Effect of a polymer additive on heat transport in turbulent Rayleigh-Bénard convection
测量的热传输，表示为努塞尔数$Nu$，报告的湍流瑞利-贝纳德对流的水含有高达120 ppm的聚-[环氧乙烷]的分子量为$4\times10^6$克/摩尔。在瑞利数范围内，$ 5\times 10^9 \alt Ra \alt 7 \times 10^{10}$ $Nu$比纯水小10%。
2009-10-19 physics.flu-dyn
Transitions between turbulent states in rotating Rayleigh-Benard convection
对弱旋转湍流Rayleigh-Benard对流进行了实验和数值研究。随着旋转和足够大的瑞利数的增加，从一个几乎与旋转无关的热传输的湍流状态到另一个湍流状态与增强的传热观察到在一个关键的逆Rossby数$1/Ro_c \simeq 0.4$。而对于$1/Ro < 1/Ro_c$，取决于参数，大尺度对流卷的强度或者增强或者基本上未被修改，其强度在超过$1/Ro_c$的情况下逐渐减小，在该情况下，其与引起垂直流体输送并因此传热增强的埃克曼涡流竞争。
2009-01-14 physics.flu-dyn
Large eddy simulations of turbulent thermal convection using renormalized viscosity and thermal diffusivity
本文利用重整化粘滞系数和热扩散系数建立了一个亚网格湍流热对流大涡模拟模型。对于大涡模拟，我们将$ν_\mathrm{ren} \propto Π_u^{1/3} (π/Δ)^{-1/3}$添加到运动粘度中;这里$Π_u$是湍流动能通量，$Δ$是网格间距。在我们的模型中，湍流普朗特数是1。我们在$128^3$网格上进行了湍流热对流的大涡模拟，并将结果与$512^3$网格上的直接数值模拟（DNS）进行了比较。在动能和熵的演化、速度场和温度场的谱和通量以及温度等值面等方面，LES和DNS的结果有很好的一致性。我们还显示了我们的LES模拟热对流在非常高的瑞利数的能力，并展示了一些结果$\mathrm{Ra=10^{18}}$。
2018-06-15 physics.flu-dyn
Multiplicity of chaotic and turbulent regimes in Rayleigh-Bénard convection
利用分布混沌方法，对Rayleigh-Bénard对流中的多个混沌和湍流区域进行了研究，并将其从确定性混沌的开始到充分发展的湍流进行了分类，得到了实验室实验和数值模拟结果的支持。结果表明，制度可以取代对方取决于瑞利数的值和位置的对流单体（在大部分的流动或在边界层）。基于惯性浮力和螺旋度的不变量在这些区域的形成中起着至关重要的作用。从经典到极限状态的过渡也在这方面进行了讨论。
2019-12-23 physics.flu-dyn
Energy analysis of 2D electro-thermo-hydrodynamic turbulent convection
Union College（联合学院）；Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学）
本文通过高保真度谱求解器和深度学习方法，研究二维电热流体湍流对流中能量和涡量的动态行为及相干结构。
2026-03-01 physics.flu-dyn
Effect of Microscale Turbulent Structures Dynamics on Forced Convection in Turbulent Porous Media Flow
Department of Mechanical and Aerospace Engineering, North Carolina State University（北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系）
该研究采用大涡模拟（LES）探究雷诺数300下多孔介质流动，明确微涡对对流换热的影响，发现其与涡脱压力不稳定性相关，还分析了二次流动不稳定性的作用，为优化多孔介质几何提供依据。
2026-08-21 physics.flu-dyn
Thermal Boundary Layer Equation for Turbulent Rayleigh-Benard Convection
本文提出了一个新的考虑湍流脉动影响的湍流Rayleigh-Benard对流的热边界层方程。这些波动被忽略在现有的方程，这是基于稳态和层流假设。利用这个新方程，我们解析地导出了两种极限下的平均温度分布：（a）Pr>1，Pr~1和（b）Pr>>1。这两个理论预测与我们的直接数值模拟的结果非常一致，分别为Pr=4.38（水）和Pr=2547.9（甘油）。
2015-01-15 physics.flu-dyn
Flow reversals in turbulent convection via vortex reconnections
我们采用详细的数值模拟，探讨在二维湍流对流的流动逆转的机制。我们发现，逆转发生通过涡重联的两个吸引角辊具有相同的符号的涡，从而导致重大重组的流动。由于这种流动重新配置，在反向过程中观察到热传输的大波动。利用大尺度模态定量分析了反转过程中的流动形态。使用这些工具，我们还表明了为什么流动逆转发生在有限范围内的瑞利和普兰特数。
2012-07-18 physics.flu-dyn
