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
Double-diffusive convection in a rotating cylindrical annulus with conical caps
双扩散对流驱动的热浮力和组成浮力在旋转的圆柱形环与圆锥形帽被认为是与目的建立是否一小部分的组成浮力添加到热浮力（反之亦然）可以显着降低临界瑞利数和放大行星核心的对流。它示出的中性表面描述的双浮力的情况下，对流的发病是本质上不同的研究的纯热的情况下，确实允许低瑞利数对流的可能性。特别是，孤立的岛屿的不稳定性形成的一个额外的“双扩散”本征模在某些区域的参数空间。然而，这种低瑞利数对流的振幅是相对较弱的。在类似的流量振幅纯成分和双扩散的情况下，其特征在于由一个更强的时间依赖性相比，纯热的情况下，和由一个canderde平均纬向流附近的内圆柱表面。行星核心对流的结果的影响进行了简要讨论。
2011-04-20 physics.flu-dyn physics.geo-ph
The combined effects of shear and buoyancy on phase boundary stability
本文研究了外加剪切力和浮力驱动流对固液界面稳定性的影响。通过重新分析Gilpin \emph{et al.} [ \emph{J. Fluid Mech.}，{ \bf 99}（3），619（1980）]的数据，我们表明他们的实验中观察到的冰水界面的不稳定性受到浮力效应的影响，并且他们的速度测量结果可以更准确地用Monin-Obukhov理论描述。的线性稳定性分析的剪切和浮力驱动的熔体流在其固相表明，浮力是唯一的不稳定因素，并在这里的剪切流的制度，通过抑制垂直运动，因此向上的热通量，稳定系统。它还表明，所有的扰动的固体-液体界面衰减在一个非常温和的强度的剪切流。然而，在更大的剪切力下，流动不稳定性与浮力相结合可能会增强垂直运动，可能会出现再入不稳定性。
2018-10-30 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
Abyssal Slope Currents
研究通过多洋盆真实模拟与西地中海分析，揭示深海斜坡顺行流及其边界层跨等密度面输运机制，并提出新的一维地形旋转层结斜坡底边界层模型。
2025-02-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Anomalous vortex motion induced by asymmetric vorticity distribution in rapidly rotating thermal convection
在旋转Rayleigh-Bénard对流中，柱状涡以随机方式水平平流。当存在离心浮力时，涡流表现出径向运动，可以通过Langevin型随机模型来解释。令人惊讶的是，在离心占主导地位的流动制度，这是众所周知的离心效应相反，观察到的旋风异常向外运动。我们将这种现象解释为离心浮力引起的涡的数量和涡度的破缺。因此，气旋服从强反气旋主导的集体涡旋运动。我们的研究为广泛存在于许多自然系统中的涡旋运动提供了新的认识。
2019-07-09 physics.flu-dyn
Polarity transitions induced by symmetry-breaking outer boundary heat flux in rapidly rotating dynamos
Centre for Earth Sciences, Indian Institute of Science（印度科学学院地球科学中心）
通过解析和数值方法，研究了外边界赤道反对称热通量横向变化在快速旋转发电机极性转变中的作用，发现该不对称性通过抑制慢速磁-阿基米德-科里奥利波诱导极性转变，而对称变化则不引起转变。
2026-03-17 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Statistics of temperature fluctuations in a buoyancy dominated boundary layer flow simulated by a Large-eddy simulation model
利用大涡模拟（LES）研究了大气对流边界层中的温度脉动。尽管温度波动的动力学的非平凡性，我们的数据支持的想法，最相关的统计特性可以捕获的两个标度指数，表征整个混合层。这样的指数控制由距离${\bm r}$分开的点之间的等时间温度差$Δ_r θ$的概率密度函数的渐近（即核心和尾部）重新缩放特性。还提供了大的温度波动的统计特性和托管这种波动的集合的几何特性之间的联系。最后，我们的新发现的亚网格尺度参数化对流边界层的温度场的问题的可能应用进行了讨论。
2002-02-18 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
First-order buoyancy correction of modal instabilities in stratified boundary layers
该研究提出了一种框架，用于在层化边界层中考虑浮力对模态不稳定性的一阶修正，揭示了浮力在不同流体和条件下的稳定或不稳定作用。
2025-11-26 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Logarithmic profiles of velocity in stably stratified atmospheric boundary layers
VonKármán在近壁区湍流剪切流动中首次提出的普适速度对数定律是湍流理论的基石之一。当浮力效应很重要时，根据莫宁-奥布霍夫相似性理论（MOST），普遍认为速度对数定律通常会预锻，该理论已被用于几乎所有的全球天气和气候模式，以描述平均速度廓线对大气边界层浮力的依赖性。在对比MOST，我们提出了新的对数分布的近壁平均速度在稳定分层的大气边界层的基础上直接数值模拟和现场观测在很大范围内的浮力效应。我们发现，浮力不改变对数性质的速度分布，而是修改斜率的日志法在稳定的分层条件。
