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Enregistrement W2604694377 · doi:10.1017/jfm.2015.305

Diapycnal diffusivity, turbulent Prandtl number and mixing efficiency in Boussinesq stratified turbulence

2015· article· en· W2604694377 sur OpenAlexaff
Hesam Salehipour, W. R. Peltier

Notice bibliographique

RevueJournal of Fluid Mechanics · 2015
Typearticle
Langueen
DomaineEarth and Planetary Sciences
ThématiqueOceanographic and Atmospheric Processes
Établissements canadiensUniversity of Toronto
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésPrandtl numberRichardson numberTurbulent Prandtl numberPhysicsTurbulenceThermal diffusivityMixing (physics)Momentum (technical analysis)ThermodynamicsStratified flowsMechanicsStratified flowReynolds numberConvectionNusselt number

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

In order that it be correctly characterized, irreversible turbulent mixing in stratified fluids must distinguish between adiabatic ‘stirring’ and diabatic ‘mixing’. Such a distinction has been formalized through the definition of a diapycnal diffusivity, $K_{{\it\rho}}$ (Winters & D’Asaro, J. Fluid Mech., vol. 317, 1996, pp. 179–193) and an appropriate mixing efficiency, $\mathscr{E}$ (Caulfield & Peltier, J. Fluid Mech., vol. 413, 2000, pp. 1–47). Equivalent attention has not been paid to the definitions of a corresponding momentum diffusivity $K_{m}$ and hence an appropriately defined turbulent Prandtl number $\mathit{Pr}_{t}=K_{m}/K_{{\it\rho}}$ . In this paper, the diascalar framework of Winters & D’Asaro (1996) is first reformulated to obtain an ‘Osborn-like’ formula in which the correct definition of irreversible mixing efficiency $\mathscr{E}$ is shown to replace the flux Richardson number which Osborn (J. Phys. Oceanogr., vol. 10, 1980, pp. 83–89) assumed to characterize this efficiency. We advocate the use of this revised representation for diapycnal diffusivity since the proposed reformulation effectively removes the simplifying assumptions on which the original Osborn formula was based. We similarly propose correspondingly reasonable definitions for $K_{m}$ and $\mathit{Pr}_{t}$ by eliminating the reversible component of the momentum production term. To explore implications of the reformulations for both diapycnal and momentum diffusivity we employ an extensive series of direct numerical simulations (DNS) to investigate the properties of the shear-induced density-stratified turbulence that is engendered through the breaking of a freely evolving Kelvin–Helmholtz wave. The DNS results based on the proposed reformulation of $K_{{\it\rho}}$ are compared with available estimations due to the mixing length model, as well as both the Osborn–Cox and the Osborn models. Estimates based upon the Osborn–Cox formulation are shown to provide the closest approximation to the diapycnal diffusivity delivered by the exact representation. Through compilation of the complete set of DNS results we explore the characteristic dependence of $K_{{\it\rho}}$ on the buoyancy Reynolds number $\mathit{Re}_{b}$ as originally investigated by Shih et al. (J. Fluid Mech., vol. 525, 2005, pp. 193–214) in their idealized study of homogeneous stratified and sheared turbulence, and show that the validity of their results is only further reinforced through analysis of the turbulence produced in the more geophysically relevant Kelvin–Helmholtz wave life-cycle ansatz. In contrast to the results described by Shih et al. (2005) however, we show that, besides $\mathit{Re}_{b}$ , a vertically averaged measure of the gradient Richardson number $\mathit{Ri}_{b}$ may equivalently characterize the turbulent mixing at high $\mathit{Re}_{b}$ . Based on the dominant driving processes involved in irreversible mixing, we categorize the intermediate (i.e. $\mathit{Re}_{b}=O(10^{1}{-}10^{2})$ ) and high (i.e. $\mathit{Re}_{b}>O(10^{2})$ ) range of $\mathit{Re}_{b}$ as ‘buoyancy-dominated’ and ‘shear-dominated’ mixing regimes, which together define a transition value of $\mathit{Ri}_{b}\sim 0.2$ . Mixing efficiency varies non-monotonically with both $\mathit{Re}_{b}$ and $\mathit{Ri}_{b}$ , with its maximum (on the order of 0.2–0.3) occurring in the ‘buoyancy-dominated’ regime. Unlike $K_{{\it\rho}}$ which is very sensitive to the correct choice of $\mathscr{E}$ (i.e. $K_{{\it\rho}}\propto \mathscr{E}/(1-\mathscr{E})$ ), we show that $K_{m}$ is almost insensitive to the choice of $\mathscr{E}$ (i.e.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,010
Score d'incertitude au seuil0,019

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0010,003
Communication savante0,0020,003
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,016
Tête enseignante GPT0,225
Écart entre enseignants0,209 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations109
Publié2015
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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