Layer formation in horizontally forced stratified turbulence: connecting exact coherent structures to linear instabilities
Layer formation in horizontally forced stratified turbulence: connecting exact coherent structures to linear instabilities
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水平强制分层湍流中的层形成：将精确的相干结构与线性不稳定性联系起来
DOI：
10.1017/jfm.2017.661
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发表时间：
2017
影响因子：
3.7
通讯作者：
Lucas D
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Lucas D
我们认为湍流分层的“Kolmogorov”流，驱动水平剪切的正弦体强迫的形式中存在一个强加的背景线性稳定分层在第三个方向。这种流动配置允许可控的相干结构的形成的调查，在这里组织成水平层的流动通过倾斜的背景剪切作为分层的强度增加。通过数值收敛精确的稳定状态从直接数值模拟的混沌流，我们表明，第一次，一个强大的连接线性理论预测不稳定性从无穷小扰动的强大的有限振幅非线性分层状态中观察到的湍流。我们调查所观察到的垂直长度尺度是如何与主要的线性不稳定性，并与先前考虑的剪切不稳定性导致在其他水平剪切流层形成的例子进行比较。
We consider turbulence in a stratified ‘Kolmogorov’ flow, driven by horizontal shear in the form of sinusoidal body forcing in the presence of an imposed background linear stable stratification in the third direction. This flow configuration allows the controlled investigation of the formation of coherent structures, which here organise the flow into horizontal layers by inclining the background shear as the strength of the stratification is increased. By numerically converging exact steady states from direct numerical simulations of chaotic flow, we show, for the first time, a robust connection between linear theory predicting instabilities from infinitesimal perturbations to the robust finite-amplitude nonlinear layered state observed in the turbulence. We investigate how the observed vertical length scales are related to the primary linear instabilities and compare to previously considered examples of shear instability leading to layer formation in other horizontally sheared flows.
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