Multi-scale dynamics of Kelvin–Helmholtz instabilities. Part 2. Energy dissipation rates, evolutions and statistics
Multi-scale dynamics of Kelvin–Helmholtz instabilities. Part 2. Energy dissipation rates, evolutions and statistics
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开尔文-亥姆霍兹不稳定性的多尺度动力学。
DOI：
10.1017/jfm.2021.1086
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发表时间：
2022
影响因子：
3.7
通讯作者：
Lund, T.S.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Fritts, David C.;Wang, L.;Thorpe, S.A.;Lund, T.S.
[j] .流体力学。（vol. xx, 2022, xx）描述了一个直接数值模拟的相互作用的开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）巨浪产生，由于初始巨浪核心沿其轴表现出可变相位。这样的KHI表现出强烈的“管结”动力学，这是Thorpe（地球物理学家）在早期实验室研究中发现的。12,54。流体动力学，第34卷，1985年，第175-199页)。索普（Q.J.R.）Soc。（vol. 128, 2002, pp. 1529-1542）指出，这些动力学可能在大气中普遍存在，最近在高海拔地区的大气观测中发现了它们。Fritts et al. （J. Fluid。）动力机械。， 2022)驱动比单个KH波浪的二次不稳定性更强、更快的湍流转变。研究结果表明，与没有管和结影响的二次对流不稳定性（CI）和伴随KH波浪的二次KHI相比，KHI管和结动力学在流动演化后期产生的能量耗散率要大2-3倍。由于管状和结状动力学引起的湍流转换在更大的尺度上发生，导致能量耗散率升高，而在二次CI和KHI中，初始KH波浪是不一致的。管和结的动力学也激发了大规模的开尔文“扭曲波”，导致涡旋管和巨浪核心破碎，更小尺度的类似相互作用的更高能级联，并解释了伴随这种KH巨浪演化的最强能量耗散事件。
Fritts et al. (J. Fluid Mech., vol. xx, 2022, xx) describe a direct numerical simulation of interacting Kelvin–Helmholtz instability (KHI) billows arising due to initial billow cores that exhibit variable phases along their axes. Such KHI exhibit strong ‘tube and knot’ dynamics identified in early laboratory studies by Thorpe (Geophys. Astrophys. Fluid Dyn., vol. 34, 1985, pp. 175–199). Thorpe (Q.J.R. Meteorol. Soc., vol. 128, 2002, pp. 1529–1542) noted that these dynamics may be prevalent in the atmosphere, and they were recently identified in atmospheric observations at high altitudes. Tube and knot dynamics were found by Fritts et al. (J. Fluid. Mech., 2022) to drive stronger and faster turbulence transitions than secondary instabilities of individual KH billows. Results presented here reveal that KHI tube and knot dynamics also yield energy dissipation rates 2–3 times larger to later stages of the flow evolution, compared with those of secondary convective instabilities (CI) and secondary KHI accompanying KH billows without tube and knot influences. Elevated energy dissipation rates occur due to turbulence transitions by tube and knot dynamics arising on much larger scales than secondary CI and KHI where initial KH billows are misaligned. Tube and knot dynamics also excite large-scale Kelvin ‘twist waves’ that cause vortex tube and billow core fragmentation, more energetic cascades of similar interactions to smaller scales and account for the strongest energy dissipation events accompanying such KH billow evolutions.
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