Lagrangian tracer dynamics in a closed cylindrical turbulent convection cell
在拉格朗日坐标系下，利用三维直接数值模拟方法，研究了封闭圆柱体中的湍流Rayleigh-Benard对流。晶胞的纵横比γ在1到12之间变化，瑞利数Ra在10^7到10^9之间变化。普朗特数Pr固定为0.7。据发现，无论是对分散的拉格朗日示踪粒子和沿粒子轨迹测量的加速度分量的统计依赖于纵横比为一个固定的瑞利数的参数范围内，我们的研究。这表明对流单体中存在的大尺度环流影响拉格朗日动力学。我们的研究结果与现有的拉格朗日实验室湍流对流实验定性一致。
2010-06-04 physics.flu-dyn
Helical velocity fluctuations and large-scale circulation in turbulent thermal convection
结果表明，螺旋度动力学占主导地位的频谱分布的湍流热对流中的速度波动在中等和大值的瑞利数（分布混沌和标度分别）。湍流Rayleigh-Bénard对流中的大尺度环流（风）对螺旋度动力学特别敏感，其混沌反转可以与平均螺旋度符号的反转（反射对称性的长期遍历恢复）相关联。实验室的实验和测量结果在自由大气对流已被用来支持的理论考虑的基础上的绝热不变性的螺旋度分布的二阶矩。在此背景下，地磁场偶极子的变化和逆转也进行了讨论，并与数值模拟和观测数据的结果已经建立了良好的协议。
2020-04-28 physics.flu-dyn
Two-Scalar Turbulent Rayleigh-Benard Convection: Numerical Simulations and Unifying Theory
我们进行直接数值模拟湍流瑞利-贝纳德（RB）对流，同时驱动的两个标量分量（说，温度和盐浓度）具有不同的分子扩散系数，并测量各自的通量和雷诺数。为了解释这些结果，我们推广了传统RB对流的Grossmann-Lohse理论~（Grossmann and Lohse，J. Fluid Mech.，407，27-56; Phys. Rev. Lett.，86，3316-3319; Stevens等人，流体力学杂志，730，295-308）到这两个标量湍流对流。我们的数值结果表明，广义理论可以成功地预测的两个标量的通量和雷诺数的整体趋势。事实上，对于这里探讨的大多数参数，该理论甚至可以以良好的精度预测通量和雷诺数的绝对值。目前的研究扩展了Grossmann-Lohse理论在浮力驱动对流领域的通用性。
2017-12-15 physics.flu-dyn
Crossover of the relative heat transport contributions of plume ejecting and impacting zones in turbulent Rayleigh-Bénard convection
湍流热对流的特点是形成大尺度结构和强烈的空间不均匀性。本文研究了大尺度羽流喷射与羽流影响区在湍流瑞利-贝纳德对流中的相对热输运贡献。基于直接数值模拟的二维（2-D）的问题，我们表明存在一个交叉的壁热传输从最初的影响为主，最终喷射为主的瑞利数为$Ra\approx 3 \times 10^{11}$。这与在较低Ra的3-D对流中观察到的趋势一致，因此我们预计在那里也会发生类似的交叉。我们确定了一个湍流混合区的发展，连接到热羽流排放，作为交叉的主要机制。混合区逐渐垂直和水平延伸，因此对整个热传递变得越来越占主导地位。
2021-04-08 physics.flu-dyn
Near isotropic behaviour of turbulent thermal convection
本文采用直接数值模拟的方法研究了三维盒内湍流对流的各向异性。我们计算各向异性参数$A = u_\perp^{2}/(2u_{\parallel}^{2})$，其中$u_{\perp}$和$u_{\parallel}$是垂直和平行于浮力方向的速度分量，壳和环谱，以及壳到壳的能量转移。我们观察到，流动几乎是各向同性的普朗特数$\mathrm{Pr} \approx 1$，但各向异性增加与普朗特数。因此，对于$\mathrm{Pr}=\infty$、$A \approx 0.3$，即使在极端情况下，各向异性也不是非常显著。我们还观察到，$u_{\parallel}$通过压力向$u_{\perp}$提供能量。通过对壳-壳能量传递的计算表明，湍流对流中的能量传递是局部的、向前的，类似于流体动力学湍流。这些结果与Kumar等人观测到的Kolmogorov谱一致。[Phys. Rev. E { \bf 90}，023016（2014）]中描述的湍流对流。
2016-11-28 physics.flu-dyn
Limitations of estimating turbulent convection velocities from PIV
本文讨论了用粒子图像测速技术（PIV）测定湍流对流速度的方法。湍流对流速度是感兴趣的，因为它们可以用来映射到空间的时间信息。对流速度可以用几种不同的方法定义。一种方法是使用具有时间分离的两个信号的相位谱。获得每波数的对流速度涉及确定空间谱。PIV数据在空间分辨率和样品长度方面受到限制。研究了空间分辨率和频率分辨率截断的影响，以及空间滤波和测量噪声的影响。这些问题进行了研究，通过使用合成的数据集，通过创建速度-时间数据与强加的频谱。从验证的结果表明，当应用一个汉明窗口之前，确定的相位谱，有一个可用的波数范围内的对流速度可以确定。模拟的流动演变，进出测量平面的运动，和测量噪声表明，这些结果在对流速度的传播使用当前的方法。尽管存在这种扩散，但最可能的计算对流速度与施加的对流速度一致。用$Re_τ\approx 2700$对湍流边界层进行了相谱分析，结果表明，对流速度存在一定的范围，最可几对流速度等于当地的平均速度。
