Frictional boundary layer effect on vortex condensation in rotating turbulent convection
我们进行直接数值模拟旋转Rayleigh-Bénard对流的流体与低（$Pr=0.1$）和高（$Pr=5$）普朗特数在水平周期层无滑移的顶部和底部边界。在这两个普朗特数，我们证明了一个高档转移的动能，导致域填充涡结构的发展的存在。足够强的浮力强迫和旋转促进准二维湍流状态的流动，尽管形成的羽状垂直扰动促进所谓的埃克曼泵从粘性边界层。
2020-01-31 physics.flu-dyn
Prandtl-, Rayleigh-, and Rossby-number dependence of heat transport in turbulent rotating Rayleigh-Benard convection
实验和数值数据的传热作为一个功能的瑞利，普朗特，和Rossby数在湍流旋转瑞利-贝纳德对流。对于相对小的$Ra ~ 10^8$和大的Pr，适度的旋转可以将传热提高高达30%。在较大的Ra有较少的传热增强，并在小Pr = 0.7。根本没有传热增强。我们认为，小Pr的行为是由于故障的传热增强Ekman泵，因为更大的热扩散。
2008-11-04 physics.flu-dyn
Turbulent drag in a rotating frame
在旋转流体中运动的物体所受到的紊流阻力是多少？通过测量在安装在以速率$Ω$旋转的平台上的水箱中以恒定角速度$ω$驱动叶轮所需的扭矩，可以解决这个开放的和基本的问题。我们报告了一个戏剧性的减少阻力$Ω$增加，下降到值低至$12$ \%的非旋转阻力。在小Rossby数$Ro = ω/Ω$下，阻力系数$K$的减小遵循非线性惯性波相互作用和弱湍流理论框架中预测的近似标度律$K \sim Ro$。然而，立体粒子图像测速测量表明，这种减阻，而源自与大尺度流的二维化的湍流强度的减弱。
2016-03-21 physics.flu-dyn
The Effect of Modulated Driving on Non-rotating and Rotating Turbulent Plane Couette Flow
对平板速度周期性调制的无旋和有旋平板Couette湍流流动进行了直接数值模拟，研究了调制强迫对湍流剪切流动的影响。时间平均剪切雷诺数固定为$Re_S = 3 \cdot 10^4$，这导致摩擦雷诺数约为$Re_τ\approx 400$。调制频率在$Wo\in(20,200)$范围内变化，而调制振幅保持固定在剪切速度的$10\%$，只是为了证明改变该参数变化很小。由此产生的剪切板被发现是独立的强迫频率，并等于非调制的基线。对于非旋转模拟，可以看到两个清晰的流动区域：遵循斯托克斯理论解的近壁区域，以及行为类似于斯托克斯解但具有增加的有效粘度的本体区域。对于高驱动频率，振幅响应遵循von der Heydt \emph{et al.}（Physical Review E 67，046308（2003））的调制湍流的标度律。气旋旋转没有发现修改系统的行为在很大程度上，但反气旋旋转显着改变系统的响应周期性强迫。我们发现，温和的反气旋旋转引入的持久的轴向不均匀性使得它不可能充分测量调制的传播，而更强的反气旋旋转创建调制瞬间旅行的区域。
2022-05-23 physics.flu-dyn
Temperature and Velocity Characteristics of Rotating Turbulent Boundary Layers Under Non-Isothermal Conditions
本文用热线风速仪对旋转湍流边界层在等温和非等温条件下的速度和温度特性进行了实验研究。实验参数的范围是：雷诺数从10000到25000，转速从0到150 rpm，和y+从1.8到100。相对温差保持恒定在0.1。测量了旋转状态下边界层内的速度和温度分布，提出了旋转状态下边界层分割的新判据。扩展了旋转状态下边界层理论的适用范围。分析了哥氏力和浮力对湍流边界层内速度和温度分布的影响。科里奥利力被发现在旋转下的边界层的行为中起着重要的作用，因为它改变速度和温度边界层。在等温条件下，这种效应可以根据主导力进行分类：粘性力、科里奥利力或惯性力。在非等温条件下，发生浮力。科里奥利力产生的浮力对科里奥利力的影响有抑制作用，且抑制作用随温差的增大而增大。还得到了旋转下湍流普朗特数Prt的变化。
2022-06-04 physics.flu-dyn
A nonlinear subgrid-scale model for large-eddy simulations of rotating turbulent flows
旋转湍流是大涡模拟（LES）的一个具有挑战性的测试用例。因此，我们提出并验证了一个新的亚网格尺度（SGS）模型，这样的流量。所提出的SGS模型包括一个耗散涡粘性项以及一个非耗散项，这是非线性的应变率和转速张量。两个相应的模型系数是涡拉伸幅度的函数。因此，该模型符合纳维-斯托克斯方程和湍流应力的许多物理和数学性质，且易于实现。我们确定的两个模型常数使用一个非动态的程序，考虑到模型之间的相互作用。使用详细的直接数值模拟（DNSs）和LES的旋转衰减湍流和展向旋转平面通道流，我们发现，这两个模型项分别占耗散和后向散射的能量，和非线性项提高了固体壁附近的雷诺应力各向异性的预测。我们还表明，新的SGS模型提供了很好的预测旋转衰减湍流，并导致优秀的预测展向旋转平面通道流在很大范围内的旋转速率的精细和粗网格分辨率。此外，新的非线性模型在旋转衰减湍流的LES中表现与动态Smagorinsky和缩放各向异性最小耗散模型一样好，并且在展向旋转平面通道流的LES中表现优于这些模型，而不需要（动态）适应或近壁模型常数的阻尼。
2019-04-29 physics.flu-dyn
Lagrangian irreversibility and energy exchanges in rotating-stratified turbulent flows
本研究聚焦旋转分层湍流中波涡相互作用下的能量交换过程，通过示踪粒子相对动能的不可逆演化探究能量级串，发现粒子间距特征尺度与浮力尺度的关联，揭示了不同尺度下势能与动能转换对时间不可逆性的影响规律。
2024-01-26 physics.flu-dyn
The Twente turbulent Taylor-Couette (T3C) facility: Strongly turbulent (multiphase) flow between two independently rotating cylinders