2022-09-15 physics.flu-dyn
Turbulence and heat transfer on a rotating, heated half soap bubble
我们使用直接数值模拟来研究二维流动的旋转，半肥皂泡，在其赤道加热。加热产生浮力，旋转在流体中产生科里奥利力。然而，由于气泡的弯曲表面，浮力和科里奥利力随气泡上的纬度而变化，从而产生丰富的流动行为。我们首先探讨的单点特性的流量，包括雷诺数和努塞尔数，平均场，雷诺应力，所有作为纬度的函数。对于一个给定的瑞利数，我们观察到的Rossby数Ro的非单调依赖性，和大规模的平均循环，旋转的强烈影响。然后，我们考虑的数量，揭示了多尺度性质的流动，包括频谱和频谱通量的动能和热能，拟能，速度和温度的结构函数。通量表明，只是一个平面上的非浮力二维湍流，有一个高档通量的动能在较大的尺度（美联储在较小尺度的湍流动能的浮力注入），和一个小尺度通量的涡度拟能。在旋转效应较弱的尺度上，用Bolgiano-Obukhov（BO）标度可以很好地描述动能谱和速度结构函数.温度结构函数不，然而，满足BO标度一般，由于在温度场的强不稳定性。
2020-11-18 physics.flu-dyn
The combined effects of buoyancy, rotation, and shear on phase boundary evolution
我们使用高分辨率的数值模拟来研究浮力，压力驱动的剪切和旋转的熔融速率和形态上的一层纯固体覆盖其液相在三维瑞利数$Ra = 1.25 \times 10^5$的综合影响。在热对流过程中，我们发现，固相的熔化率的变化与施加的剪切流的强度非单调。在没有旋转的情况下，取决于是否浮力或剪切占主导地位的流动，我们观察到无论是圆顶或脊排列在剪切流的方向分别。此外，我们表明，相边界的几何形状有重要的影响，在液体层中的热通量的大小和演变。在存在旋转的情况下，旋转的强度由Rossby数Ro表征，我们观察到，当Ro = O（1）时，内部的平均流垂直于恒定的水平压力梯度的方向。随着该压力梯度的大小的增加，固液界面的几何形状从旋转对流熔化的空隙特征演变为垂直于或倾斜于压力梯度方向的凹槽。
2022-05-04 physics.flu-dyn
Buoyancy effects on film boiling heat transfer over a sphere at low velocities
本文建立了垂直向下运动的加热球在水中强制对流膜沸腾现象的理论模型。前所未有的以前的分析研究，该模型占浮力的影响，同时解决的动量，能量方程在气相中获得的速度，和温度分布的蒸汽边界层厚度。为了计算蒸气边界层厚度，在蒸气-液体界面处应用能量平衡。液体绕球体的流动被认为是由势理论控制的，然后求解液体中的能量方程以获得已知的速度分布。我们发现，蒸汽边界层厚度增加的球体，和散装水的温度，并在自由流速度的降低。这进一步导致膜沸腾传热系数的降低。本研究的结论是，在低自由流速度（$< 0.5$ m/s）的浮力成为显着的延迟分离，当速度进一步降低的分离角接近$180^{\circ}$。
2021-10-14 physics.flu-dyn
On the logarithmic profile of temperature in the atmospheric convective boundary layers
有壁面的湍流在自然界和工程系统中广泛存在，例如地球表面附近的空气流动、河流中的水流以及汽车或飞机周围的流动。VonKármán于1930年提出的壁面约束湍流中的普遍对数速度剖面是湍流的少数几个精确物理描述之一。然而，当存在浮力效应时，该通用测井定律不能充分描述平均速度和温度分布。Monin-Obukhov相似理论（MOST）于1954年提出，是解释浮力效应和描述大气边界层的基础理论。MOST已被用于几乎所有的全球天气、气候和水文模式，以描述平均速度、温度和标量廓线对浮力的依赖关系。根据MOST，随着浮力效应变得重要，对数温度分布图被打破。相比之下，在这里我们表明，这个长期存在的MOST理论不适用于温度。我们提出了一个新的理论，近壁温度的对数分布，纠正MOST陷阱，并支持高分辨率的直接数值模拟和对流大气边界层的实地观测。浮力效应不会改变对数性质，而是与通用的冯卡门斜率相比，调制温度曲线的斜率。新的公式具有广泛的应用，例如在气候模型中，拟议的新温度记录法应导致更真实的大陆表面温度，这受到浮力的强烈影响。
2020-02-22 physics.flu-dyn
The vertical velocity skewness in the atmospheric boundary layer without buoyancy and Coriolis effects
本文利用高雷诺数风洞和水槽实验，在无浮力和科里奥利效应条件下探究了近中性大气边界层中垂直速度偏度$Sk_w$的垂直变化，并通过诊断与预报模型解释了通量-梯度关系的失效及修正，首次揭示了其协谱特性。
2024-08-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Compressibility Effects on the Linear-stability of Centrifugal Buoyancy-induced Flow
本研究的重点是了解旋转系统中离心浮力引起的流动不稳定性的演变。这个问题在大气流动和工程应用中都很有意义。在这项研究中，我们进行直接数值模拟（DNS）通过求解可压缩纳维-斯托克斯方程和多维稳定性分析，通过使用强制DNS方法。我们系统地和独立地改变瑞利数和马赫数。热传导传热被用作基流，并保持作为参考状态，在此基础上的小扰动的增长进行了研究。据发现，临界波数从线性稳定性分析中获得的对流开始时有一个更短的波长比一个，最终出现在非线性政权。此外，研究表明，可压缩性效应导致的增长率的主导模式的减少，它修改的整体形成的对流细胞在空腔中。