2013-11-25 physics.flu-dyn
Subcritical turbulent condensate in rapidly rotating Rayleigh-Bénard convection
探讨了在地转湍流区快速旋转的热驱动对流的亚临界行为的可能性。在这种情况下，非局部逆能量转移可能会与更传统的和局部的直接级联竞争。我们表明，即使对于控制参数，没有逆级联先前已被观察到，亚临界过渡到一个大规模的涡状态时，系统初始化的有限振幅的涡偶极子可以发生。这个新的例子双稳态的湍流，这可能不是特定的旋转对流，开辟了新的途径，研究能量转移的强各向异性的三维流动。
2019-01-14 physics.flu-dyn
Thermal Waves and Heat Transfer Efficiency Enhancement in Harmonically Modulated Turbulent Thermal Convection
我们研究了瑞利数为4 E8 < Ra <2 E12的40年的湍流瑞利-贝纳德对流，同时对我们圆柱形单元的板的温度进行谐波调制。我们探测的流动放置在细胞内部的温度传感器和嵌入在高导电铜板和检测热波传播调制频率在大部分的对流。我们证实了最近的数值预测[PRL 125，154502（2020）]的努塞尔数的显着增强，并报告其依赖于板的温度调制的频率和幅度。
2021-10-19 physics.flu-dyn
Thermal behaviour of settling heavy inertial particles in turbulent natural convection
University of Torino（都灵大学）
本研究通过直接数值模拟，探讨了湍流热对流中沉降重惯性粒子的动力学与热行为，量化了动态和热惯性效应，并揭示了粒子速度与温度波动与流体变量的相关性及沉降与优先集中的相互作用。
2026-09-25 physics.flu-dyn
Multiple states in turbulent large-aspect ratio thermal convection: What determines the number of convection rolls?
最近的研究结果表明，壁边界湍流可以采取不同的统计稳定的湍流状态，不同的传输特性，即使是非常相同的值的控制参数。系统的状态取决于初始条件。本文以无滑移平板和水平周期性边界条件为模型系统，分析了大纵横比（$Γ$）二维湍流Rayleigh-Bénard流中的多态性。我们确定对流卷的数量$n$，它们的平均纵横比$Γ_r = Γ/n$，以及相应的流动传输特性（即，Nusselt数$Nu$），作为控制参数Rayleigh（$Ra$）和Prandtl数的函数。发现$Nu \sim Ra^β$中的有效标度指数$β$依赖于实现的状态，从而依赖于$Γ_r$，对于较小的$Γ_r$具有较大的值。利用推广的Friedrichs不等式，我们证明了椭圆不稳定性和粘性阻尼决定了可实现湍流态的$Γ_r$窗口。理论结果与我们的数值计算结果$2/3 \le Γ_r \le 4/3$非常吻合，其中较低的阈值接近较大的$Ra$。最后，我们表明，框架$Γ_r$的理论方法也适用于自由滑移边界条件。
2020-05-10 physics.flu-dyn
A model for the large-scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection
本文提出了一个湍流瑞利-贝纳德对流的大尺度环流动力学模式。它由两个随机常微分方程的纳维-斯托克斯方程，每个LSC的强度和方位角的方向。随机力在现象上代表了湍流涨落对LSC的作用。在没有可调参数的情况下，该模型产生了一个曲折的LSC，偶尔会旋转，并且每天发生几次更罕见的停止-与实验只有大约两个因素的差异。与实验结果一样，LSC取向变化的分布对于终止是均匀的，对于旋转是幂律的。
2006-12-13 physics.flu-dyn
Boundary layers in turbulent Rayleigh-Bénard convection in air
在这个流体动力学视频中，可以看到矩形Rayleigh-Bénard对流单元中的边界层流动。实验在瑞利数$Ra=1.3\times 10^{10}$和普朗特数$Pr=0.7$的空气中进行。在加热板的选定位置捕获的各种序列表明，边界层是一个非常瞬态的流动区域，其特征在于永久演变的相干结构。在大尺度环流冲击或离开底板的区域，它变得完全湍流。
2012-09-27 physics.flu-dyn
Rare fluctuations and large-scale circulation cessations in turbulent convection
在湍流Rayleigh-Benard对流中，大尺度环流（LSC）在几乎垂直的平面内发展，并由从不稳定的热边界层分离的上升和下降的羽流维持。LSC振幅的罕见但大的波动可能导致LSC的灭绝（停止事件），然后是另一个具有不同（随机）方位角取向的LSC的重新出现。我们扩展以前的模型的LSC动力学包括动量和热扩散的方位角平面，并计算的振幅和方位角的概率分布的尾巴。我们的分析结果与实验数据非常吻合。
2011-06-19 physics.flu-dyn