本文构造了一个新的湍流Taylor-Couette系统，它由两个独立旋转的圆柱体组成。圆柱体之间的间隙高度为0.927 m，内半径为0.200 m，外半径可变（从0.279 m到0.220 m）。内圆柱体和外圆柱体的最大角旋转速率分别为20 Hz和10 Hz，以水为工作流体时，雷诺数高达3.4 x 10^6。利用该泰勒-库埃特系统，参数空间（Re_i，Re_o，η）扩展到（2.0 x 10^6，{ \pm }1.4 x 10^6，0.716-0.909）。该系统配备了气泡喷射器，温度控制，皮肤摩擦阻力传感器，和几个本地传感器研究湍流单相和两相流。内圆筒测力传感器通过扭矩测量检测皮肤摩擦阻力。透明的丙烯酸外筒允许液体流动和分散相（气泡、颗粒、纤维等）的动力学。在间隙内部，使用专门的局部传感器和非侵入式光学成像技术进行研究。该系统允许在高雷诺数制度的泰勒-库埃特流的研究，和背后的皮肤摩擦阻力改变由于气泡注射，聚合物注射，和表面疏水性和粗糙度的机制。
2011-02-23 physics.flu-dyn
Enhanced azimuthal rotation of the large-scale flow through stochastic cessations in turbulent rotating convection with large Rossby numbers
本文给出了在前所未有的大Rossby数范围1<Ro<314内，湍流旋转对流大尺度环流（LSC）的方位角取向θ（t）和热振幅δ（t）的测量结果。θ（t）的结果表明，在整个Ro范围内，LSC流沿逆行方向持续旋转。对于10<Ro<70，旋转速度比保持恒定的0.13（${\pm}$ 0.01），但是当Ro>70时，旋转速度比开始随着Ro的增加而增加。我们确定的机制，通过它的平均逆行旋转速度可以增强随机cessations在弱科里奥利力的存在下，并表明，低维，随机模型提供了预测所观察到的大规模流动动力学和解释其逆行旋转。
2016-09-12 physics.flu-dyn
Spectral Modeling of Rotating Turbulent Flows
我们测试了旋转湍流的亚网格尺度谱模型对直接数值模拟。泰勒-格林强迫在大尺度的特殊情况下被认为是，一种配置，模仿两个反向旋转的磁盘之间的流动，经常在实验室中使用。我们进行计算中存在的适度旋转下降到Rossby数为0.03，可以在地球大气和海洋中遇到的。我们提供了几个经典的措施的各向异性程度的小规模的研究中的流量，并得出结论，各向同性模型可能足以在中等Rossby数。先前开发的模型（Baerenzung等人，E 77，046303（2008）），其结合了动态地取决于能谱的惯性指数的涡流粘度以及涡流噪声。我们表明，该模型再现令人满意的所有大规模的直接数值模拟的性能高达雷诺数的顺序为10000和长时间后发病的逆级联的能量在低Rossby数。
2008-12-10 physics.flu-dyn
Passive scalar transport in rotating turbulent channel flow
采用直接数值模拟的方法研究了展向系统旋转条件下槽道湍流中标量输运问题。雷诺数$Re = U_b h/ν$固定为$20\,000$，旋转数$Ro = 2 Ωh/U_b$在0至1.2之间变化，其中$U_b$是整体平均速度，$h$是半通道间隙宽度，$Ω$是旋转速率。标量值是恒定的，但在两个壁不同，导致稳定的标量输运通过通道。旋转导致不稳定的通道侧具有相对较强的湍流和湍流标量输送，以及稳定的通道侧具有相对较弱的湍流或层流，弱湍流标量输送，但大的标量波动和陡峭的平均标量梯度。在稳定通道侧的某些$Ro$处观察到的不同的顺磁层流模式在标量梯度场中诱导类似的模式。研究的主要结论是，旋转降低了标量和速度场之间的相似性，标量动量输运的雷诺类比不适用于旋转湍流槽道流。这是由速度和标量波动之间的相关性降低，并强烈减少湍流普朗特数小于0.2的不稳定通道侧远离壁在较高的$Ro$。在不稳定通道一侧，标量尺度变得比湍流尺度更大，根据光谱和湍流标量通量矢量变得更一致的平均标量梯度由于旋转。预算中的标量能量和标量通量的控制方程，以及其他相关的湍流建模统计。
2017-10-30 physics.flu-dyn
Interactions between two adjacent convection rolls in turbulent Rayleigh-Benard convection
本研究通过带隔墙的双立方腔体湍流Rayleigh-Bénard对流实验，结合基于温度湍流扩散的随机常微分方程模型，揭示了相邻对流卷同向/反向旋转态的稳定机制及自发切换规律，表明宏观热扩散率同时调控卷间相互作用。
2023-06-12 physics.flu-dyn
Enhancing large-scale motions and turbulent transport in rotating plane Poiseuille flow
根据大尺度羽流的特性，提出了一种喷射/抽吸控制策略，以增强羽流的强度和被动标量在旋转平面Poillille流中的湍流输运。该控制在稳定侧保持经典的非穿透条件，在不稳定侧规定展向变化的壁面法向速度。直接数值模拟结果表明，在中等转速下，极弱的喷射/抽吸（控制侧的均方根速度低于本体平均速度的$1\%$）和适当分布的狭缝可以显著增强与喷射狭缝具有相同空间分布的大尺度羽流。另外，增加羽流间距，可以提高湍流输送效率。因此，考虑到强度和传输效率，喷射槽之间的距离应略大于羽流之间的固有距离，以实现最大的湍流传输增强。为了比较，在不稳定侧和稳定侧的喷射/抽吸的非穿透条件下的控制也进行了仿真研究。结果表明，相对于不稳定侧，稳定侧的喷吸对流动的影响要小得多。这是因为羽流产生在不稳定的一侧，控制羽流的起源更有效。
2022-01-22 physics.flu-dyn
Laboratory Exploration of Heat Transfer Regimes in Rapidly Rotating Turbulent Convection
