默认值 (ΔT=5 K、L=10 m、V=5 m/s、β=3.4×10⁻³ /K 为空气) 下,Ri ≈ 0.067,判定为「混合发生」,V_crit ≈ 2.58 m/s,N ≈ 0.129 rad/s。将 V 调低至约 2 m/s 时 Ri 超过 0.25 进入「中性混合」,继续调低至 1.6 m/s 以下进入「稳定分层」。ΔT 为负时层结反转 (上暖下冷),Ri 为非正时归入对流不稳定。
用颜色渐变表示垂直温度分层 (下=暖色、上=冷色,当 ΔT>0)。水平方向的蓝色箭头表示流速 V。Ri 越大水平层越能维持 (稳定分层),Ri<0.25 时 Kelvin-Helmholtz 不稳定产生波状混合,界面起伏增大。中央波形即为界面的瞬时起伏。
横轴:Ri (log10,0.01〜100) / 纵轴:稳定性区分 / 红带:Ri<0.25 不稳定 (混合发生) / 黄带:0.25≤Ri≤1 中性混合 / 绿带:Ri>1 稳定分层 / 红色竖线:Ri=0.25 与 Ri=1 边界 / 黄色标记:当前 Ri 工作点。拖动 V 滑块可见标记跨越各带。
理查森数:分层流中浮力 (由温差引起的密度差) 与惯性力之比的无量纲数。
$$\mathrm{Ri} = \frac{g\,\beta\,\Delta T\,L}{V^2}$$Brunt-Vaisala 振荡频率:稳定分层内垂直位移的流体微团在浮力恢复下的固有角频率 (rad/s):
$$N = \sqrt{\frac{g\,\beta\,\Delta T}{L}}$$混合极限速度:使 Ri = 0.25 的流速,超过即可能发生 Kelvin-Helmholtz 混合:
$$V_{\mathrm{crit}} = \sqrt{\frac{g\,\beta\,\Delta T\,L}{0.25}} = 2\sqrt{g\,\beta\,\Delta T\,L}$$$g$ 是重力加速度 (9.81 m/s²),$\beta$ 是热膨胀系数 (理想气体取 $1/T$),$\Delta T$ 是层的上下温差,$L$ 是特征长度 (层厚),$V$ 是穿过层的流速。Ri < 0.25 为不稳定 (混合发生),0.25 ≤ Ri ≤ 1 为中性混合,Ri > 1 为稳定分层 (混合抑制)。