Describing the Heat Transport of Turbulent Rayleigh--Bénard Convection by POD methods
Rayleigh-Bénard对流是由浮力引起的封闭在两个水平板之间的流体运动，是研究热对流的理想设置。我们通过计算数值数据的正交分解（POD）来分析板之间传输最多热量的模式。而不是通常的POD anastomosis找到最好的描述能量的模式，我们提出了一种方法，这是最佳的描述热传输。由此，我们可以确定对对流单体中的热传输和相干结构有主要影响的模式。我们还表明，在低维预测的数值对流数据，新开发的模式执行一致优于标准模式。然后，我们使用这种方法来分析的主要模式，三维对流在圆柱形容器以及二维对流与不同的瑞利数和不同的纵横比。
2015-10-23 physics.flu-dyn
Elliptical Instability and Multi-Roll Flow Modes of the Large-scale Circulation in Confined Turbulent Rayleigh-Bénard Convection
细长圆柱单元中的湍流Rayleigh-Bénard对流表现出丰富的大尺度环流动力学（LSC），具有多个相互堆叠的卷。我们建议，椭圆形不稳定性的机制，导致扭曲和破碎的LSC成多个辊和体积平均的热量和动量的传输，所代表的努塞尔数和雷诺数，一般是较弱的较大数量的LSC辊$n$。这得到了$Ra=5\times10^5$、$Pr=0.1$、$H=5D$和$1\leq~n\leq4$的直接数值模拟的支持。
2020-02-17 physics.flu-dyn
Spectra and probability distributions of thermal flux in turbulent Rayleigh-Bénard convection
本文给出了有和无均匀旋转的瑞利-贝纳德对流中湍流热通量$\mathrm{H}(k)$的谱。频谱$\mathrm{H}(k)$随波数$k$缩放为$\sim k^{-2}$。标度指数几乎与泰勒数$\mathrm{Ta}$和普朗特数$\mathrm{Pr}$无关，因为约化瑞利数$r$（$ > 10^3$）的值较高。然而，对于较小的$r$值（$<10^3$），指数取决于$\mathrm{Ta}$和$\mathrm{Pr}$。局地热通量的概率分布函数为非高斯分布，具有指数尾。
2016-05-02 physics.flu-dyn
Prandtl-Blasius temperature and velocity boundary layer profiles in turbulent Rayleigh-Bénard convection
在Rayleigh数范围$10^8\lesssim Ra\lesssim3\times10^{11}$和Prandtl数范围$0.7\lesssim Pr\lesssim5.4$内，对水平导热平板附近湍流Rayleigh-Bénard对流的速度和温度分布进行了数值和实验研究.结果表明，温度和速度分布与经典的Prandtl-Blasius层流边界层分布吻合得很好，如果将它们分别在随瞬时温度和速度边界层厚度波动的动力学参考系中重新采样的话.
2010-02-06 physics.flu-dyn
On scaling laws in turbulent magnetohydrodynamic Rayleigh-Benard convection
我们调用磁边界层和磁瑞利数的概念，并使用在体和边界层的磁能量耗散率导出一些标度律表示如何Nusselt数依赖于磁瑞利数，普朗特数和磁普朗特数的湍流磁流体动力学Rayleigh-Benard对流在均匀垂直磁场的存在下的简单情况。
2008-02-12 physics.flu-dyn
Limiting regimes of turbulent horizontal convection. Part I: Intermediate and low Prandtl numbers
我们报告存在两个新的限制湍流制度在水平对流（HC）使用直接数值模拟在中低普朗特数。沿水平表面的水平梯度驱动的流动，垂直于重力的重力加速度被证明是过渡到湍流的羽流和核心，修改的热量和动量的传输率。这些转变设定了一系列的标度律，将Shishkina，Grossmann & Lohse（SGL）理论与Hughes，Griffiths & Mullarney（HGM）理论的理论论点混合在一起。这些结果嵌入在SGL理论的HGM模型，同意，并在高瑞利数水平对流的已知状态图扩展。特别是，我们表明，HC和瑞利-贝纳德共享相似的湍流特性在低普朗特数，HC是第一次被其核心动力学和湍流边界层。这种新的情况下证实，充分湍流HC增强运输的热量和动量相对于以前报道的制度在高瑞利数。这项工作提供了新的见解水平对流地球物理流动，如在大气中发现的翻转环流，海洋和地球内核附近的流动的适用性。
2020-04-30 physics.flu-dyn
Turbulent mesoscale convection in the Boussinesq limit and beyond
本文综述了Boussinesq极限及非Boussinesq条件下的湍流中尺度对流，通过三维直接数值模拟研究边界条件、域形状和普朗特数的影响，并分析动能耗散率在可压缩对流中的核心作用。
2025-01-08 physics.flu-dyn
Scaling and spatial intermittency of thermal dissipation in turbulent convection
