Random Waves and Vortices: Flow Decomposition and Energy Fluxes

随机波和涡流:流动分解和能量通量

基本信息

  • 批准号:
    1813891
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 32万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-09-01 至 2021-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project is a theoretical fluid dynamics study aimed at improving our understanding of turbulent atmosphere ocean processes at small scales, which are unresolvable in today's global-scale computer models. Key components of the project are the improved understanding of turbulent energy transfers from large to small scales in the fluid, and the effect of turbulent advection on passive floating devices in the ocean, which is aimed at extracting maximal information from costly oceanographic measurements. Overall, the proposed work has broad impacts within fluid mechanics, physical oceanography, and dynamical meteorology, and its training aspects include both graduate and undergraduate students. The fluid dynamics of these complex systems is characterized by a nonlinear jigsaw puzzle of intermingling turbulent waves and vortices, especially at small scales, such as those relevant to submesoscale oceanography, for instance. Here classical wave-mean interaction theory fails, direct numerical simulation of the fluid motion with global computational models is not possible, and theoretical innovations for diagnostic and predictive models are needed. In this connection the project seeks to break new ground with a multi-pronged approach that combines theory and numerical modelling in three problem areas. First, a fundamental study of third-order structure functions in rotating stratified turbulence is proposed, with the aim of better diagnosing spectral, scale-to-scale energy fluxes from sparse observational data. Second, a recent diagnostic wave- vortex decomposition method is to be extended to the increasingly important case of data acquisition following a set of random Lagrangian tracers. Third, a predictive model for interactions between waves and vortices is to be improved by generalizing a certain asymptotic conservation law for slowly varying waves to more general wave fields. The proposed research calls for non-trivial mathematical investigations that involves various systems of multi-dimensional PDEs, asymptotic analysis, stochastic modelling, and numerical computation, all with an eye towards ultimate applications in the real world that are relevant to atmosphere and ocean dynamics. This is a non-trivial technology transfer between different branches of applied mathematics as well as of several physical sciences.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该项目是一项理论流体动力学研究,旨在提高我们对小尺度湍流大气海洋过程的理解,这些过程在当今的全球尺度计算机模型中无法解决。 该项目的关键组成部分是加深对流体中从大尺度到小尺度的湍流能量转移的理解,以及湍流平流对海洋中被动漂浮装置的影响,其目的是从昂贵的海洋学测量中提取最大的信息。 总体而言,拟议的工作在流体力学、物理海洋学和动力气象学领域具有广泛的影响,其培训方面包括研究生和本科生。这些复杂系统的流体动力学特征是湍流波和涡流混合的非线性拼图,特别是在小尺度上,例如与亚尺度海洋学相关的尺度。 在这里,经典的波均相互作用理论失败了,用全局计算模型直接数值模拟流体运动是不可能的,并且需要诊断和预测模型的理论创新。 在这方面,该项目力求通过多管齐下的方法开辟新天地,将三个问题领域的理论和数值建模相结合。首先,提出了旋转分层湍流中三阶结构函数的基础研究,目的是更好地从稀疏观测数据中诊断光谱、尺度到尺度的能量通量。其次,最近的诊断波涡分解方法将扩展到遵循一组随机拉格朗日示踪剂的日益重要的数据采集情况。第三,通过将缓慢变化的波的某种渐近守恒定律推广到更一般的波场,可以改进波和涡旋之间相互作用的预测模型。 拟议的研究需要进行重要的数学研究,涉及多维偏微分方程的各种系统、渐近分析、随机建模和数值计算,所有这些都着眼于现实世界中与大气和海洋动力学相关的最终应用。这是应用数学和多个物理科学不同分支之间的一项重要技术转让。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Frequency diffusion of waves by unsteady flows
非定常流引起的波的频率扩散
  • DOI:
    10.1017/jfm.2020.837
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Dong, Wenjing;Bühler, Oliver;Smith, K. Shafer
  • 通讯作者:
    Smith, K. Shafer
Ageostrophic corrections for power spectra and wave–vortex decomposition
功率谱和波涡分解的地转校正
  • DOI:
    10.1017/jfm.2019.815
  • 发表时间:
    2020-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Wang, Han;Bühler, Oliver
  • 通讯作者:
    Bühler, Oliver
Anisotropic Statistics of Lagrangian Structure Functions and Helmholtz Decomposition
拉格朗日结构函数和亥姆霍兹分解的各向异性统计
  • DOI:
    10.1175/jpo-d-20-0199.1
  • 发表时间:
    2021-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Wang, Han;Bühler, Oliver
  • 通讯作者:
    Bühler, Oliver
Third-order structure functions for isotropic turbulence with bidirectional energy transfer
具有双向能量传递的各向同性湍流的三阶结构函数
  • DOI:
    10.1017/jfm.2019.651
  • 发表时间:
    2019-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Xie, Jin;Bühler, Oliver
  • 通讯作者:
    Bühler, Oliver
Two-dimensional isotropic inertia–gravity wave turbulence
二维各向同性惯性-重力波湍流
  • DOI:
    10.1017/jfm.2019.406
  • 发表时间:
    2019-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Xie, Jin;Bühler, Oliver
  • 通讯作者:
    Bühler, Oliver
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  • 批准号:
    RGPIN-2020-07001
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  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
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大气湍流中的涡流、波和能量级联
  • 批准号:
    RGPIN-2020-07001
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 32万
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    Discovery Grants Program - Individual
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