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
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
Turbulent rotating convection confined in a slender cylinder: the sidewall circulation
最近的研究旋转瑞利-贝纳德对流在高转速和强热强迫的总热输运之间的显着差异的实验在一个封闭的圆柱形域的一方面和模拟的横向无约束的周期性域的另一方面。本文解决了这种差异，使用直接数值模拟的圆柱形域。对流场的分析揭示了壁附近的对流增强区域，即侧壁环流。侧壁环流在圆柱内沿反气旋方向缓慢旋转。它有一个回旋的结构，说明了平均流场的水平横截面的流动，其中瞬时快照的侧壁环流的方向进行补偿，然后平均。通过对侧壁区域和内部整体流动的单独分析，我们发现，对于较高的热强迫值，在侧壁环流区域之外的圆柱形区域的内部的热传输与无约束周期性区域上的热传输一致。因此，侧壁环流占两个考虑域之间的热传递的差异，而在散装的湍流热通量是相同的横向无界的周期性域。因此，实验，其固有的限制，仍然可以提供类似于模拟的无界域的湍流，并在更极端的值的热强迫和旋转的控制参数。我们还提供了实验证据的侧壁环流的存在，是在密切的协议与模拟结果。
2020-01-23 physics.flu-dyn
Numerical simulation of tidal synchronization of the large-scale circulation in Rayleigh-Bénard convection with aspect ratio 1
最近一系列论文的主题是对太阳发电机11.07年施瓦贝周期的明显相稳定性的一种可能的解释。同步的螺旋度的不稳定性与方位波数m=1的潮汐m=2扰动在这里发挥了关键作用。为了分析这种类型的相互作用在一个范例设置，我们研究了热驱动的瑞利-贝纳德对流（RBC）的液体金属的影响下的潮汐电磁强迫。如前所示，该强迫的时间调制在径向流速分量的m=2模式中作为峰值频率出现。在本文中，我们给出了关于RBC流的大尺度环流（LSC）与时间调制电磁强迫之间相互作用的新数值结果。
2022-09-15 physics.flu-dyn
Dynamics of reorientations and reversals of large scale flow in Rayleigh-Benard convection
本文用数值方法研究了长径比为1的圆柱形容器中对流流体大尺度环流的逆转和重定向。我们取Prandtl数为0.7，Rayleigh数在$6\times10^5$到$3\times10^7$的范围内。据观察，LSC的反转是由其沿方位角方向的重新取向引起的，这是使用在中平面中的侧表面附近测量的垂直速度的第一傅立叶模式的相位来量化的。在"完全反转“过程中，上述相位变化约为$180^0$，导致所有探头处的垂直速度反转。相反，在相位变化不同于$180^0$的“部分反转”期间，垂直速度仅在某些探头处反转。在数值上，我们观察到旋转和终止导致的重新取向，与早期的实验结果一致。第二傅立叶模式和第一傅立叶模式的振幅的比率在终止导致的重定向期间急剧上升。这一观测结果与在停止期间观测到的四极优势温度分布相一致。我们还观察到涉及双重停止的重新定向。
2010-08-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
The cause of oscillations of the large-scale circulation of turbulent Rayleigh-B{é}nard convection
与最近的实验发现夏等。（2009），我们还在纵横比为1的圆柱形样品中湍流瑞利-贝纳德对流的大尺度环流（LSC）实验中发现了晃动模式。晃动模式与Funfschilling和Ahlers（2004）发现的扭转振荡具有相同的频率。我们表明，这两种模式都可以通过以前开发的模型的扩展来描述[Brown和Ahlers（2008）]，该模型包括允许LSC循环平面远离样品垂直中心线的横向位移以及位移随高度的变化（原始模型中排除了这种位移）。由容器的侧壁产生的压力梯度平均地使LSC的平面居中，使得其优选地达到其最长直径。如果LSC远离该直径移位，则壁提供回复力。湍流波动驱动LSC远离中心对准，并且与回复力结合，它们导致振荡。这些振荡与LSC一起平流。该模型预测正确的波数和相位的振荡，以及频率，振幅和位移的概率分布的估计。