我们推导出的比例关系的热耗散率在散装和边界层中，大普朗特数（Pr）对流。利用直接数值模拟的瑞利-贝纳德对流，我们表明，在散装的热耗散被抑制相比，被动标量耗散。我们进一步表明，在边界层中的耗散占主导地位，在散装为中等和大Pr。热耗散率的概率分布函数，无论是在散装和边界层，拉伸指数，类似于被动标量耗散。
2019-07-17 physics.flu-dyn
Similarity model for corner roll in turbulent Rayleigh-Benard convection
Rayleigh-Bénard（RB）对流中的角滚（CR）是角部热传输和对流流动行为的主要原因。对$10^8<Ra<5\times10^9$的三维直接数值模拟结果表明，CR具有良好的相似性和多层结构。利用同伦理论和结构系综动力学理论，构造了一个流函数。该模型对角辊$Re_{cr}\sim Ra^{1/4}$的雷诺数进行了定标。CR尺度$r = 0.77 Ra^{-0.085}$的缩放表明风引起的强近壁剪切，并提供了高$Ra$时“极限状态”的概率。
2018-09-02 physics.flu-dyn
Orientation changes of the large-scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection
本文测量了纵横比为1的圆柱形单元中湍流Rayleigh-Benard对流的大尺度环流（LSC）的方向θ_0（t）。θ_0（t）经历不规则的重新取向。它包含通过具有单调递减概率分布p（Delta theta）的角度Delta theta的旋转和具有均匀p（Delta theta）的终止（LSC暂时停止）的重定向事件。重新定位具有时间上的泊松统计数据。LSC的振幅与方位角旋转速率的大小呈负相关。
2005-06-03 physics.flu-dyn
Pair dispersion in inhomogeneous turbulent thermal convection
由于大尺度流动的不均匀性和温度的影响，热对流中的湍流小尺度结构仍然是一个活跃的研究领域，特别是考虑到复杂的拉格朗日统计。在这里，我们实验研究拉格朗日对色散（拉格朗日湍流的典型问题之一）在瑞利-贝纳德对流单体。在水平流体层上施加足够高的温差以观察湍流。我们进行拉格朗日跟踪的亚毫米粒子上的一个大的测量体积，包括大尺度环流（LSC）揭示了一些大的不均匀性的一部分。我们的研究为我们对湍流热对流的理解带来了一些新的见解：（i）通过将粒子拉格朗日动力学分解为LSC贡献和湍流涨落，我们突出了这两种贡献对色散的相对影响;（ii）使用相同的分解，我们从对统计估计欧拉二阶速度结构函数，并表明在去除LSC贡献后，其余的统计数据恢复通常的均匀和各向同性的行为，这是由当地的能量耗散率，以区别于传统的全球耗散率，以消除湍流热对流;和（iii）我们重温超扩散的Richardson-Obukhov制度的粒子分散，并提出了一个完善的估计的Richardson常数。
2019-07-01 physics.flu-dyn
Frictional boundary layer effect on vortex condensation in rotating turbulent convection
我们进行直接数值模拟旋转Rayleigh-Bénard对流的流体与低（$Pr=0.1$）和高（$Pr=5$）普朗特数在水平周期层无滑移的顶部和底部边界。在这两个普朗特数，我们证明了一个高档转移的动能，导致域填充涡结构的发展的存在。足够强的浮力强迫和旋转促进准二维湍流状态的流动，尽管形成的羽状垂直扰动促进所谓的埃克曼泵从粘性边界层。
2020-01-31 physics.flu-dyn
Prandtl-, Rayleigh-, and Rossby-number dependence of heat transport in turbulent rotating Rayleigh-Benard convection
实验和数值数据的传热作为一个功能的瑞利，普朗特，和Rossby数在湍流旋转瑞利-贝纳德对流。对于相对小的$Ra ~ 10^8$和大的Pr，适度的旋转可以将传热提高高达30%。在较大的Ra有较少的传热增强，并在小Pr = 0.7。根本没有传热增强。我们认为，小Pr的行为是由于故障的传热增强Ekman泵，因为更大的热扩散。
2008-11-04 physics.flu-dyn
Origin of the Temperature Oscillation in Turbulent Thermal Convection
本文对圆柱形Rayleigh-Bénard对流单体中低频温度振荡的三维空间结构进行了实验研究。研究发现，热羽流不是周期性地从顶板和底板发射，而是随机和连续的。我们进一步发现，温度场的振荡并不起源于边界层，而是热的上升流体和冷的下降流体的水平运动被整体流场的扭转和晃动运动调制的结果。
2008-11-18 physics.flu-dyn
Search for the "ultimate state" in turbulent Rayleigh-Bénard convection
测量的努塞尔数$Nu$和温度变化$ΔT_b$在体相流体中的圆柱形样品的湍流瑞利-贝纳德对流。它们涵盖了瑞利数范围$10^{9} \alt Ra \alt 3\times 10^{14}$，使用He（普朗特数$Pr = 0.67$）、N $_2$（$Pr = 0.72$）和SF $_6$（$Pr = 0.79$至0.84），压力高达15 bar，接近环境温度。样品的高度为$L=2.24$ m，直径为$D = 1.12$ m，位于德国哥廷根的马克斯·普朗克动力学和自组织研究所的一个新的高压对流设施（HPCF）中。这些数据并没有显示出向Chavanne等人报告的"极限状态"的转变，并且与Niemela等人的测量结果一致。
