大气边界层中发夹状纤维的运动
摘要：稳定层化的埃克曼流中，最近Harikrishnan等人的研究发现了大量类似发夹的螺旋结构，它们呈相似方向。光滑壁面上的埃克曼流是大气边界层的简化配置，同时具有层化和旋转的效应。本研究将这些类似发夹的结构视为细长的涡丝，即直径$d$与曲率半径$R$相比较小的涡丝。使用Klein和Knio的修正薄管模型计算这些涡丝在边界层作为背景流动的情况下的运动。研究了平均背景流动对涡丝的影响，并分别对两种稳定层化情况和一种中性层化情况进行了研究。结果表明，横向方向上的发夹涡丝的取向与其在稳定层化背景下的起始高度相关，而在中性层化背景流动中则没有这样的依赖关系。此外，还开发了一种基于空间重叠的改进特征跟踪方案，用于跟踪直接数值模拟（DNS）数据中的$Q$准则涡结构。通过动态调整阈值以适应特征的增长或恶化，克服了在时间上使用恒定阈值的限制。特征跟踪和涡丝模拟之间的比较显示出定性上相似的时间发展。最后，扩展了Callegari和Ting的渐近分析，包括重力效应。结果显示，在这里考虑的范围内，只有当无限长涡丝的尾部与壁面相对倾斜时，重力项才会产生贡献。
作者：Abhishek Harikrishnan, Marie Rodal, Rupert Klein, Daniel Margerit, Nikki Vercauteren
论文ID：2303.09302
分类：Fluid Dynamics
分类简称：physics.flu-dyn
提交时间：2023-07-25