2009-02-25 physics.flu-dyn
Dynamical and statistical phenomena of circulation and heat transfer in periodically forced rotating turbulent Rayleigh-Benard convection
在本文中，我们提出的结果，从实验研究到湍流瑞利-贝纳德对流强迫外部周期性调制的单向旋转速率。我们发现大尺度环流的方位角旋转速度$\dotθ$（t）和热振幅$δ$（t）受到强迫的调制，表现出多种动力学特征，包括相位延迟的增加和$\dotθ$（t）振幅的共振峰。我们还专注于调制的旋转速率的随机停止/重定向事件的发生频率$η$的影响，以及这些事件和周期性调制的响应$\dotθ$（t）之间的相互作用。在这里，我们确定了一种机制，其中$η$可以被放大的调制响应和这些正常的随机事件可以发生高的规律性。我们提供了一个建模框架，解释所观察到的幅度和相位响应，并扩展这种方法，使停止事件的发生和概率分布的$\dotθ$（t）和$δ$（t）在调制周期的不同阶段的预测，基于绝热的方法，分别对待每个阶段。最后，我们表明，这种周期性的强迫有影响LSC动力学以外的后果，通过调查它如何可以修改的热传输，即使在条件下，埃克曼泵效应是占主导地位的，强烈增强的热传输发生。我们确定的相位和振幅响应的热传输，并显示如何增加调制的平均努塞尔数的影响。
2016-09-13 physics.flu-dyn
Reorientation of large-scale circulation of turbulent Rayleigh-Bénard convection in a cubic cell
本文对瑞利数范围为2X10^6 < Ra < 10^9的立方格子中空气湍流瑞利-贝纳德对流（Pr = 0.7）的大尺度环流动力学进行了直接数值模拟。LSC的强度和方向由垂直速度的第一傅立叶模式的振幅和相位来量化。包含LSC的平面通常沿着盒的对角线之一对齐，另一条对角线上有四辊结构。然而，一个异常的单辊状态与子结构注意到在低Ra的面平面。除了主要的滚动，两个次要的角滚动结构也观察到在LSC平面的大小增长和不稳定的LSC导致部分和完全逆转。除了先前报道的旋转导致的重新取向，我们还观察到停止事件，这是罕见的立方细胞。湍流动能的分布表明，能量主要是从非LSC平面提取，并通过传输机制馈送到LSC平面。我们观察到，角辊的大小减少和子结构减少，在较高的Ra，这导致在发生的LSC重取向的减少。
2019-09-24 physics.flu-dyn
Transition to double-cell mock Walker circulations with surface warming explained by periodic convection
Courant Institute of Mathematical Sciences, New York University（纽约大学柯朗数学科学研究所）；Institute of Earth Sciences, The Hebrew University of Jerusalem（耶路撒冷希伯来大学地球科学学院）；Department of Geosciences, Princeton University（普林斯顿大学地质科学系）；Program in Atmospheric and Oceanic Sciences, Princeton University（普林斯顿大学大气与海洋科学项目）
研究用周期性对流解释表面变暖时模拟沃克环流从单胞到双胞的转变，冷模拟中暖池由稳定深对流主导形成单胞，热模拟中暖池交替受深对流和层状模式主导形成双胞，揭示变暖时沃克环流强度减弱外还有结构变化及对流对翻转环流的影响。
2026-07-28 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Effect of the Earth's Coriolis force on the large-scale circulation of turbulent Rayleigh-Benard convection