2009-04-16 physics.flu-dyn
Frequency spectra of turbulent thermal convection with uniform rotation
通过对低普朗特数流体中绕垂直轴均匀旋转的Rayleigh-Bénard湍流对流（$\mathrm{Pr} < 0.6$）的直接数值模拟，计算了熵和动能的频谱以及热通量的功率谱.对对流Rossby数$\mathrm{Ro} \ge 0.2$进行了模拟。这些全球数量的时间波动显示两个标度制度：（i）$ω^{-2}$在较高频率的所有值的$\mathrm{Ro}$和（ii）$ω^{-γ_1}$在中频与$γ_1 \approx 4$的$\mathrm{Ro} > 1$，而$4 < γ_1 < 6.6$的$0.2 \le \mathrm{Ro} < 1$。
2014-11-03 physics.flu-dyn
Prediction of temperature distribution in turbulent Rayleigh-Benard convection
本文提出了一个关于Rayleigh-Benard对流（RBC）中垂直平均温度剖面（MTP）的定量理论，它解释了Ahlers等人最近对对数律的实验和数值观测。（Phys. Rev. Lett.，2012年）。多层模型制定和量化，其预测同意DNS和实验数据的瑞利数（Ra）超过七十年。特别地，热缓冲层遵循1/7比例，如先前假定的混合区（Procaccia等人，Phys.Rev.A，1991），并且产生Ra依赖的对数定律常数。基于目前对体MTP的多层量化，提出了一种新的Nu（Ra）依赖性参数化。
2014-01-09 physics.flu-dyn
Horizontal velocity field near the hot plate in turbulent natural convection
我们研究的速度场在水平（x-y）平面上的热板1.5毫米以上的湍流自然对流，使用PIV在瑞利数Raw=106和普朗特数Pr=5.2。测量平面位于根据自然对流边界层方程[7]估算的速度边界层内，以及由于大尺度流动[2，5]而导致的速度边界层内。边界层由线羽流组成，线羽流之间有下沉流体。从下沉流体中心到线羽流的瞬时速度变化被发现偏离经典的Prandtl-Blasius层流边界层轮廓，这被GL理论假定为边界层的性质[2，5]。计算结果与自然对流边界层廓线吻合较好。时间平均的平均速度变化偏离自然对流和Blasius型配置文件的预期，因为它取决于线羽的方向。我们的测量结果证明了在线状羽流两侧存在自然对流边界层的理论[10]。
2014-04-04 physics.flu-dyn
Boundary Zonal Flow in Rotating Turbulent Rayleigh-Bénard Convection
对于细长圆柱体中快速旋转的湍流Rayleigh-Bénard对流，实验和直接数值模拟揭示了边界带状流（BZF），它取代了经典的大尺度环流。BZF位于垂直侧壁附近，并能够增强那里的热传输。虽然BZF的方位角速度是气旋性的（在旋转框架中），但温度是模式1的反气旋性行波，其签名是径向边界附近的双峰温度分布。发现BZF宽度像$Ra^{1/4}Ek^{2/3}$一样缩放，其中Ekman数$Ek$随着旋转速率的增加而减小。
2019-11-21 physics.flu-dyn
Heat and momentum transport in turbulent horizontal convection at low Prandtl numbers
本文用Shishkina，Grossmann & Lohse（SGL）理论分析了在低普朗特数情况下水平对流向新湍流区的转变。沿水平表面的水平梯度驱动的流动，垂直于重力的重力加速度被示出为在羽流和核心中过渡到湍流。这种过渡到湍流设置一个序列的传热和动量输运缩放被发现遵循SGL预测的缩放因子和休斯，格里菲斯和Mullarney（HGM）的预测较大的强迫振幅。这些结果嵌入的SGL理论的HGM模型，同意并扩展了已知的水平对流的制度图，并提供了第一个证据，这两个制度在低和中间普朗特数，并揭示了新的见解HC在地球内核动力学的作用。
2018-05-29 physics.flu-dyn
Effect of weak rotation on large-scale circulation cessations in turbulent convection
我们研究了弱旋转对湍流Rayleigh-Bénard对流的大尺度环流（LSC）的影响，使用先前研究的流的低维随机模型中的终止理论。我们确定的停止频率的LSC作为一个函数的旋转，并计算统计的振幅和方位角速度波动的LSC作为一个函数的旋转速率为不同的瑞利数。此外，我们表明，尾部的重定向概率分布函数保持不变的旋转系统，而LSC振幅的分布和相应的停止频率的强烈影响旋转。我们的结果与实验观察结果非常一致。
2012-08-19 physics.flu-dyn
Logarithmic mean temperature profiles and their connection to plume emissions in turbulent Rayleigh-Bénard convection
