Numerical Considerations for Quantifying Air–Water Turbulence with Moment Field Equations
Numerical Considerations for Quantifying Air–Water Turbulence with Moment Field Equations
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用矩场方程量化空气-水湍流的数值考虑
DOI：
10.1007/s42286-021-00048-y
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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Kubatko, Ethan J.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Conroy, Colton J.;Mandli, Kyle T.;Kubatko, Ethan J.
我们调查的空气-水相互作用的能量传递，并开发了一种数值方法，捕捉其时间的变化，并产生和跟踪的短波，形成在水面上的空气-水湍流的结果。我们解决了一个新的系统的平衡方程来自Navier-Stokes方程称为矩场方程。我们的方法的主要优点是，我们不假设先验的随机随机变量，量化空气和水之间的湍流能量转移是高斯。我们使用递归积分过程和自仿射速度核生成湍流能量传递的非保守多重分形措施。该内核完全满足（持续时间有限）动力学方程的波以及不变的Navier-Stokes方程的标度特性。这使我们能够使用湍流扩散算子导出矩场方程的源项。该算子量化了沿着与海-气界面压力不稳定性相关的时空路径的能量传递，并将大气的统计形状（或分形维数）传递给风-海。因为我们使用观测数据来开始递归积分过程，所以海洋-大气相互作用固有地被纳入模型。数值结果表明，我们的方法的应用程序的空气-海洋湍流的新泽西和纽约的海岸表明，我们的方法产生的措施湍流能量传输相匹配的理论和观测，相应地，显着的波高和平均波周期由我们的模型预测定性匹配浮标数据。
We investigate energy transfer of air–water interactions and develop a numerical method that captures its temporal variability and generates and tracks the short waves that form in the water surface as a result of the air–water turbulence. We solve a novel system of balance equations derived from the Navier–Stokes equations known as moment field equations. The main advantage of our approach is that we do not assume a priori that the stochastic random variables that quantify the turbulent energy transfer between air and water are Gaussian. We generate non-conservative multifractal measures of turbulent energy transfer using a recursive integration process and a self-affine velocity kernel. The kernel exactly satisfies the (duration limited) kinetic equation for waves as well as invariant scaling properties of the Navier–Stokes equations. This allows us to derive source terms for the moment field equations using a turbulent diffusion operator. The operator quantifies energy transfer along a space time path associated with pressure instabilities in the air–sea interface and transfers the statistical shape (or fractal dimension) of the atmosphere to the wind-sea. Because we use observational data to begin the recursive integration process, the ocean–atmosphere interaction is inherently built into the model. Numerical results from application of our methods to air–sea turbulence off the coast of New Jersey and New York indicate that our methods produce measures of turbulent energy transfer that match theory and observation, and, correspondingly, significant wave heights and average wave periods predicted by our model qualitatively match buoy data.
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DOI：
10.1016/j.physd.2006.01.012
发表时间：
2005-12
期刊：
Physica D: Nonlinear Phenomena
影响因子：
--
作者：
V. Yakhot
通讯作者：
V. Yakhot
北大西洋海岸综合研究的区域波浪建模和评估
DOI：
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发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
--
作者：
R. Jensen;A. Cialone;J. Smith;M. Bryant;T. Hesser
通讯作者：
T. Hesser
流体动力学：湍流
DOI：
--
发表时间：
2020
期刊：
Synergetics
影响因子：
--
作者：
R. Friedrich;J. Peinke
通讯作者：
J. Peinke
影响因子：
2.4
作者：
C. Zappa;M. Banner;H. Schultz;A. Corrada-Emmanuel;L. B. Wolff;Jacob I. Yalcin
通讯作者：
C. Zappa;M. Banner;H. Schultz;A. Corrada-Emmanuel;L. B. Wolff;Jacob I. Yalcin
DOI：
--
发表时间：
1992
期刊：
影响因子：
--
作者：
A. Shiryayev
通讯作者：
A. Shiryayev