2021-11-13 physics.flu-dyn
Full-scale validation of CFD simulations of buoyancy-driven ventilation in a three-story office building
计算流体动力学（CFD）经常用于支持自然通风建筑的设计;然而，应彻底评估模型的准确性，最好通过全尺寸测量进行验证。本研究的目的是（1）验证瞬态计算流体力学模拟与不确定性量化（UQ）浮力驱动的自然通风对全尺寸实验中的运行中庭建筑，（2）量化的热边界条件的计算流体力学结果的敏感性。UQ和敏感性分析考虑了温度的初始和边界条件的不确定性。考虑到每层的体积平均空气温度，预测和测量吻合良好，误差小于0.3 °C。当考虑每层楼较小区域的平均温度时，可以观察到两种趋势。首先，在不邻近窗户的区域，计算流体动力学和测量之间的差异可以通过边界条件和测量的不确定性来解释。其次，在窗口附近区域，由于窗口下游流入射流的振荡以及CFD模型中的几何简化，观察到更高的差异。灵敏度分析表明，热质量表面温度和室外温度的边界条件对室内空气温度的预测具有主导作用，其相对重要性随靠近窗户的程度而变化。
2022-03-10 physics.flu-dyn
Zonal flow regimes in rotating anelastic spherical shells: an application to giant planets
在巨行星上观测到的表面纬向风形成了一种复杂的喷流模式，具有交替的顺时针和逆时针方向。虽然主赤道带位于气体巨星上，但两颗冰巨星都有明显的逆行赤道喷流。我们使用旋转球壳中的可压缩对流的三维数值模型来探索旋转或浮力主导力平衡的不同制度中的纬向流的性质。我们进行了系统的参数研究，以量化的依赖纬向流的背景密度分层和对流的驱动。我们发现赤道纬向风的方向是由浮力和科里奥利力的比值控制的。在旋转主导的制度中，发现由雷诺应力维持的赤道带。在浮力主导科里奥利力的情况下，每单位质量的角动量是均匀的，赤道带是逆行的，让人想起在冰巨星中观察到的。在这个制度中，纬向射流的振幅取决于背景密度对比与强分层模型产生更强的射流比可比弱分层的情况下。此外，我们的结果可以帮助解释恒星对流区的滞弹性模型中发现的类太阳和“反太阳”微分自转之间的过渡。在强分层的情况下，我们发现，领先的顺序力平衡可以显着变化的深度（旋转为主的内部和浮力为主的薄表层）。这种所谓的“过渡状态”在主赤道急流中有一个明显的特征，它显示出一个明显的凹坑，其中气流振幅朝赤道方向明显衰减。在木星上也观察到类似的凹陷，这表明行星内部的对流可能在这种情况下运作。
2013-02-25 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Asymptotic scaling relations for rotating spherical convection with strong zonal flows
本文通过球壳旋转对流的直接数值模拟，结合渐近理论与应力平衡分析，推导并验证了强纬向流随Ekman数的标度关系，表明粘性在快速旋转对流中仍不可忽略。
2023-08-09 astro-ph.EP physics.flu-dyn
On the Rayleigh--B\' enard convection problem for rotating fluids
本文证明标准Oberbeck–Boussinesq近似无法作为旋转坐标系中Navier–Stokes–Fourier系统的奇异极限获得，挑战了传统热驱动流体模型。
2025-08-04 math.AP physics.flu-dyn
On the Discrete Normal Modes of Quasigeostrophic Theory
准地转理论的离散斜压模态是不完全的，这种不完全性表现为投影过程中的信息损失。斜压模态的不完整性与平坦边界的罗斯贝波问题的两个先前未被注意到的定常阶跃波解的存在有关。当边界浮力梯度消失时，这些阶跃波是准地转波的极限。通过考虑传统的罗斯贝波问题，在上下边界上具有指定的浮力梯度，得到了准地转理论的一个完整的正交模基。这些边界浮力梯度的存在激活了先前惰性的边界自由度。这些罗斯贝波有几个新的属性，如存在多个模式，没有内部零点，有限数量的模式与负范数，和他们的垂直结构形成的基础，能够代表任何准地转状态与可微的级数展开。利用这个完整的基础，我们能够获得一个可微的级数展开的位渦的Bretherton（狄拉克δ贡献）。我们还研究了准地转垂直速度模式，并推导出一个完整的基础，以及这样的模式。这些模式的一个自然的应用是发展一个弱非线性波相互作用理论的地转湍流，考虑到地形。
2021-09-06 physics.ao-ph physics.flu-dyn
From Sheared Annular Centrifugal Rayleigh-Bénard Convection to Radially Heated Taylor-Couette Flow: Exploring the Impact of Buoyancy and Shear on Heat Transfer and Flow Structure
本研究基于ACRBC系统探究浮力与剪切的耦合效应，通过数值模拟划分出三个流动区域并明确边界，揭示剪切可稳定浮力对流及二者复杂耦合机制，为相关研究与设计提供参考。
2023-07-24 physics.flu-dyn
Formation of Thermal Vortex Rings
本文研究均匀浮力下球形区域演化为涡环的过程，发现浮力驱动涡环因底部负涡量而不稳定，并产生开尔文-亥姆霍兹不稳定性；通过涡团法及优化算法降低计算复杂度，并开发新算法解决节点数指数增长问题。
2023-05-11 physics.flu-dyn