我们报告在实验室实验中的传热和温度分布测量的快速旋转对流在强烈的热强迫（瑞利数$Ra$高达$\sim 10^{13}$）和前所未有的强大的旋转影响（Ekman数$E$低至$10^{-8}$）下的水。中层高度的垂直温度梯度的测量定量连接到渐近快速旋转对流的数值模型的预测，分离各种流动现象。过去的渐近简化模型的有效性的限制，我们发现新的行为在一个政权，我们称之为旋转影响的湍流，旋转是重要的，但不占主导地位，因为在已知的地转湍流制度。在这种新的状态下，温度梯度坍缩成瑞利数标度为$Ra^{-0.2}$。它是有界的从上面的临界对流Rossby数$Ro^*=0.06$独立域纵横比$Γ$，清楚地区分它从充分研究的旋转影响的对流。
2020-09-17 physics.flu-dyn
Inverse centrifugal effect induced by collective motion of vortices in rotating turbulent convection
当流体系统经受强旋转时，预期离心流体运动，即，较重（较轻）的流体从（朝向）旋转轴向外（向内）移动。在这里，我们证明，无论是实验和数值模拟，存在一个意想不到的向外运动的温暖和较轻的旋涡旋转湍流对流。当离心浮力足够强，在涡度场中引起涡破裂时，这种异常涡运动发生在快速旋转下，即，冷反气旋的涡度大于暖气旋。我们表明，通过流体动力学相互作用的人口稠密的旋涡可以自聚集成相干集群，并表现出集体运动在这种流动制度。有趣的是，在一个集群内的涡速度波动的相关性是无标度的，与相关长度约为30%的集群长度。这种长程相关导致气旋的集体向外运动。我们的研究为自然界中广泛存在的涡旋动力学提供了新的认识。
2020-10-29 physics.flu-dyn
Boundary zonal flows in rapidly rotating turbulent thermal convection
最近，在Zhang et al.（2020）中，发现在细长圆柱形容器中的快速旋转湍流Rayleigh-Bénard对流（RBC）中，（直径与高度的纵横比为$Γ=1/2$），填充小普朗特数流体（$Pr \approx0.8$）时，大尺度环流（LSC）被抑制，边界纬向流（BZF）在侧壁附近发展，其特征在于温度的双峰PDF、气旋性流体运动和流型的反气旋漂移（相对于旋转框架）。对于$Pr < 1$，该BZF携带不成比例的总热传递量（$>60\%$），但对于较大的$Pr$，该BZF相当突然地减小至约$35\%$。在这项工作中，我们表明，BZF是强大的，并出现在快速旋转的湍流红细胞在不同的$Γ$的容器和广泛的$Pr$和$Ra$。对$0.1 \leq Pr \leq 12.3$、$10^7 \leq Ra \leq 5\times10^{9}$、$10^{5} \leq 1/Ek \leq 10^{7}$和$Γ$ = 1/3、1/2、3/4、1和2的直接数值模拟表明，BZF宽度$δ_0$与瑞利数$Ra$和埃克曼数$Ek$成比例，为$δ_0/H \sim Γ^{0} \Pr^{\{-1/4, 0\}} Ra^{1/4} Ek^{2/3}$（${Pr<1, Pr>1}$），漂移频率为$ω/Ω\sim Γ^{0} Pr^{-4/3} Ra Ek^{5/3}$，其中$H$是细胞高度，$Ω$是角旋转速率。…
2021-03-08 physics.flu-dyn
Finite-size effects lead to supercritical bifurcations in turbulent rotating Rayleigh-Bénard convection
在纵横比为Γ= D/L（D为直径，L为高度）的圆柱形样品中的湍流热对流中，当样品绕其垂直轴旋转时，努塞尔数Nu增加，这是因为形成了埃克曼涡流，该涡流从顶部和底部的热边界层中提取额外的流体。我们从实验和直接的数值模拟表明，增强只发生在一个临界逆Rossby数$1/\Ro_c$，与$1/\Ro_c \propto 1/Γ$的分叉点以上。我们提出了一个Ginzburg-Landau模型，解释了在有限的$1/\Ro_c$作为一个有限尺寸效应的分歧的存在。该模型产生的比例之间的$1/\Ro_c$和$1/Γ$，并与其他几个测量或计算的系统属性。
2011-09-30 physics.flu-dyn
Onset of three-dimensionality in rapidly rotating turbulent flows
本研究针对快速旋转湍流的二维-三维转捩阈值问题，通过对二维湍流基态做线性稳定性分析、借助GPU实现高雷诺数参数扫描，揭示了不同雷诺数区间的两类失稳机制。
2021-01-08 physics.flu-dyn
Rotating Rayleigh-Taylor turbulence
采用Oberbeck-Boussinesq近似，对旋转参考系中的湍流Rayleigh-Taylor系统进行了直接数值模拟。在理论论证的基础上，我们的模拟支持，我们表明，Rossby数随时间的推移而减少，因此，科里奥利力变得更加重要，因为系统的发展，并产生许多影响瑞利-泰勒湍流。我们发现，旋转降低了湍流速度波动的强度，因此温度混合层的增长率。此外，在存在旋转的情况下，发现势能到湍流动能的转换是不太有效的，并且热传递的效率降低。最后，在混合层的演变过程中，我们观察到的气旋反气旋不对称的发展。
2017-05-15 physics.flu-dyn
Suppressing wall modes in confined rotating turbulent convection
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
研究受限旋转湍流对流中壁面模式的抑制问题，通过结合实验与数值模拟，利用环形侧壁屏障控制壁面模式，降低其对热传输等的影响，提高抑制效率，还能诱导二次斜压流，减少侧壁影响进入极端旋转对流状态。
2026-07-08 physics.flu-dyn
Effect of confinement on the transition from 2D to 3D fast rotating flows
本文通过直接数值模拟研究大尺度摩擦约束下快速旋转二维湍流的三维线性失稳，揭示离心型与参数型不稳定性阈值、模态标度及纵横比影响。
2023-05-20 physics.flu-dyn
Recurrent bursts via linear processes in turbulent environments
在地球物理学或天体物理学背景下经常观察到在小尺度湍流波动存在下发生的大尺度不稳定性，但很难在实验室中重现。使用广泛的数值模拟，我们在这里报告强烈的经常性爆发的湍流在平面Poillille流绕展向轴旋转。基于平均流线性不稳定性的一个简单模型可以预测近周期和自持爆发循环的结构和时间尺度。旋转Poiffille流被认为是未来研究强湍流环境中低维动力学的原型。
