Multi-scale dynamics of Kelvin–Helmholtz instabilities. Part 1. Secondary instabilities and the dynamics of tubes and knots
Multi-scale dynamics of Kelvin–Helmholtz instabilities. Part 1. Secondary instabilities and the dynamics of tubes and knots
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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.2021.1085
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发表时间：
2022
影响因子：
3.7
通讯作者：
Thorpe, S.A.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Fritts, David C.;Wang, L.;Lund, T.S.;Thorpe, S.A.
我们对在分层剪切层中产生的相互作用的开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）进行了直接数值模拟（DNS），在分层剪切层中，KH巨浪核不对齐或沿其轴线表现出不同的相位。地球物理学家索普（Thorpe）在早期实验室剪切流研究中提供了这些动力学的重要证据。12,54。流体动力学，第34卷，1985年，第175-199页)和索普(J.地球物理学。参考文献，第92卷，1987年，第5231-5248页)，对流层云中KH巨浪失调的观测（Thorpe， Q. J. R. Meteorol）。Soc。最近在气辉中对这类事件的直接观测和在中间层上层的极地中间层云成像显示，这些动力学是常见的。更重要的是，实验室和中间层观测表明，这些动力学导致的不稳定和湍流比波浪核中的二次对流不稳定和相邻波浪之间和周围分层编织中的二次KHI更快、更强烈。然而，迄今为止，还没有模拟探索相互作用的KH波浪的动力学和能量学（除了配对）。我们对理查德森数进行的DNS表明，KHI管和结(i)包含伴随不一致的KH巨浪的强烈而复杂的涡相互作用，（ii）相对于单个KH巨浪的二次不稳定性，加速向湍流的过渡。（iii）比波浪辫状带中的二次KHI和KHI波浪岩心中的二次对流不稳定性产生更强的湍流；（iv）扩展了以前认为有助于KHI动力学和现实地球物理环境中湍流分解的一系列二次不稳定性。
We perform a direct numerical simulation (DNS) of interacting Kelvin–Helmholtz instabilities (KHI) that arise at a stratified shear layer where KH billow cores are misaligned or exhibit varying phases along their axes. Significant evidence of these dynamics in early laboratory shear-flow studies by Thorpe (Geophys. Astrophys. Fluid Dyn., vol. 34, 1985, pp. 175–199) and Thorpe (J. Geophys. Res., vol. 92, 1987, pp. 5231–5248), in observations of KH billow misalignments in tropospheric clouds (Thorpe, Q. J. R. Meteorol. Soc., vol. 128, 2002, pp. 1529–1542) and in recent direct observations of such events in airglow and polar mesospheric cloud imaging in the upper mesosphere reveals that these dynamics are common. More importantly, the laboratory and mesospheric observations suggest that these dynamics lead to more rapid and more intense instabilities and turbulence than secondary convective instabilities in billow cores and secondary KHI in stratified braids between and around adjacent billows. To date, however, no simulations exploring the dynamics and energetics of interacting KH billows (apart from pairing) have been performed. Our DNS performed for Richardson number demonstrates that KHI tubes and knots (i) comprise strong and complex vortex interactions accompanying misaligned KH billows, (ii) accelerate the transition to turbulence relative to secondary instabilities of individual KH billows, (iii) yield significantly stronger turbulence than secondary KHI in billow braids and secondary convective instabilities in KHI billow cores and (iv) expand the suite of secondary instabilities previously recognized to contribute to KHI dynamics and breakdown to turbulence in realistic geophysical environments.
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--
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