湍流诱导的反斯托克斯流：实验与理论

我们报告了涡流与调制环境湊流相互作用创建的Eulerian平均流，$\overline{u}(z)$，部分抵消斯托克斯漂移 $u_s(z)$，并提供了支持理论。通过粒子图像测量仪对水侧湍流速度场和Eulerian平均流进行测量，分别在波浪群通过前后、有无波浪的情况下进行测量。我们比较不同的波长、坡度和湍流强度。在所有情况下，都观察到Eulerian平均流的显著变化，强烈聚焦于表面区域，其中与斯托克斯漂移相对。观察结果支持当波浪遇到环境湊流时，流经历一种过渡，其中Eulerian平均动量在垂直方向上重新分配（而不改变深度积分质量输运），直到达到新的平衡状态，其中近表面 $|\mathrm{d}\overline{u}/\mathrm{d}z|$ 与 $|\mathrm{d}u_s/\mathrm{d} z|$ 的比率大约等于流向和垂直Reynolds正常应力的比率。这与此处导出的简单统计理论一致，无论绝对湊流水平如何成立，其中更强的湊流意味着Eulerian平均流的快速增长。我们提出了一个基于快速扭曲理论的模型，描述Eulerian平均流的产生是斯托克斯漂移作用于背景湊流的结果。该模型对波浪群上的实验预测在定性上以及在平衡尚未达到时在定量上都与实验结果相当。我们的结果可能对预测海洋中水性物质的输运具有重大影响。