2014-05-04 physics.flu-dyn
Coherent structure extraction in turbulent channel flow using boundary adapted wavelets
我们提出了一个各向同性的边界适应小波，这是正交的，并产生多分辨率分析的建设。我们分析了在摩擦雷诺数为395时计算的槽道湍流的直接数值模拟数据，并研究了相干涡的作用。涡量小波系数的离散化允许将流动分成两部分，相干涡量和非相干涡量。相干涡量是从它们的少数强小波系数重建的。相干部分的统计，即，能量谱和涡度拟能谱与总流量的统计量接近，而且非线性能量收支得到很好的保持。剩余的不相干部分，由大部分弱小波系数表示，对应于无结构，即，能量均匀分布的噪声样背景流。
2016-07-15 physics.flu-dyn
Condensates in rotating turbulent flows
使用大量的数值模拟，我们研究了三重周期域中旋转湍流的稳定状态，改变Rossby数$Ro$（测量逆旋转速率）和雷诺数$Re$（测量湍流强度）。所研究的流动是由螺旋或非螺旋罗伯茨力维持的，该力沿旋转轴不变。强迫作用在波数$k_f$上，使得$k_fL=4$，其中$2πL$是域的大小。不同的流动行为得到的参数是不同的。在临界旋转速率以上，流动变为准二维，并将能量传递到系统的最大尺度，形成称为凝聚体的大的相干结构。我们研究这些凝聚体的行为和他们的缩放性能接近和远离这个临界转速。接近临界转速时，系统超临界地过渡到凝聚态，表现出在非相干湍流态和凝聚态之间随机振荡的双峰行为。远离临界转速，它表明，两种不同的机制可以饱和的大尺度能量的增长。第一种机制是由于粘性力，类似于二维流中逆叶栅所观察到的饱和机制。第二种机制与粘性无关，依赖于旋转流二维化条件的打破。这两种机制预测不同的缩放相对于系统的控制参数（Rossby和Reynolds），这是测试与目前的数值模拟结果。绘制了$Re,Ro$参数平面中的相空间图。
2017-07-12 physics.flu-dyn
The onset and saturation of the Faraday instability in miscible fluids in a rotating environment
我们调查的影响，旋转的法拉第不稳定性的发病和饱和的垂直振荡的两层混溶流体使用的理论模型和直接数值模拟（DNS）。我们的分析方法利用Floquet分析来解决一组从线性稳定性分析得到的Mathieu方程。Mathieu方程的解在三维稳定图中包含稳定区、调和区和次调和不稳定区。我们发现，科里奥利力稳定的流动和延迟的次谐波不稳定性的发病负责湍流混合在较低的强迫振幅。然而，在较高的强迫振幅下，流动的能量足以减轻旋转的稳定效应，并且湍流混合区的演化在旋转和非旋转环境中是相似的。这些结果证实了DNS在不同的科里奥利频率和强迫振幅。我们还观察到，对于$\left(f/ω\right)^2<0.25$，其中$f$是科里奥利频率，$ω$是强迫频率，不稳定性和湍流混合区的大小- $L$饱和。当$\left(f/ω\right)^2\geq0.25$时，湍流混合区尺寸- $L$永远不会饱和并继续增长。
2022-07-27 physics.flu-dyn
Rotating Turbulent Thermal Convection and Solar Differential Rotation
旋转流体的膨胀将改变膨胀区域的涡量和转速。在湍流热对流中，这种微观效应得以保留。对流体胶束的跟踪表明，平均涡量随密度变化，产生从低密度区到高密度区的涡量输运和角动量输运，形成宏观涡量差和转速差。取太阳极区的轴向热对流模型，可以产生轴向差旋转，轴向差旋转产生的离心力差驱动纬向环流，将角动量输离旋转轴，形成纬向差旋转。流体胞的旋转产生额外的压力并改变对流准则。太阳对流层的温度梯度比非旋转流体模型中的温度梯度大，是太阳差动旋转的能量来源。
2023-01-01 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Transition between advection and inertial wave propagation in rotating turbulence
在受到强背景旋转的湍流中，湍流的平流机制被惯性波的传播所取代，因为旋转的影响变得占主导地位。虽然这一机制已在实验中得到证实，但这两种机制之间的过渡条件尚不清楚。我们解决这个问题的实验跟踪湍流前远离固体壁射流进入一个否则静止的流体。在没有背景旋转的情况下，该装置产生湍流锋，其位移恢复了经典的振荡网格获得的$z(t)\sim t^{1/2}$定律，并且我们进一步建立了相关传输机制的尺度独立性。当设备以垂直于流体注入的壁的恒定速度旋转时，不仅湍流前沿变得主要由惯性波传输，而且平流本身也由于这些波的传播引起的局部动量不足而被抑制。湍流锋位移的逐尺度分析表明，平流和传播之间的过渡在空间和光谱上都是局部的，并且发生在基于所考虑尺度的Rossby数为1时，或者等价地，当惯性波的尺度相关群速度与局部平流速度相匹配时。
2019-12-23 physics.flu-dyn
Velocity profiles of cyclones and anticyclones in a rotating turbulent flow
强烈的旋转使潜在的湍流准二维的，导致高档的能量传递。最近的数值模拟表明，在某些条件下，能量在系统的最大尺度上积累，形成被称为凝聚物的相干涡旋结构。我们解析地描述了弱的小尺度湍流脉动的强凝聚的相互作用，并获得一个方程，使我们能够确定的径向速度分布$U(r)$的相干涡。当外旋快时，气旋和反气旋的速度分布是彼此相同的，并且可以很好地用$U(r) \propto \pm r \ln (R/r)$相关性来描述，其中$R$是涡旋的横向尺寸。随着外旋的减小，这种对称性消失：与反气旋相比，气旋中的最大速度更大，最大值的位置更接近涡旋的轴。此外，我们的分析表明，反气旋的大小$R$不能超过某一临界值，这取决于Rossby数和雷诺数。在相同条件下，旋风分离器的最大尺寸仅受系统尺寸的限制。我们的预测是基于湍流脉动的相干涡流的背景下的线性演化，并伴随着从非线性纳维-斯托克斯方程以下的估计。
2021-04-20 physics.flu-dyn
Connections between Non-Rotating, Slowly Rotating, and Rapidly Rotating Turbulent Convection Transport Scalings
