Turbulence in natural waters
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Contents<br />
1 Phenomenology of turbulence 3<br />
1.1 Coffee with milk ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />
1.2 How efficient is molecular mix<strong>in</strong>g <strong>in</strong> the ocean ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4<br />
1.3 Observational evidence of turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5<br />
1.3.1 Laboratory experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5<br />
1.3.2 Oceanic observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9<br />
1.4 Def<strong>in</strong>ition of turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
1.5 <strong>Turbulence</strong> as chaotic nonl<strong>in</strong>ear system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
2 Determ<strong>in</strong>istic description 20<br />
2.1 Some vector notations and transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20<br />
2.2 Navier-Stokes equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21<br />
2.2.1 Scal<strong>in</strong>g of the Navier-Stokes equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22<br />
2.2.2 Elim<strong>in</strong>ation of pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
2.2.3 K<strong>in</strong>etic energy from the Navier-Stokes equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
2.2.4 Vorticity equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
2.3 Thermal energy and sal<strong>in</strong>ity equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
3 Statistical description 29<br />
3.1 Reynolds decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29<br />
3.2 The Reynold’s equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33<br />
3.3 The second moment equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35<br />
4 <strong>Turbulence</strong> spectra 38<br />
4.1 Correlations and spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38<br />
4.2 Three-dimensional k<strong>in</strong>etic energy spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43<br />
4.3 One-dimensional k<strong>in</strong>etic energy spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45<br />
5 Statistical turbulence models 52<br />
5.1 Eddy viscosity pr<strong>in</strong>ciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />
5.2 Mix<strong>in</strong>g length approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54<br />
5.3 Bottom boundary layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54<br />
5.4 <strong>Turbulence</strong> equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57<br />
5.5 Dynamic turbulence models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />
5.5.1 Boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />
5.5.2 The k-ε model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />
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