各向异性二维湍流中涨落诱导的转迁

二维（2D）湍流具有逆能量级联特征，会产生大尺度流结构，如大尺度涡（LSVs）和单向射流。我们利用在周期矩形（笛卡尔）域 $[0,L_x]\times[0,L_y]$ 内随机强迫、黏性耗散的2D湍流的广泛直接数值模拟（DNS）来研究此类结构的动力学。当域长宽比 $\delta = L_x/L_y \approx 1$ 时，LSVs形成并主导系统；而当 $\delta \gtrsim 1.1$ 时，单向射流占优。在中间 $\delta$ 下，两种结构均为亚稳态，存在噪声诱导的LSVs与射流之间的转迁。我们推导并验证了动能E与流极性对非无量纲控制参数依赖关系的预测。我们进一步从长达10738个黏性扩散时间的DNS运行中收集了关于LSVs与射流寿命的详细统计。寿命分布与无记忆过程的一致。我们的DNS显示了平均寿命对 $\delta$ 的指数依赖。平均寿命对雷诺数Re敏感：随着Re增大，由各向异性耗散引起的LSV（较低E）与射流态（较高E）之间的能隙增大，导致两者平均寿命随Re近似指数增长。类似地，随着强迫尺度的减小，转迁变得不那么频繁。我们详细研究了转迁，揭示其分两阶段发生：首先，非线性三体力相互作用快速重分布动能，将LSVs形变为射流或反之；第二阶段，新形成结构的能量在更长的黏性时间尺度上缓慢调整至其相应的平衡值，产生滞回。我们的发现为各向异性湍流中相干大尺度结构的动力学提供了新见解。