The Universal Aspect Ratio of Vortices in Rotating Stratifi?ed Flows: Experiments and Observations
我们验证了一个新的法律在旋转，分层流的旋涡的纵横比$α= H/L$，其中$H$和$L$是垂直半高和水平长度尺度的旋涡。展弦比不仅取决于背景流的科里奥利参数f和浮力（或布伦特-维萨拉）频率$\bar{N}$，还取决于涡流内的浮力频率$N_c$和涡流的罗斯比数$Ro$，使得$α= f \sqrt{[Ro (1 + Ro)/(N_c^2- \bar{N}^2)]}$。$α$的这一定律精确地服从于无粘Boussinesq方程的精确平衡解，我们证明它是我们实验室旋涡的一个有用的模型。这个定律对气旋和反气旋都有效。我们的反气旋是通过将流体注入一个充满线性分层盐水的旋转罐中产生的。涡流远离水箱的顶部和底部边界，因此不存在埃克曼环流。在一组实验中，旋涡粘性衰减，但当它们衰减时，它们继续遵守我们的$α$定律，该定律随时间减小。在第二组实验中，涡流在形成后通过缓慢的连续注入来维持，因此它们的演化更慢，并且具有更大的|Ro|，但它们也遵守我们的$α$定律。$α$的定律不仅得到了我们实验的验证，而且还与大西洋漩涡、木星大红斑和椭圆BA的长宽比观察结果一致。在Hassanzadeh等人（2012）的配套论文中，推导并数值检验了$α$的关系。
2012-03-07 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
The onset of thermo-compositional convection in rotating spherical shells
在旋转球壳中，由热浮力和成分浮力驱动的双扩散对流可以表现出与单扩散系统不同的大量行为。为了了解热扩散系数和成分分子扩散系数的差异如何决定热成分对流的动力学，我们数值研究了双扩散设置中对流不稳定性的线性发作。我们构建了一个替代的等效配方的无量纲方程的线性化双扩散问题是由一个有效的瑞利数，$\text{Ra}$，测量的幅度相结合的浮力驱动，和第二个参数，$α$，测量混合的热和成分的贡献。这个公式是有用的，因为它允许几个极限情况下的分析，并揭示在参数空间中的动力学相似性，这是不明显的，否则。我们分析了在这个$\text{Ra}-α$空间中的临界曲线的结构，解释了在$α$中的渐近行为，惯性和扩散制度之间的过渡，以及大规模（快速漂移）和小规模（缓慢漂移）对流之间的过渡。我们进行这种分析的各种扩散率，旋转速率和壳的长宽比显示在何处和何时发生新的对流模式。
2019-07-02 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Buoyancy driven turbulence and distributed chaos
它示出，使用最近的直接数值模拟，实验室实验和大气测量的结果，浮力驱动的湍流表现出广泛的多样性的类型的分布式混沌与其拉伸指数谱$\exp(-k/k_β)^β$。具有$β= 1/3$的分布混沌（由螺旋度相关积分确定）是稳定分层湍流的最常见特征（由于强螺旋波的存在）。这些波主要支配速度场的垂直分量的谱特性，而水平分量则由弱和强稳定层结（$β=2/3$）的扩散过程支配。对于最后一种情况，低边界的影响可以克服波动效应，并导致速度场垂直分量的$β=1/2$（空间平移对称性的自发破缺-均匀性）。对于Rayleigh-Taylor混合区的不稳定分层湍流，扩散过程（$β=2/3$）是浮力作用下两种流体各向异性混沌混合中最常见的主导过程。强约束条件决定了直立池中Rayleigh-Bénard湍流对流的分布混沌。即：通过有限边界（$β= 1/2$）或通过细胞沿浮力方向的非理想取向（$β=4/7$）自发破坏空间平移对称性（均匀性）。在所有类型的湍流中，惯性尺度范围的出现导致分布混沌和$β=3/5$的变形。
2016-08-01 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
Scaling regimes in spherical shell rotating convection
旋转球壳中的瑞利-贝纳德对流可以被认为是许多天体物理和地球物理流体流动的简化模拟。在这里，我们使用三维直接数值模拟来研究这个物理过程。我们构建了一个数据集的200多个数值模型，涵盖了广泛的参数范围与Ekman数跨越$3\times 10^{-7} \leq E \leq 10^{-1}$，瑞利数范围内$10^3 < Ra < 2\times 10^{10}$和普朗特数单位。我们调查的标度行为的本地（长度尺度，边界层）和全球（努塞尔和雷诺数）的属性在各种物理制度从开始的旋转对流弱旋转对流。接近临界时，对流由粘性、科里奥利力和浮力之间的三重力平衡主导。对于更大的超临界，我们的数值数据的一个子集的渐近无扩散性标度旋转对流$Nu\sim Ra^{3/2}E^{2}$在一个狭窄的分数的参数空间界定的$6\,Ra_c \leq Ra \leq 0.4\,E^{-8/5}$。使用分解成散装和边界层的贡献的粘性耗散率，我们建立了一个理论缩放的流速，准确地描述了数值数据。在快速旋转的湍流对流中，流体体积由科里奥利、惯性和浮力之间的三重力平衡控制，而耗散的其余部分可以归因于埃克曼层中的粘性摩擦。超过$Ra \simeq E^{-8/5}$，对流流动的旋转约束逐渐失去，流动特性发生变化，以匹配旋转主导和非旋转对流之间的状态变化。量$Ra E^{12/7}$为分离旋转和非旋转对流提供了精确的过渡参数。
2016-10-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Penetration of boundary-driven flows into a rotating spherical thermally-stratified fluid