浮力驱动的对流很可能是宇宙中湍流运动的主要驱动力，因此被物理学家，工程师，天文学家和天体物理学家广泛研究。也许并不奇怪，这些不同的社区以不同的方式讨论总的对流行为，通常没有显着的串扰存在于他们之间。在这里，我们试图在这些社区之间建立联系。我们这样做是通过进行一组基本规模的估计，热量和流体动量输送应如何表现在非旋转，缓慢旋转和快速旋转浮力驱动的对流环境。我们发现，缓慢和快速旋转缩放可以通过一个参数，所谓的对流Rossby数$\RoC$，无耗散参数测量浮力驱动相对于旋转的重要性相互关联。此外，我们映射之间的非通量为基础的和通量为基础的，浮力驱动的缩放使用不同的群体。在这样做的过程中，这些缩放显示出不同社区的方法之间存在清晰的联系，并且一些看似不同的缩放实际上是彼此同义的。
2020-09-07 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Boundary layers in rotating weakly turbulent Rayleigh-Benard convection
采用直接数值模拟的方法，研究了在较低Rayleigh数（即$Ra = 4\times10^7$）下，旋转对Rayleigh-Benard（RB）系统中边界层的影响，并与层流边界层理论进行了比较.在这个制度中，我们发现一个平稳的开始的传热增强的功能，增加转速。我们详细研究了这一制度，并介绍了一个模型的基础上的Grossmann-Lohse理论来描述的传热增强作为旋转速率的函数，这个相对较低的Ra数制度和弱背景旋转$Ro\gtrsim 1$。这里观察到的传热增强的平稳开始与Stevens { \it{et al.} }在较大的$Ra \gtrsim 10^8$处观察到的急剧开始形成对比[Phys. Rev. Lett. { \bf{103} }，024503，2009]，尽管仅涉及Ra-Ro-Pr相空间中的小位移。
2010-02-20 physics.flu-dyn
Transitions in turbulent rotating Rayleigh-Bénard convection
对无滑移和自由滑移边界条件下的旋转Rayleigh-Bénard对流进行了数值模拟。我们的目标是找到一个标准区分对流为主的科里奥利力从那些几乎不受旋转。如果使用热传递作为流动处于哪种状态的指示器，则发现对于两种边界条件，流动状态之间的过渡总是发生在雷诺数、普朗特数和埃克曼数的某个组合的相同值处。如果在另一方面，一个使用的螺旋度的速度场，以确定流动几乎独立于旋转，一个发现在参数空间中的一个不同的位置的过渡。
2010-06-21 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Statistics and structure of spanwise rotating turbulent channel flow at moderate Reynolds numbers
通过直接数值模拟研究了展向系统旋转条件下充分发展的平面槽道湍流。为了研究雷诺数和展向旋转对通道流动的影响，雷诺数$Re = U_b h/ν$从低3000变化到中等$31\,600$，旋转数$Ro = 2 Ωh/U_b$从0变化到2.7，其中$U_b$是平均体积速度，$h$是通道半间隙，$Ω$是系统旋转速率。在较高的$Re$下，平均流向速度剖面也呈现出与$2 Ω$相近的斜率特征线性部分，湍流动能产生率和耗散率剖面也出现相应的线性部分。随着$Ro$的增加，通道中出现了具有大的展向和壁面法向雷诺应力的明显不稳定侧和具有弱得多的湍流的稳定侧。流动开始在通道的稳定侧重新分层，并且在较高的$Re$下出现持续的顺层模式。如果$Ro$进一步增加，稳定侧的流动将变成层流状，而在更高的$Ro$下，整个流动将重新层化，尽管平静期可能会被反复的湍流爆发所破坏，如Brethouwer（2016）所解释的那样。雷诺数的影响是相当大的，特别是在通道的稳定侧上，其中速度波动更强，并且在较高的$Re$下流动重新层化不太快。可视化和统计表明，在$Ro=0.15$和0.45时，不稳定侧出现大尺度结构和大反向旋转流向滚转胞。当$Ro$升高时，尤其是在较高的$Re$时，这些变化变得不那么明显并最终消失。在高$Ro$时，最大的能量结构在低$Re$时更大。
2017-10-30 physics.flu-dyn
Statistics of turbulent fluctuations in counter-rotating Taylor-Couette flows
本文研究了Taylor-Couette湍流速度脉动的统计特性。在保持泰勒数固定为$1.49 \times 10^{12}$（$\mathcal{O}(\text{Re})=10^6$）的同时改变内筒和外筒的旋转速率。使用激光多普勒测速仪（LDA）测量的流量的方位角速度分量。对于每个实验，获得并仔细分析$5\times10^6$数据点。使用扩展自相似（ESS）\cite{ben93b}的纵向结构函数指数提取，并发现弱依赖于旋转速率的比率。对于只有内筒旋转的情况，结果与Lewis和Swinney \cite{lew99}使用热膜风速仪测量的结果非常一致。功率谱显示出对于中间角速度比$-ω_o/ω_i \in \{0.6, 0.8, 1.0\}$的明显的-5/3标度，对于$-ω_o/ω_i \in \{0.2, 0.3, 0.4, 2.0\}$的大约-5/3标度，并且对于$-ω_0/ω_i = 0$没有发现明显的标度律（仅内部圆柱旋转）;谱的局部标度指数具有强的频率依赖性。我们将这些意见的概率密度函数的方位角速度和存在的中性线的形状。
2013-08-16 physics.flu-dyn
Generation of a large-scale vorticity in a fast rotating density stratified turbulence or turbulent convection
在滞弹性近似下，我们发现了一种不稳定性，这种不稳定性会导致在快速旋转的小尺度湍流或湍流对流中产生大尺度涡量，并且沿旋转轴具有非均匀流体密度。大尺度不稳定导致两种模态的激发：（i）以垂直涡度为主的模态，其平均速度与垂直坐标无关;（ii）以水平涡度为主的模态，其平均动量与垂直坐标无关。在快速旋转的密度分层流体动力学湍流或湍流对流中，可以激发出以垂直涡量为主的模态。对于这种模式，平均熵在气旋性涡旋内部耗尽，而在反气旋性涡旋内部增强。只有在快速旋转的密度分层湍流对流中才能激发出以水平涡为主的模态。发展的理论可能与解释在大行星中观察到的巨大风暴的大斑点的起源有关，例如，木星的大红斑和土星的大斑点。它也可能有助于解释快速旋转的晚型恒星中高纬度斑点的起源。
