本文的主要作者包括 Kyle A. Brucker 和 Sutanu Sarkar，隶属于美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的机械与航空航天工程系。这项研究发表在期刊《J. Fluid Mech.》上，卷号为652，页码为373-404，发表时间为2010年4月。
这篇论文研究的主要领域是分层流体中的尾流动力学现象，特别是比较“自推进（self-propelled）”和“拖曳（towed）”尾流在分层流体中的演化特性。作为流体力学的一个重要分支，分层流体动力学在研究海洋、气象和其他地球物理领域的涡旋和湍流现象中扮演了重要角色。
在历史上，针对分层流体尾流特性的研究通常着眼于细长体或球体的拖曳尾流。这些研究发现，分层尾流与非分层流体的尾流显著不同，其特征包括垂直生长和卷入的抑制、伴随尾流的内部波传播，以及晚期涡旋的保持性。然而，对自推进体尾流的研究较为稀少，因此该论文旨在填补这一空白，并探索分层效应对尾流动力学影响的具体机制。
文章指出一个关键问题是动力学不平衡阶段（non-equilibrium phase, NEQ）的普适性。此前的研究基于拖曳尾流发现了这一阶段，但尚未充分验证其是否适用于不同类型的尾流，尤其是没有动量初始条件的尾流。
本研究通过直接数值模拟（Direct Numerical Simulations，DNS），针对拖曳尾流和自推进尾流进行对比分析，重点研究以下问题： 1. 拖曳尾流中观测到的动力学演化阶段是否同样适用于自推进尾流。 2. 初始净动量的存在对尾流动能及其空间分布的演化有何影响。 3. 高雷诺数湍流在分层条件下的动态特性如何。
该研究采用直接数值模拟的方法，在雷诺数（Re）为50000、弗劳德数（Fr）为4的条件下，对轴对称拖曳尾流与自推进尾流进行了大规模数值计算。模拟使用了大约20亿个网格点以确保高分辨率，以捕捉尾流发展的多层次复杂特性。
为简化问题，研究采取时间流动的近似方法，将尾流看作在实验室坐标系中沿时间演化的流场。此外，模型选取布辛内斯克（Boussinesq）假设以忽略除重力引起的密度变化。
拖曳尾流和自推进尾流分别采用典型的高斯分布速度轮廓和多拐点速度轮廓，初始条件设置为： - 拖曳尾流：中心线缺陷速度 ( u_0 ) 为0.11。 - 自推进尾流：初始轮廓无净动量。
空间离散采用二阶中心差分格式，时间积分使用三阶 Runge-Kutta 方法，并结合多重网格求解技术以加速求解压强泊松方程。为避免边界反射，模拟在域边界处应用“海绵层（sponge region）”，减少伪波动的影响。
流场的统计分析基于流动的流向均匀性假设，主要采用平均流向剖面（Reynolds 平均）和湍流动力学指标（如湍动能、动能耗散率等）来定量评估尾流发展，并结合空间分布图对尾流的动能与厚度特性进行可视化。
总动能随着时间的推移在两种尾流中均呈下降趋势，但自推进尾流的能量衰减速度更快。这归因于更高的剪切速率导致的强湍流生成。此外，分层效应能够显著抑制湍流动能生成，从而最大程度地保留了均值动能。
在分层流体中，尾流发展过程中伴随的内部波对湍流动能起到显著影响：在时间 ( t >100 ) 的阶段内部波成为消耗湍流动能的主要机制，这一现象在自推进尾流中尤为显著。
研究结果表明，无论是拖曳尾流还是自推进尾流，在Re=50000条件下均表现出动力学不平衡阶段，其特征为湍流耗散率遵循惯性标度。
本研究具有重要的科学价值：它不仅揭示了尾流动力学中未被充分解析的机制，还为分层流体环境下复杂尾流管理与应用提供了理论基础。这些发现对于海洋工程、潜航器设计及地球物理学领域的流体动力学研究具有指导意义。