在$Ra = 5\times10^{10}$进行的Rayleigh-Bénard对流的二维模拟表明，在热羽流发射的边界层区域可以观察到垂直对数平均温度分布。廓线仅在这些区域是对数的，而在边界层的其余部分不是对数的，在这些区域廓线被大尺度风剪切并受到羽流的影响。此外，对数行为在水平平均中不可见。研究结果表明，温度分布与热羽流排放密切相关，并支持一种观点，即部分边界层可能是湍流的，而其他部分则不是。因此，向极限状态的过渡（在极限状态中，边界层被认为是完全湍流的）可以理解为边界层的羽流发射（“湍流”）区域的分数逐渐增加。
2015-10-06 physics.flu-dyn
Connecting flow structures and heat flux in turbulent Rayleigh-Bénard convection
本文用数值方法研究了二维Rayleigh-Bénard湍流对流中传热（无量纲形式的努塞尔数Nu）与纵横比（Γ）的关系，其中Rayleigh数为$0.4 \le Γ\le 1.25$，Prandtl数为Pr =0.7（气体）和Pr = 4.3（水）。Nu（Γ）表现出非常丰富的结构，具有突跳和急剧的跃迁。我们将这些结构与样品中流动的组织方式联系起来，并解释了为什么Nu的纵横比依赖性对于小Pr更为明显。即使对于固定的Γ，也可以存在不同的湍流状态（产生不同的Nu），流动可以或不能在这些状态之间切换。因此，在后一种情况下，热传递取决于初始条件。
2011-09-30 physics.flu-dyn
The energy flux spectrum of internal waves generated by turbulent convection
我们提出了一个自洽的，Boussinesq和笛卡尔模型的对流稳定分层流体湍流对流激发内波的三维直接数值模拟。我们证明，在大瑞利数（$Ra\in [4\times 10^7,10^9]$）和大分层（Brunt-Väisälä频率$f_N \gg f_c$，其中$f_c$是对流频率）的限制下，模拟与假设波是由湍流区域中的涡流引起的雷诺应力产生的理论（Lecoanet \& Quataert 2013 MNRAS 430（3）2363-2376）非常一致。具体来说，我们证明了波能通量谱的尺度类似于弱阻尼波的$k_{\perp}^4f^{-13/2}$（$k_{\perp}$和$f$是波的水平波数和频率），并且总波能通量随$z$（距对流区域的距离）衰减，就像$z^{-13/8}$。
2018-08-14 physics.flu-dyn
Turbulent Rayleigh-Bénard convection described by projected dynamics in phase space
Rayleigh-Bénard对流，即由温度梯度驱动的两个平行板之间的流体流动，是研究热对流的理想设置。特别感兴趣的是湍流温度场的统计数据，我们正在研究和比较三种不同的几何形状，即在三维和二维周期性水平边界条件下的对流以及圆柱形容器中的对流，以找出相似性和差异。为此，我们推导出一个精确的温度概率密度函数（PDF）的演化方程。未封闭项表示为速度和热扩散的条件平均值，其从直接数值模拟估计。这个框架让我们通过揭示对流单体不同部分不同温度流体的平均演化来识别流体粒子的平均行为。我们将统计数据与Rayleigh-Bénard对流的动力学联系起来，从而更深入地了解温度统计和传输机制。我们发现，平均行为描述的封闭循环相空间，重建典型的Rayleigh-Bénard循环的流体加热的底部，上升到顶板，冷却下来，再次下降。详细的行为显示了这三种情况之间的细微差异。
2015-08-17 physics.flu-dyn
Tailoring boundary geometry to optimize heat transport in turbulent convection
通过调整湍流Rayleigh-Bénard对流中上边界的几何形状，我们操纵边界层-内部流动相互作用，并使用格子玻尔兹曼方法研究热输运。对于固定的振幅和变化的边界波长$λ$，我们发现，指数$β$的努塞尔-瑞利标度关系，$Nu-1 \propto Ra^β$，是最大化的$λ\equiv λ_{\text{max}} \approx (2 π)^{-1}$，但衰减到平面值在大（$λ\gg λ_{\text{max}}$）和小（$λ\ll λ_{\text{max}}$）的波长限制。指数的变化源于边界层和内部流动之间的耦合的性质。我们提出了一个简单的缩放参数体现这种耦合，它描述了最大的对流热通量。
2015-08-08 physics.flu-dyn
Reynolds numbers of the large-scale flow in turbulent Rayleigh-Benard Convection
对于纵横比γ = 1的圆柱形样品，我们测量了瑞利数范围为2 × 10^8 < R < 10^11和普朗特数范围为3.3 < sigma < 29的湍流瑞利-贝纳德对流的雷诺数R_e。当R < R_c = 3 × 10 ^9时，我们发现R_e ~ R^beta_eff，其中beta_eff = 0.46 < 1/2。这里的sigma-和R-依赖性在数量上与Grossmann-Lohse（GL）预测一致。当R > R_c时，我们发现R_e = 0.106 σ ^-3/4 R^1/2，这与GL的预测不同。在R_c到大R区的相对急剧的转变表明了一个质的和突然的变化，使GL预测不适用。
2005-07-06 physics.flu-dyn
Prandtl number dependence of the small-scale properties in turbulent Rayleigh-Bénard convection