出于地球上的机构内的动力学，我们认为一个旋转的，强烈的热分层流体在一个球壳受到规定的横向不均匀的热通量条件在外边界。使用数值模型，我们探索了广泛的三个关键的无量纲数：热分层参数（相对大小的边界温度梯度施加垂直温度梯度），$10^{-3} \le S \le 10^{4}$，浮力参数（应用边界热通量异常的强度），$ 10^{-3} \le B \le 10^{6}$，和埃克曼数（粘性科里奥利力的比率），$10^{-6} \le E \le 10^{-4}$。我们发现稳定和时间依赖的解决方案，并划定时间制度的边界。我们专注于稳态的解决方案，其中一个明确的过渡被发现之间的低$S$制度，其中浮力占主导地位的动态，和高$S$制度，其中分层占主导地位。对于后一种情况，径向和水平速度分别按$u_r \sim S^{-1}$、$u_h \sim S^{-\frac{3}{4}}\ B^{\frac{1}{4}}$标度，并局限于域外缘深度为$(S\ B)^{-\frac{1}{4}}$的薄层内的边界诱导流。对于地球，如果下地幔的不均匀结构主要是由于化学异常，我们估计，核心是在高$S$制度和稳定的流动所产生的强烈的外边界热异常不能穿透稳定层。然而，如果地幔的不均匀性是由于热异常和热通量的变化是大的，核心将在一个低$S$制度，其中稳定层可能是由边界驱动的流动穿透。
2018-07-19 physics.flu-dyn
Study of the Effect of a Novel Dimensionless Parameter -- the Centrifugal Work Number(CW), on Spanwise Rotating channel Low-speed Compressible Flow
该研究通过理论推导和量纲分析提出新型无量纲参数离心功数(CW)，用于表征旋转通道中离心功与气体焓的比值，并利用大涡模拟验证其对流动状态的影响，从而完善旋转通道可压缩流动的相似理论。
2023-09-17 physics.flu-dyn
Dissolution-driven transport in a rotating horizontal cylinder
Indian Institute of Technology Guwahati（印度理工学院古瓦哈提分校）；Indian Institute of Technology Madras（印度理工学院马德拉斯分校）
研究自然对流与旋转对圆柱体内溶质溶解的影响，探讨不同雷诺数和旋转参数下溶解速率与混合特性，揭示界面对称性破坏与Ra/Ω²的关系。
2025-11-27 physics.flu-dyn
Influence of Aspect ratio in the Convection in Rotating Annulus In the Presence of Localized Heating
School of Artificial Intelligence, Amrita Vishwa Vidyapeetham（阿迈塔维迪亚佩塔姆大学人工智能学院）；Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology（印度理工学院机械工程系）
通过二维轴对称模拟，研究局部加热和均匀冷却的旋转环形腔体中对流，分析长宽比、瑞利数和泰勒数对热传输的影响，发现努塞尔数遵循Ra^{1/4}标度，旋转抑制低Ra下的浮力，增大长宽比增强传热。
2026-06-07 physics.flu-dyn
Shear-driven magnetic buoyancy in the solar tachocline: The mean electromotive force due to rotation
太阳磁周期的主要理论范例是一个$αω$ -发电机过程，其中差动旋转和湍流螺旋流的组合产生了每11年反转一次的大规模磁场。大多数$αω$太阳发电机模型依赖于太阳速跃层中的差异旋转来产生强的环向场。这样的模型中最有问题的部分是通过一个被称为$α$效应的过程产生大尺度极向场。虽然这通常归因于旋转影响下的小尺度对流运动，但这种再生过程的效率受到一些数值模拟的质疑。出于可能的条件内的速跃层，本文的目的是调查的极向场再生的替代机制，即在剪切产生的，旋转的磁性层的磁浮力不稳定性。我们使用一个局部的，完全可压缩的模型，其中施加的垂直剪切风了最初的垂直磁场。磁场最终变得非常不稳定，我们测量由此产生的平均电动势（EMF）。对于足够快的旋转，我们发现，平均电动势的一个重要组成部分是对齐的平均磁场的方向，这是典型的$αω$ -发电机模型的特征。因此，我们的研究结果表明，磁浮力可能直接有助于产生大规模的极向场在太阳。
2023-01-12 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Deep reinforcement learning with spatial and temporal awareness for active boundary control of buoyancy-driven convection
City St George’s – University of London（伦敦城市圣乔治大学）
针对深度强化学习在热对流控制中产生的退化驱动问题，提出结合卷积策略网络、GRU记忆、离策略训练和动作平滑约束的框架，成功实现细胞合并并降低努塞尔数，并在双扩散对流中自适应发现行波驱动。
2026-08-18 physics.flu-dyn
Buoyancy-driven flow through a bed of solid particles produces a new form of Rayleigh-Taylor turbulence
Rayleigh-Taylor流体湍流通过刚性，有限尺寸，球床的高分辨率直接数值模拟（DNS），完全耦合的流体和固相通过一个国家的最先进的浸没边界法（IBM）的装置进行了研究。介质的多孔性揭示了一个完全不同的物理混合过程相比，著名的经典RT混合的现象。对于足够小的孔隙度，混合层的增长率是线性的时间（而不是二次）和速度波动趋于饱和到一个恒定的值（而不是线性增长）。我们提出了一个有效的连续介质模型来充分解释这些结果，其中起源于有限大小的球体的孔隙度由摩擦系数参数化。