2019-11-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Some Unusual Properties of Turbulent Convection and Dynamos in Rotating Spherical Shells
旋转球壳中对流流体的动力学在单位阶普朗特数下由微分旋转和滚动状对流涡之间的相互作用所控制。虽然差动旋转是由涡的雷诺应力驱动的，但其剪切作用抑制了对流，并导致局部对流和湍流弛豫振荡等现象。在发电机动作的情况下，系统的响应被丰富。洛伦兹力可以完全或部分地制动地转差旋，并产生两种截然不同的发电机状态。当磁普朗特数为1时，湍流发电机存在双稳性。虽然平均磁能和动能之间的比率相差5倍或更多的两个发电机状态，平均对流热传输几乎相同。它们比没有磁场时大得多。
2009-05-22 physics.flu-dyn physics.space-ph
Bistability and hysteresis of dipolar dynamos generated by turbulent convection in rotating spherical shells
证明了旋转球壳中湍流对流磁流体动力偶极发电机的双稳态和磁滞现象。磁滞出现作为两个不同的制度之间的过渡偶极发电机具有相当不同的属性，包括轴对称极向场分量的幅度的显着差异，并在差分旋转的形式。的双稳态发生从发电机行动的发病高达约9倍的临界值的瑞利数的对流发病和在很宽的范围内的普通和磁普朗特数的值，包括值的统一。
2009-04-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Subcritical turbulent transition in rotating and curved shear flows
本文研究了剪切流中流动旋转和曲率对亚临界湍流转捩的影响。相关的时间尺度的问题被确定为一个层流和偏离层流部分，这是执行旋转平面Couette和泰勒-Couette流的流的分解。同时讨论了这一程序的实用性和相关性。通过比较自持过程的时间尺度的时间尺度以前确定的，一个解释带来光的行为的过渡雷诺数与旋转数和相对间隙宽度在整个邻域（在参数空间）的非旋转平面Couette流覆盖的可用数据。
2005-09-19 astro-ph physics.flu-dyn
Transition to inverse cascade in turbulent rotating convection in absence of the large-scale vortex
本研究通过数值模拟发现，在无大尺度涡旋时，旋转湍流对流中向逆级联的转变由不连续变为连续，表明LSV与背景湍流的相互作用是导致间断性的原因。
2025-09-29 physics.flu-dyn
Direct measurement of energy transfer in strongly driven rotating turbulence
本研究通过向强驱动旋转湍流中短暂突增能量注入的方式，在实空间、频域、波数空间三个域测量能量传递规律，发现惯性波在该体系能量逆级联中起关键作用，相关结果有别于弱驱动湍流的已有结论。
2024-04-30 physics.flu-dyn
Quantification of the strength of inertial waves in a rotating turbulent flow
通过研究周期性盒子中三维数值模拟中各个傅立叶模式的波数、频率能量谱和时间关联函数，定量分析了旋转湍流中波的强度及其对能量级联的影响。从频谱中，我们发现，一个显着的部分的能量集中在波频率$ω\approx 0$的模式，即使当外部强迫注入没有能量直接进入这些模式。然而，对于惯性波的周期$τ_ω$快于翻转时间$τ_\textrm{NL}$的模式，剩余能量的显著部分集中在满足波的色散关系的模式中。没有证据表明，在模式与$τ_ω= τ_\textrm{NL}$的能量积累被观察到，不像什么临界平衡参数预测。从时间关联函数，我们发现，模式与$τ_ω< τ_\textrm{sw}$（与$τ_\textrm{sw}$的扫描时间）的主要去相关时间是波周期，这些模式也表现出较慢的调制的时间尺度$τ_\textrm{NL}$波湍流理论中假设的。其余的模式与扫描时间去相关，包括具有$ω\approx 0$的非常活跃的模式。
2014-02-28 physics.flu-dyn
Turbulent rotating convection confined in a slender cylinder: the sidewall circulation
最近的研究旋转瑞利-贝纳德对流在高转速和强热强迫的总热输运之间的显着差异的实验在一个封闭的圆柱形域的一方面和模拟的横向无约束的周期性域的另一方面。本文解决了这种差异，使用直接数值模拟的圆柱形域。对流场的分析揭示了壁附近的对流增强区域，即侧壁环流。侧壁环流在圆柱内沿反气旋方向缓慢旋转。它有一个回旋的结构，说明了平均流场的水平横截面的流动，其中瞬时快照的侧壁环流的方向进行补偿，然后平均。通过对侧壁区域和内部整体流动的单独分析，我们发现，对于较高的热强迫值，在侧壁环流区域之外的圆柱形区域的内部的热传输与无约束周期性区域上的热传输一致。因此，侧壁环流占两个考虑域之间的热传递的差异，而在散装的湍流热通量是相同的横向无界的周期性域。因此，实验，其固有的限制，仍然可以提供类似于模拟的无界域的湍流，并在更极端的值的热强迫和旋转的控制参数。我们还提供了实验证据的侧壁环流的存在，是在密切的协议与模拟结果。
2020-01-23 physics.flu-dyn
The boiling Twente Taylor-Couette (BTTC) facility: Temperature controlled turbulent flow between independently rotating, coaxial cylinders
