开尔文-亥姆霍兹不稳定性

✍ dations ◷ 2025-08-02 09:00:29 #流体动力学,云、雾与降水,流体动力学的不稳定性

开尔文-亥姆霍兹不稳定性（英语：Kelvin–Helmholtz instability，名称来自开尔文男爵和赫尔曼·冯·亥姆霍兹）是在有剪力速度（英语：Shear velocity）的连续流体内部或有速度差的两个不同流体的界面之间发生的不稳定现象。

一个例子是风吹过水面时，在水面上表面的波的不稳定。而这种不稳定状况更常见于云、海洋、土星的云带、木星的大红斑、太阳的日冕中。

本理论可预测不同密度的流体在不同的运动速度下的不稳定状态发生，并且层流变成湍流的界限。亥姆霍兹研究两种不同密度流体的动力学，并发现小规模的扰动，例如波发生时在不同流体间边界的反应。

在一些波长短到一定程度的状态下，如果忽略表面张力，以不同速度平行运动的两种不同密度流体的界面下，在所有速度时都会不稳定。然而，表面张力可抵消短波长的不稳定状态，而理论预测直到达到速度阈值以前都是稳定的。包含表面张力的理论可大致预测在风吹过水面时产生波的界限。

在重力作用下，连续变化的密度和速度分布（较轻的层在上方，所以流体是瑞利－泰勒稳定）使开尔文-亥姆霍兹不稳定性的动力学是以泰勒－戈德斯坦方程（英语：Taylor–Goldstein equation）描述。而不稳定性开端可由理查逊数（Richardson number，Ri）得知。通常情况下Ri<0.25就会不稳定。这些效应常在云层中出现。对于不稳定性的研究也可应用在等离子体物理学中，例如惯性约束聚变和等离子体－铍的界面。

在数值模式下，开尔文-亥姆霍兹不稳定性是以时间发展或空间发展方式模拟。时间发展方式下采用周期边界条件进行模拟。空间发展方式则采用实际中的入口和出口条件。

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