本文利用数值模拟的方法分析了湍流热对流的谱和动能通量以及能量注入率和耗散率与普朗特数（Pr）的关系。正如预期的那样，对于具有$ \mathrm{Pr} \lessapprox 1 $的流动，惯性范围动能通量是恒定的，动能谱是类Kolmogorov（$ k^{-5/3} $）。更重要的是，我们发现，动能通量和频谱的振幅和结构函数的增加与Pr的减少，从而表现出更强的非线性与小普朗特数的流动。与这些观察结果一致，动能注入率和耗散率也随着Pr的降低而增加。我们的结果与早期的研究报告雷诺数是湍流对流中普朗特数的递减函数相一致。另一方面，局部热通量概率分布的尾部随着Pr的增加而增长，表明局部热通量随Pr的波动增加。
2021-04-24 physics.flu-dyn
Supergravitational turbulent thermal convection
高瑞利数对流湍流在许多自然现象和工业中普遍存在，例如大气环流、海洋流动、行星流体核心中的流动以及能量产生。在这项工作中，我们提出了一种新的方法来提高瑞利数热对流，利用离心加速和快速旋转的圆柱环，以达到60倍地球重力的有效重力。我们发现，在该政权的科里奥利效应是强的，Nusselt数与瑞利数的标度指数超过三分之一，一旦瑞利数是足够大的。对流卷沿反方向旋转，标志着纬向气流的出现。目前的研究结果开辟了一个新的途径，探索高瑞利数湍流热对流，并将提高地球物理和天体物理流动和其他强旋转系统的流动动力学和传热过程的理解。
2022-01-04 physics.flu-dyn
Heat transport by turbulent Rayleigh-Bénard convection for $\Pra\ \simeq 0.8$ and $3\times 10^{12} \alt \Ra\ \alt 10^{15}$: Aspect ratio $Γ= 0.50$
我们报告的热传输测量的实验结果，在努塞尔数\Nu的形式，在一个圆柱形样品的纵横比$Γ\equiv D/L = 0.50$（$D = 1.12$ m是直径和$L = 2.24$ m的高度）的湍流瑞利-贝纳德对流。测量是在高达19巴的压力下使用六氟化硫作为流体进行的。它们适用于瑞利数范围$3\times 10^{12} \alt \Ra \alt 10^{15}$和介于0.79和0.86之间的普朗特数\Pra。对于$\Ra < \Ra^*_1 \simeq 1.4\times 10^{13}$，我们发现$\Nu = N_0 \Ra^{γ_{eff}}$与$γ_{eff} = 0.312 \pm 0.002$，符合经典的湍流瑞利-贝纳德对流系统的层流边界层下面的顶部和上面的底板。对于$\Ra^*_1 < \Ra < \Ra^*_2$（含$\Ra^*_2 \simeq 5\times 10^{14}$），$γ_{eff}$逐渐增加至$0.37\pm 0.01$。我们认为，以上$\Ra^*_2$的系统是在对流的边界层，热的和动力的，也是湍流的最终状态。几个以前的测量$Γ= 0.50$重新检查，并与目前的结果进行比较。
2012-05-01 physics.flu-dyn
Complexity of viscous dissipation in turbulent thermal convection
利用直接数值模拟的瑞利数（$\mathrm{Ra}$）之间的$10^6$和$10^8$和单位普朗特数的湍流热对流，我们推导出的体积和边界层中的粘性耗散的标度关系。我们表明，相反的一般信念，总的粘性耗散在散装是更大的，虽然边际，比在边界层。体积耗散率与对数正态分布的流体动力学湍流相似，但与$(U^3/d)$相差$\mathrm{Ra}^{-0.18}$倍。边界层中的粘性耗散较少，但更强烈，呈拉伸指数分布。
2018-04-06 physics.flu-dyn
Scale-resolved turbulent Prandtl number for Rayleigh-Bénard convection at $\boldsymbol{Pr =10^{-3}}$
Indian Institute of Technology Mandi（印度技术学院曼迪分校）；Indian Institute of Technology Roorkee（印度技术学院卢尔基分校）；Nagoya Institute of Technology（名古屋工业大学）；Keio University（庆应义塾大学）
本研究通过直接数值模拟，揭示了低普朗特数瑞利-贝纳德对流中湍流普朗特数显著高于分子普朗特数，且在惯性子层上端表现尤为突出。
2025-06-27 physics.flu-dyn
A criterion to detect line plumes from velocity fields in turbulent convection
我们提出了一个简单的，新的标准提取线羽流的速度场，而不使用温度场，在一个水平面接近平板的湍流对流。现有的针对剪切驱动壁湍流提出的速度场相干结构检测标准首次被证明不适合湍流对流。基于物理上的论证，我们提出了利用水平速度场的水平散度$\overline{\nabla_H}\cdot\overline{u}$的负值来提取羽流区域。的$\overline{\nabla_H}\cdot\overline{u}$标准，然后示出正确地预测的总长度的羽流的瑞利数范围为$7.7\times 10^5\le Ra_w\le 1.43\times 10^9$和普朗特数范围为$3.96\le Pr\le 5.3$。由本准则预测的羽流区域的厚度与由RMS温度波动的阈值$\sqrt{T'^2}=0.2 ΔT$获得的厚度大致相同，其中$ΔT$是穿过流体层的温度降。
2015-10-07 physics.flu-dyn