2019-02-04 cond-mat.soft 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 energy- and flux budget theory for surface layers in atmospheric convective and stably stratified turbulence
本研究基于布辛涅斯克近似建立大气对流与稳定分层近地面层的EFB湍流闭合理论，揭示近地面层上下部湍流产生机制的差异，推导了可用于建模的多类湍流特征量垂直廓线的理论关系。
2022-06-13 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Toroidal and poloidal energy in rotating Rayleigh-Bénard convection
本文研究了普朗特数为$Pr = 0.8$的流体在纵横比为$Γ= 1/2$的圆柱形胞腔中的旋转Rayleigh-Bénard对流。对瑞利数范围$10^5 \leq Ra \leq 10^9$和逆Rossby数范围$0 \leq 1/Ro \leq 20$进行了直接数值模拟。我们提出了一种方法来捕捉政权过渡的基础上分解的速度场成环形和极向部分。我们确定了四种不同的制度。首先，只要环向能量$e_{tor}$不受旋转影响并且保持等于非旋转情况下的环向能量$e^0_{tor}$，就会出现浮力主导的状态。第二，旋转影响的制度，开始于旋转速率，其中$e_{tor} > e^0_{tor}$和结束于一个关键的逆罗斯比数$1/Ro_{cr}$，这是由环向和极向能量，$e_{tor} = e_{pol}$的平衡确定。第三，旋转占主导地位的制度，其中的环向能量$e_{tor}$大于两者，$e_{pol}$和$e^0_{tor}$。第四，地转湍流制度的高旋转率的环形能量下降到非旋转对流的值以下。
2014-04-30 physics.flu-dyn
The effect of buoyancy driven convection on the growth and dissolution of bubbles on electrodes
提高水电解效率是能量转换的关键，而水电解效率会受到气泡成核和生长的严重影响。在这种结合实验和数值研究，在原位气泡的演变和溶解过程的成像和数值模拟采用浸没边界法进行比较。我们发现，这是至关重要的，包括溶质驱动的自然对流，以代表实验观察到的气泡行为，即使这样的影响通常被忽视的建模工作到目前为止。我们揭示了对流模式如何依赖于电流密度和气泡间距，导致截然不同的气泡生长和收缩动力学。气泡被认为是促进对流不稳定，如果它们的间距是大的（$\geq4$ mm的本条件），而对流的开始被延迟，如果气泡间的距离是较小的。我们的方法和我们的结果可以帮助设计有效的气体析出电极的传质解决方案。
2021-11-27 physics.flu-dyn
Wave reflection and transmission at interface of convective and stably stratified regions in a rotating star or planet
本文用一个简化的模型研究了对流区与稳定层结区（如恒星的辐射层或气态行星的层结层）交界处的波反射和透射。考虑对流区的惯性波和稳定层结区的重力惯性波。我们从极地开始，然后扩展到任何纬度。讨论了六种情况（见表1），在情况2中，两种波在两个区域共存。对于情况2进一步讨论四种配置。计算了波浪反射和透射的角度和能量比。结果表明，波浪的传播和透射取决于浮力频率与旋转频率的比值。在快速旋转的恒星或行星中，波穿过界面传播，入射波的大部分能量被传输到另一个区域，而在慢速旋转的恒星或行星中，波的传输被抑制。
2020-09-02 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Convection in a mushy-layer along a heated wall
受海冰、火山和外太阳系冰冷卫星的糊状区的启发，我们对有界理想糊状区中沿垂直加热壁的边界层对流进行了理论和数值研究。糊状物是由一个多孔的和反应性的二元合金与盐液体的混合物在固体基质中，并在近共晶近似进行了研究。在这里，我们证明了存在的四个区域，并研究他们的行为渐近。从壁的底部开始，这四个区域是（i）各向同性拐角区域;（ii）浮力主导的垂直边界层;（iii）各向同性连接区域;以及（iv）在顶部边界处的水平边界层，其具有强的压力和浮力梯度。从数值模拟的比例与理论预测是一致的。靠近加热的壁，在糊状层的对流是类似的上升浮力羽突然停止在顶部，导致在上部区域，其影响被讨论为一个有效的熔化机制的压力和温度增加。
2021-03-13 physics.flu-dyn
On the emergence of helicity in rotating stratified turbulence
我们进行数值模拟的衰减旋转分层湍流，并显示，在Boussinesq框架，螺旋度（速度-涡度相关性），观察到的超级单体风暴和飓风，是自发创建的，由于浮力和旋转之间的相互作用共同的大规模大气和海洋流。螺旋度产生于涡旋和惯性重力波（惯性和重力具有各自的相关频率$f$和$N$）的联合作用，并且当波足够强时发生。对于$N/f < 3$的螺旋度产生的量是正确的预测准线性平衡方程。在该区域之外，直到本研究中获得的最高雷诺数，即$Re\approx 10000$，螺旋度的产生被发现是持久的$N/f$大$\approx 17$，和$ReFr^2$和$ReRo^2 $分别大$\approx 100$和$\approx 24000$。