一个新的泰勒-库埃特系统已被设计和建造与精确的温度控制。两个同心的独立旋转圆筒能够以最大速率旋转，内圆筒的最大速率为$f_i = \pm20$ Hz，外圆筒的最大速率为$f_o = \pm10$ Hz。内圆柱体具有$r_i = 75$ mm的外半径，外圆柱体具有$r_o = 105$ mm的内半径，导致$d=30$ mm的间隙。间隙的高度$L =549$ mm，给出$V=9.3$ l的体积。几何参数为$η= r_i/r_o = 0.714$和$Γ= L/d = 18.3$。在室温下以水作为工作流体，可以实现的雷诺数为$\text{Re}_i = ω_i r_i (r_o-r_i)/ν= 2.8 \times 10^5$和$\text{Re}_o = ω_o r_o (r_o-r_i)/ν= 2 \times 10^5$，或者组合雷诺数高达$\text{Re} = (ω_i r_i -ω_o r_o)(r_o-r_i)/ν= 4.8 \times 10^5$。如果工作流体改变为运动粘度为0.42 cSt的氟化液体FC-3284，则组合雷诺数可以达到$\text{Re} = 1.1 \times 10^6$。该设备具有精确的温度控制的外和内圆筒分开，并完全从侧面和顶部的光学访问。新设备提供了精确研究湍流内沸腾过程及其对流动的影响的可能性。
2016-04-14 physics.flu-dyn
Stability and turbulent transport in rotating shear flows: prescription from analysis of cylindrical and plane Couette flows data
本文提供了一个处方的湍流粘度在旋转剪切流的使用，例如在地球物理和天体物理的背景下。该公式是对泰勒-库埃特流中向湍流转变和湍流输运的几项研究中获得的实验数据进行详细分析的结果。我们首先介绍了一组新的控制参数，动力学的基础上，而不是几何的考虑，使分析更自然地适用于旋转剪切流一般，而不仅仅是泰勒-库埃特流。然后，我们调查的过渡阈值在超临界和亚临界政权，以提取其一般依赖于控制参数。对平均剖面的检查为我们提供了一些关于平均与层流剪切比的一般性提示。然后检查的扭矩数据允许我们提出一个分解的扭矩依赖于控制参数的两个方面，一个完全由测量的情况下，外圆柱体是在休息，另一个是一个通用的功能，这里提供的实验拟合。由此得到了湍流粘性的一般表达式，并与文献中已有的公式进行了比较。最后，在所有的文件，我们讨论了额外的影响，如分层或磁场。
2011-06-07 astro-ph.HE physics.flu-dyn
Dynamics and Statistics of Reorientations of Large-Scale Circulation in Turbulent Rotating Rayleigh-Bénard Convection
采用直接数值模拟方法研究了单位长宽比圆柱体中空气（$Pr=0.7$）湍流旋转瑞利-贝纳德对流（RRBC）中大尺度环流（LSC）重定向的动力学和统计特性.对于两个不同的瑞利数$Ra=2\times10^6$和$2\times10^7$，考虑了宽范围的旋转速率（$0\leq Ro^{-1}\leq 30$）。使用傅立叶模式分析的时间序列数据从不同的探头放置在方位角方向的容器中的中平面，LSC的取向和相关的动态的特点。第一傅立叶模的振幅量化了LSC的强度，其相位$Φ_1$给出了LSC的方位信息。基于傅立叶模式中包含的能量，不同的流态被识别为旋转速率是不同的对于给定的瑞利数。在低旋转区域（$Ro^{-1} \lesssim 1$）观察到LSC结构。观察到LSC结构的取向与传热和边界层动力学之间的强相关性。在LSC制度下，耗散率遵循对数正态行为，而在较高的旋转速率，明显偏离对数正态。不同类型的重定向，即旋转主导，终止主导，部分和完全逆转。LSC取向变化的分布遵循幂律行为，如$P(|ΔΦ_1|) \propto |ΔΦ_1|^{-m}$，指数为$m\approx 3.7$。此外，连续重定向之间的时间间隔的统计遵循泊松分布。这些观察结果与早期的实验结果吻合得很好。
2019-03-07 physics.flu-dyn
Measurement of angular momentum transport in turbulent flow between independently rotating cylinders
我们提出了测量的角动量通量（扭矩）在泰勒-库埃特流动的水独立旋转的圆柱之间的$\(Ω_1, Ω_2\)$参数空间的所有区域在高雷诺数，其中$Ω_1$ $\(Ω_2\)$是内（外）圆柱角速度。我们发现，Rossby数$Ro = \(Ω_1 - Ω_2\)/Ω_2$完全确定的状态和扭矩$G$相比，$G(Ro = \infty) \equiv \Gi$。比率$G/\Gi$是参数空间的四个部分中的$Ro^{-1}$的线性函数。对于具有径向增加的角动量的流动，我们测量的扭矩大大超过先前实验的扭矩[Ji \textit{et al.}，Nature，\textbf{444}，343（2006）]，但与Richard和Zahn的分析一致[Astron. Astrophys.，\textbf{347}，734（1999）]。
2010-11-15 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Turbulent boundary layers altered by passively rotating discs
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）；The University of Sheffield（谢菲尔德大学）
研究摩擦雷诺数880 - 1460的湍流边界层流过被动旋转圆盘以减阻，测试表面由交错圆盘组成，分析发现虽与圆盘部件相互作用使阻力增加，但隔离圆盘运动影响后有3%减阻，还利用恒等式及测速法揭示相关流动效应及减阻机制。
2026-07-16 physics.flu-dyn
The spatio-temporal spectrum of turbulent flows
在湍流研究中，识别和提取无组织流动中的涡结构和波是一个主要的挑战。本文研究了不同回复力作用下湍流的时空行为。我们展示了如何计算和分析的时空谱数据来自数值模拟和实验室实验。四种情况下被认为是：均匀和各向同性湍流，旋转湍流，分层湍流，水波湍流。对于均匀和各向同性湍流，频谱允许识别大尺度流的扫掠。对于旋转和分层湍流，频谱允许识别波，精确量化波和湍流涡流中的能量，并识别关键层中的多普勒频移和波吸收等物理机制。最后，在水波湍流的频谱显示从重力毛细波的束缚波的强迫的振幅增加的过渡。
