν/H^2Ω=10^{-3}$下的直接数值模拟（DNS）（J.Fluid Mech.，下文中，称为第一部分）揭示了在自旋下降时间尺度上的显著惯性波活动。基于$E\ll 1$的第I部分中的分析研究建立在Greenspan和Howard（J.Fluid Mech.，vol.17，1963，pp.385-404）用于无限平面层$L\to\infty$。在距离对称轴很大但有限的距离$r^†$处，导致QG自旋下降的回旋（QG-）流被侧边界$r^†=L$阻挡，侧边界为第一部分研究的惯性波提供了主要的QG触发。对于横向无界层，格林斯潘和霍华德还确定了最大频率（MF）的惯性波，这是瞬态埃克曼层的表现。横向边界对MF波的阻挡为更多的惯性波提供了二次MF触发。在这里，我们得到的组合触发（QG+MF），忠实地捕捉横向无界的基流，包括其瞬态的字符所造成的波活动的分析结果。将结果与…
2019-05-01 physics.flu-dyn
Unveiling the Spatiotemporal Evolution of Liquid-Lens Coalescence: Self-Similarity, Vortex Quadrupoles, and Turbulence in a Three-Phase Fluid System
本文通过三相Cahn-Hilliard-Navier-Stokes系统模拟液透镜聚并，揭示粘性区与惯性区的自相似增长、涡旋四极子及湍流特征，并给出不对称透镜合并的幂律指数。
2023-10-17 physics.flu-dyn
Wave-averaged balance: a simple example
在存在惯性重力波的情况下，表征快速旋转、强烈分层流的缓慢动态的地转和流体静力平衡在时间平均意义上成立，并适用于拉格朗日-平均速度和浮力。我们给出了一个基本的推导波均平衡，并说明其准确性的三维Boussinesq方程的数值解，使用一个简单的配置，其中垂直平面近慣性波与正压反气旋涡旋相互作用。我们进一步利用波均位渦守恒来预报波引起的正压涡旋的变化。
2020-11-11 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Interaction between mountain waves and shear flow in an inertial layer
山脉产生的惯性重力波（IGW）通过它们与流动相互作用时施加的平均力影响大气和海洋的动力学。这种相互作用的一个关键是临界水平奇点的存在，或者当考虑行星旋转时，惯性水平奇点，多普勒频移波频率与当地科里奥利频率相匹配。我们研究后者的奇异性的作用，通过研究稳定的波包所产生的多尺度山在旋转的线性剪切流在低Rossby数。使用WKB和鞍点近似的组合，我们提供了一个明确的描述波包的形式，它诱导的平均强迫，和平均流响应。我们确定两个杰出的制度波的传播：制度I适用于足够远，从占主导地位的惯性水平的标准射线跟踪近似是有效的;制度II适用于薄区域的波包结构控制的惯性水平奇点。波-平均流相互作用由Eliassen-Palm（或伪动量）通量的变化决定。这种变化局限于一个薄的惯性层，在那里波包采取了限制形式，发现在制度II。我们解决了准地转位涡方程强迫的Eliassen-Palm通量的发散计算波致平均流。我们的结果，在无粘极限，表明波包达到一个大的，但有限的距离下游的山（具体来说，距离的顺序$k_*^{1/2} Δ^{3/2}$，其中$k_*^{-1}$和$Δ$测量波和包络尺度的山），并在一个类似的规模水平延伸。
2017-01-07 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