2013-01-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Thermal quasi-geostrophic model on the sphere: derivation and structure-preserving simulation
本文由热力旋转浅水方程渐近推导出球面热力准地转模型，给出半直积 Lie–Poisson Hamiltonian 结构，并采用 Zeitlin 矩阵近似与保 Casimir 积分器实现保结构模拟。
2025-08-29 cs.NA math-ph math.MP
Heat transport scaling and transition in geostrophic rotating convection with varying aspect ratio
我们提出了高精度的实验和数值研究的努塞尔数$Nu$的瑞利数$Ra$的功能在地转旋转对流与域纵横比$Γ$从0.4到3.8和埃克曼数Ek从$2.0{\times}10^{-7}$到$2.7{\times}10^{-5}$。热传输数据$Nu(Ra)$揭示了在大的$Ek$上从浮力主导的对流逐渐过渡到地转对流，而随着$Ek$的减小，过渡变得急剧。我们确定的幂律标度的$Nu{\sim}Ra^γ$，并表明，边界流引起显着增强的$Nu$在广泛的地转制度，导致小$Γ$细胞的标度指数$γ$的减少。目前的工作提供了新的见解，在地转对流的热传输标度，并可能解释以前的研究中观察到的差异。
2020-07-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Geometry of shallow-water dynamics with thermodynamics
我们回顾了IL $^0$ PE模型的几何结构，这是一个具有可变浮力的旋转浅水模型，因此有时也称为“热”浅水模型。首先讨论了刚体动力学的欧拉-庞加莱方程和系统的广义哈密顿结构。然后，我们揭示了IL $^0$ PE的类似几何结构。我们特别指出，在忽略磁场（$\vec{\mathrm B} = 0$）和设置$U(ρ,s) = \frac{1}{2}ρs$（其中$ρ$是质量密度，$s$是单位质量熵）的情况下，可以从Morrison和Greene（1980）的系统推导出模型方程及其（Lie-Poisson）哈密顿结构。这些变量分别在IL $^0$ PE中起到层厚度（$h$）和浮力（$\t$）的作用。包括在附录中是一个明确的证明雅可比身份所满足的泊松括号的系统。
2021-06-15 nlin.CD physics.ao-ph physics.flu-dyn
Large-scale dynamics of equatorial thermal spots
A. M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS（A.M.奥布霍夫大气物理研究所）
本研究针对旋转流体薄球层模型，解析求解了赤道热斑的静止与自相似解，发现热斑运动方向取决于形状参数，并揭示了半径演化的幂律标度规律。
2026-09-15 nlin.PS physics.ao-ph physics.flu-dyn
Stochastic mesoscale circulation dynamics in the thermal ocean
与绝热可压缩流体动力学中的类似效应类似，浮力梯度对不可压缩分层流的影响被认为是“热”的。热旋转浅水（TRSW）模型方程包含三个小的无量纲参数。它们是Rossby数、Froude数和浮力参数。在这三个小参数的TRSW模型方程的渐近膨胀导致确定性的热版本的鲑鱼的L1（TL 1）模型和热准地转（TQG）模型，在扩大附近的热准地转平衡之间的流速和梯度的自由表面海拔和浮力。高波数时TQG的线性不稳定性倾向于在小尺度上产生环流。这种高波数不稳定性在许多计算模拟中可能是不可分辨的，但它在小尺度上的存在可能对可分辨尺度上的流体输运有显著贡献。有时，这种效应是通过“动能的随机反向散射”来模拟的。在这里，我们尝试另一种方法。也就是说，我们在模型TRSW/TL 1/TQG的层次结构中模拟“随机运输”。该模型是通过随机平流Lie运输（SALT）的方法，从最近推出的随机版本的欧拉-庞加莱变分原理。我们还指出了潜在的下一步应用这些模型的不确定性量化和数据同化的快速，高波数的影响，浮力前在这三个层次的描述，通过使用数据驱动的随机参数化算法，以前使用的SALT方法。
2020-12-08 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Thermal transients in a U-Bend
我们研究了通过一个U型弯管通过一个整体的壁分辨大涡模拟热瞬态的传播数值。考虑了流体和固体域之间的共轭传热。流动处于完全湍流混合对流状态，体雷诺数为$10,000$，Richardson数为$2.23$，水作为工作流体（普朗特数= $6$）。这些条件导致强烈的热分层，浮力引起的二次流，并产生一个大的和持久的再循环区。研究了迪恩涡在热瞬态过程中的演化。结果发现，斜压涡度的产生占主导地位，在一个大的过渡期，由于壁的热惯性。重力浮力导致反向旋转的涡对反转。这种逆转的涡流开关和二次电流损失的影响进行评估。结果表明，在反涡旋态下，低频模式被抑制。
2019-11-12 physics.flu-dyn
The evolution of a gas current injected into a curved axisymmetric porous channel
University of Manchester（曼彻斯特大学）
研究气体注入轴对称的高斯和抛物线形多孔通道中的水饱和通道，分析不同几何形状下气体/液体界面的演变机制，揭示浮力影响的动态过程及多孔通道中气体注入与浮力的时空竞争。
2026-09-02 physics.flu-dyn
Boundary Zonal Flow in Rotating Turbulent Rayleigh-Bénard Convection