2015-11-06 physics.flu-dyn
The conditional Lyapunov exponents and synchronisation of rotating turbulent flows
本文数值研究了周期盒子中旋转湍流的主从耦合同步，发现同步阈值$k_c$强烈依赖强迫方案，并揭示了条件Lyapunov指数与Lyapunov向量能谱在同步机制中的关键作用。
2023-12-29 physics.flu-dyn
Multi-scale Reconstruction of Turbulent Rotating Flows with Generative Diffusion Models
针对旋转湍流二维切片的空间缺失重构问题，论文比较RePaint、Palette两类扩散模型与GAN，发现Palette在逐点和统计指标上表现最佳，并支持概率重构与不确定性量化。
2023-12-18 physics.flu-dyn
The role of Stewartson and Ekman layers in turbulent rotating Rayleigh-Bénard convection
当经典的瑞利-贝纳德（RB）系统绕其垂直轴旋转时，大致可以识别出三种状态。在弱旋转区，大尺度环流（LSC）是环流的主要特征。在制度II（中等旋转）的LSC被取代的垂直排列的旋涡。第三种情况（强旋转）的特点是垂直速度波动受到抑制。利用实验结果和直接数值模拟的RB对流的细胞的直径与高度的纵横比等于一个在$Ra \sim 10^8-10^9$（$Pr=4-6$）和$0 \lesssim 1/Ro \lesssim 25$，我们确定的方位角温度分布在不同的制度在侧壁的特点。在制度I的方位角壁面温度曲线显示出余弦形状和垂直温度梯度，由于羽流的旅行与LSC靠近侧壁。在第二和第三制度，这种余弦曲线消失，但垂直壁面温度梯度仍然可以观察到。结果表明，在区域II和III中的垂直壁面温度梯度与区域I中观察到的垂直壁面温度梯度具有不同的起源。这是由于旋转流的边界层动力学特性引起的，旋转流驱动二次流，二次流将热流体沿容器下部的侧壁向上输送，将冷流体沿容器顶部的侧壁向下输送。
2011-09-30 physics.flu-dyn
Direct numerical simulations of turbulent mixing driven by the Faraday instability in rotating miscible fluids
采用直接数值模拟（DNS）方法研究了旋转对由法拉第不稳定性引起的两种小密度混溶流体湍流混合的影响。通过不可逆混合速率$\mathcal{M}$，我们量化了描述可用势能（APE）向背景势能（BPE）转化的不可逆混合。我们表明，在较低的强迫振幅，湍流动能（$t.k.e.$）增加的科里奥利频率$f$的增加，直到$\left(f/ω\right)^2<0.25$，其中$ω$是强迫频率，在分谐波不稳定相。这种$t.k.e.$的增强归因于更不稳定模式的激发。由于亚谐不稳定相的延长，不可逆混合随着$\left(f/ω\right)^2$的增加而持续一段延长的时间，直到$0.25$，并最终随着不稳定饱和而停止。当$\left(f/ω\right)^2 > 0.25$时，科里奥利力显著延迟了次谐波不稳定性的开始。强旋转效应导致较低的湍流，因为APE的大部分扩展为BPE，减少了APE，其转化回用于$\left(f/ω\right)^2 > 0.25$的$t.k.e.$储层。由于$\left(f/ω\right)^2 > 0.25$的不稳定性从未饱和，APE通过$\mathcal{M}$向BPE的转化仍在继续，我们发现了延长的不可逆混合。在较高的强迫振幅下，旋转的不稳定延迟效应可以忽略不计，湍流强度较小且持续时间较短。因此，对于$\left(f/ω\right)^2<0.25$，不可逆混合现象也很快结束…
2023-03-07 physics.flu-dyn
The onset of turbulent rotating dynamos at the low $Pm$ limit
我们表明，在低磁普朗特数$Pm$限制（即$Pm = Rm/Re \ll 1$）的湍流非螺旋发电机的临界磁雷诺数$Rm_c$可以显着降低，如果流提交到全球旋转。即使对于中等的旋转速率，所需的能量注入速率也可以减小到大于$10^3$的系数。这种强烈的减少的开始是由于减少的湍流波动，使流有一个更大的截止长度尺度相比，相同雷诺数的非旋转流。因此，即使在雷诺数的高值下（即，在$Pm$的低值下），发电机也表现得好像是由层流行为（即，高$Pm$行为）驱动的。因此，我们的发现为设计新的液态金属发电机实验提供了一个新的范例。
2017-01-31 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Heat transport measurements in turbulent rotating Rayleigh-Benard convection
我们目前的实验测量湍流瑞利-贝纳德对流与旋转的垂直轴的热传输。流体，即普朗特数（$σ$）约为6的水，被限制在具有7.3 cm $\times$ 7.3 cm和9.4 cm高的正方形横截面的单元中。测量瑞利数$2\times 10^5 <$ Ra $ < 5\times 10^8$和泰勒数$0 <$ Ta $< 5\times 10^{9}$的热传递。我们显示的归一化热输运的变化，努塞尔数，在固定的维旋转速率$Ω_D$，在固定的Ra变化Ta，在固定的Ta变化Ra，并在固定的Rossby数Ro。在$10^7$到大约$10^9$的范围内的热传递的标度大约为0.29，具有Ro相关系数，或者等效地也通过形式为$a Ra^{1/5} + b Ra^{1/3}$的幂律的组合很好地拟合。Ra的范围不足以区分单一幂律或组合幂律缩放。旋转对湍流对流热传输的整体影响进行了评估。
2008-12-01 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Multi-Particle Dispersion in Rotating-Stratified Turbulent Flows
本研究通过直接数值模拟稳定分层Boussinsesq方程，探讨了旋转-分层湍流中Lagrangian粒子对和四面体粒子群的相对运动，发现分层和旋转增强会削弱扩散不可逆性但加剧波动并促进剪切层形成。
2024-10-16 physics.flu-dyn