对于细长圆柱体中快速旋转的湍流Rayleigh-Bénard对流，实验和直接数值模拟揭示了边界带状流（BZF），它取代了经典的大尺度环流。BZF位于垂直侧壁附近，并能够增强那里的热传输。虽然BZF的方位角速度是气旋性的（在旋转框架中），但温度是模式1的反气旋性行波，其签名是径向边界附近的双峰温度分布。发现BZF宽度像$Ra^{1/4}Ek^{2/3}$一样缩放，其中Ekman数$Ek$随着旋转速率的增加而减小。
2019-11-21 physics.flu-dyn
Parametric instability and wave turbulence driven by tidal excitation of internal waves
本文研究了均匀周期性潮汐变形作用下分层流体层的稳定性。我们首先介绍了一个本地模型，它允许研究速度和浮力波动的拉格朗日域定期拉伸和剪切的潮基流。在保持关键的物理成分，这样的模式是有效的模拟潮汐振幅和耗散小的行星制度。有了这个模型，我们证明了潮汐流能够驱动参数的内波的亚谐共振，在某种程度上让人想起旋转流体中的椭圆不稳定性。通过直接数值模拟（DNS）计算的增长率与WKB分析和Floquet理论非常吻合。我们还研究了这种不稳定机制驱动的湍流。通过时空分析，我们发现这是一个弱的内波湍流发生在小的弗劳德数和浮力雷诺数。当激发频率和Brunt-Väisälä频率之间的间隔增加时，该波湍流的频谱显示出幂律，这让人想起在海洋中测量的Garett和Munk频谱的高频分支（Garrett & Munk 1979）。此外，我们发现，混合效率相比，在小弗劳德和大浮力雷诺数激发的分层湍流DNS的上下文中计算的是改变的，并且与波的叠加是一致的。
2017-12-23 physics.flu-dyn
Scale-dependent force balance governs transition to the geostrophic regime in liquid metal rotating convection
State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures and School of Aerospace, Xi’an Jiaotong University（西安交通大学航天学院机械结构强度与振动国家重点实验室）；Center for Complex Flows and Soft Matter Research and Department of Mechanics and Aerospace Engineering, Southern University of Science and Technology（南方科技大学力学与航空航天工程系复杂流动与软物质研究中心）；Research Institute of Intelligent Complex Systems, Fudan University（复旦大学智能复杂系统研究院）；Department of Physics, Southern University of Science and Technology（南方科技大学物理系）
通过实验和数值模拟，发现低普朗特数液态金属旋转对流中，大尺度环流被抑制并产生特征水平尺度ℓ，基于ℓ的浮力-科里奥利力平衡而非边界层交叉控制进入地转状态的转变，并导致热输运标度偏离边界层预测。
2026-06-03 physics.flu-dyn
Mixed Convection in a Differentially Heated Cavity with Local Flow Modulation via Rotating Flat Plates
本研究针对旋转平板局部调制的差热方腔混合对流，采用ALE有限元法求解动边界问题，模拟得到临界瑞利数等结果，明确了调制器数量与瑞利数对流动换热的影响规律。
2020-11-06 physics.flu-dyn
Connecting wall modes and boundary zonal flows in rotating Rayleigh--Bénard convection
使用直接的数值模拟，我们研究旋转瑞利-贝纳德对流在一个圆柱形细胞的瑞利，埃克曼，普朗特数从壁模式的发病到地转制度，一个非常重要的地球物理和天体物理背景下的广泛范围。我们通过长度和时间尺度的连续性和对流热传输的边界纬向流，与湍流体对流在地转制度共存的散装对流发病前发生的线性壁模式状态。我们定量崩溃漂移频率，边界长度，和热输运数据从众多来源在许多数量级的瑞利和埃克曼数。阐明壁面模式和边界纬向流的热输运贡献对于表征有限物理容器中旋转对流的地转制度的性质至关重要，并且对于将实验室对流的地转制度与地球物理和天体物理系统连接起来至关重要。
2021-09-13 physics.flu-dyn
Investigations of non-hydrostatic, stably stratified and rapidly rotating flows
我们提出了一个调查的快速旋转（小Rossby数$Ro\ll 1$）和分层湍流的分层强度从弱（大弗劳德数$Fr\gg1$）到强（$Fr\ll1$）。调查设置的背景下，从Boussinesq方程，有效地保留各向异性惯性重力波与一阶频率，并突出了一个政权的波涡相互作用的减少模型。简化模型的数值模拟进行能量注入的随机强迫垂直速度，这迫使波模式。模拟揭示了两个制度，其特征在于存在良好的形成，持久性和薄湍流层的局部削弱的分层在小弗劳德数，并在大弗劳德数层的情况下。这两个制度的特点是一个大规模的正压偶极子封闭的小尺度湍流。当雷诺数不太大时，观察到正压动能的直接级联，导致总能量平衡。我们研究净能量交换，发生通过涡拉伸和垂直浮力通量和诊断活跃在这些交换的水平尺度。我们发现斜压运动直接向正压模态的最大尺度注入能量，这意味着大尺度正压偶极子不是正压模态内逆级联的最终结果。
2016-02-13 physics.flu-dyn