我们提出了测量的大尺度环流（LSC）的湍流瑞利-贝纳德对流在充满水的圆柱形样品的高度等于他们的直径。LSC的方位具有不规则的时间依赖性，但当瑞利数R > 10 ^[10]时，它显示出一个平均周期约为3天的净方位角旋转。平均而言，即使在实验室中通过各种角度物理旋转设备后，LSC也有与向西的上升流和向东的下降流对齐的趋势。这两种现象都可以解释为地球科里奥利力与LSC耦合的结果。方位角旋转的速率可以从扩散LSC取向由于科里奥利力而具有势垒的蜿蜒模型计算。模型和数据揭示了对势垒的额外贡献，这可以归因于样品顶部的冷却系统，其在高R下主导LSC的优选取向。由于科里奥利力导致的LSC处于优选取向的趋势可以通过设备相对于重力的轻微倾斜来消除，尽管这种倾斜影响科里奥利力所不影响的LSC的其他方面。
2006-08-10 physics.flu-dyn
A model of diffusion in a potential well for the dynamics of the large-scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection
实验测量的性质的大尺度循环（LSC）在湍流对流的流体加热从下面的圆柱形容器的纵横比1，并用于测试扩散模型的势阱中的LSC。该模型由一对由纳维-斯托克斯方程驱动的随机常微分方程组成。这两个耦合方程是针对方位角取向θ_0和针对水平中平面处的方位角温度振幅δ的。该动力学是由于高斯分布的白噪声的驱动，该噪声被引入来表示小尺度湍流脉动对大尺度流动的作用。的扩散率，确定噪声强度的测量报告。两个时间尺度预测的模型被发现是在一个因素的两个或相应的实验测量。在一个大的实验参数范围内的测量证实了由模型预测的三角洲和雷诺数之间的比例关系。概率分布p（delta）和p（\dot θ_0）的高斯峰由模型精确描述;然而p（delta）的非高斯尾部不是。当以$δ$概率分布的尾部作为实验输入时，该模型准确地描述了频率、角度变化和振幅衰减。
2008-07-20 physics.flu-dyn
Low-dimensional model of the large-scale circulation of turbulent Rayleigh-B{é}nard convection in a cubic container
我们测试的低维湍流模型的能力，以预测如何动态的大规模相干结构，如对流卷在不同的细胞几何形状的变化。我们在一个立方体容器中进行了Rayleigh-Bénard对流实验，其中有一个被称为大尺度环流（LSC）的对流卷。该模型描述了运动的方向$θ_0$的LSC作为扩散的潜在的预测作为一个函数的形状的细胞从一个近似的解决方案的纳维-斯托克斯方程。该模型预测平流振荡模式，由非圆形细胞横截面产生的回复力驱动。我们观察到预测的最低波数模式，其中LSC方向$θ_0$振荡在一个角落，和晃动角$α$岩石来回，这是不同的高波数平流扭曲和晃动振荡中发现的圆柱形细胞。正如预测的那样，在LSC方向$θ_0$和晃动角$α$上，势能在每个角附近具有二次最小值，曲率相同。在临界Ra $=4\times10^8$以上发现了拐角处的新振荡模式，该模式在模型中表现为欠阻尼-过阻尼过渡的交叉。的潜力，振荡周期，功率谱，和振荡的临界Ra的固有频率都在一个因素的3的模型预测的瑞利数范围$8\times10^7 \le Ra \le 3\times 10^9$。然而，这些模型参数的不确定性太大，无法正确预测系统在给定Ra下是处于欠阻尼状态还是过阻尼状态。该模型在预测的潜力和流动模式的立方细胞的成功表明，这种建模方法可以更普遍地应用于不同的细胞几何形状，支持一个单一的对流辊。
2020-06-16 physics.flu-dyn
Azimuthal asymmetries of the large-scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection
以前，我们发表了一个动力学模型（E。Brown和G. Ahlers，Phys. Fluids，20，075101（2008）），用于圆柱形容器中瑞利-贝纳德对流的大尺度循环（LSC）动力学。该模型由一对随机常微分方程组成，由纳维-斯托克斯方程驱动，分别用于LSC的强度δ和方向θ_0。在这里，我们将其扩展到的情况下，系统的旋转不变性被打破的几个物理相关的扰动之一。作为一个例子，我们提出了实验测量的LSC动态容器倾斜相对于重力。在这种情况下，该模型预测，热边界层的浮力促使流体沿着最陡的斜坡行进，它将LSC锁定在这个方向上，并且它加强了流动，如实验所示。LSC强度的增加被证明是负责所观察到的cessations和方位角波动的抑制。我们预测并观察到，对于足够大的倾斜角，使流动与斜坡对齐的回复力足够强，以引起LSC围绕该方向的振荡。这种平面振荡模式不同于先前观察到的相干扭转振荡。该模型也适用于椭圆形横截面的容器，并预测，由于侧壁的压力迫使流到一个优选的方向上的最长直径。当椭圆率足够大时，预测围绕该取向的振荡。
2009-02-26 physics.flu-dyn
Effect of Plumes on Measuring the Large Scale Circulation in Turbulent Rayleigh-Bénard Convection
利用直接数值模拟的结果研究了湍流Rayleigh-Bénard（RB）对流中大尺度环流（LSC）的性质。LSC取向通过对用探针测量的方位角温度或方位角垂直速度分布的余弦或多项式拟合来确定。本文研究了直径为D，高度为L的Γ=D/L=1/2和Γ=1样本的LSC。对于Pr=6.4，在纵横比Γ=1的样品中，在$Ra=1\times10^8$和$5\times10^8$处，所获得的LSC取向是相同的，无论是否考虑每个水平面仅8个或所有64个探针的数据。在$Pr=0.7$为$Ra=1\times10^8$的Γ=1/2样品中，羽流对方位温度和方位垂直速度剖面的影响更强。由于通过羽流和/或角流，使用余弦拟合获得的表观LSC方向可能导致对大尺度流的特征的误解。我们引入了相对LSC强度，我们定义为第一傅立叶模式的能量与所有模式的能量之间的比率，可以从方位角温度和方位角垂直速度分布确定，以进一步量化大规模流动。对于$Ra=1\times10^8$，我们发现，在Γ=1/2样本中的相对LSC强度显著低于在Γ=1样本中的相对LSC强度，反映出在Γ=1样本中的LSC比在Γ=1/2样本中的LSC显著得多。相对LSC强度的确定可以直接应用于现有的实验数据，以研究高瑞利数热对流和旋转RB对流。
2011-09-30 physics.flu-dyn
Optimizing thermal convection by phase-locking circulation to wall oscillations
Beijing University of Aeronautics and Astronautics（北京航空航天大学）；National Supercomputing Center in Shenzhen（国家超级计算深圳中心）
研究通过相位锁定机制优化热对流，发现最佳频率下大尺度循环与壁面振荡同步，显著提升热传输效率，频率偏离最佳条件会导致循环响应时间变化，影响热传递效率。
2026-04-15 physics.flu-dyn
Dynamics and Statistics of Reorientations of Large-Scale Circulation in Turbulent Rotating Rayleigh-Bénard Convection
采用直接数值模拟方法研究了单位长宽比圆柱体中空气（$Pr=0.7$）湍流旋转瑞利-贝纳德对流（RRBC）中大尺度环流（LSC）重定向的动力学和统计特性.对于两个不同的瑞利数$Ra=2\times10^6$和$2\times10^7$，考虑了宽范围的旋转速率（$0\leq Ro^{-1}\leq 30$）。使用傅立叶模式分析的时间序列数据从不同的探头放置在方位角方向的容器中的中平面，LSC的取向和相关的动态的特点。第一傅立叶模的振幅量化了LSC的强度，其相位$Φ_1$给出了LSC的方位信息。基于傅立叶模式中包含的能量，不同的流态被识别为旋转速率是不同的对于给定的瑞利数。在低旋转区域（$Ro^{-1} \lesssim 1$）观察到LSC结构。观察到LSC结构的取向与传热和边界层动力学之间的强相关性。在LSC制度下，耗散率遵循对数正态行为，而在较高的旋转速率，明显偏离对数正态。不同类型的重定向，即旋转主导，终止主导，部分和完全逆转。LSC取向变化的分布遵循幂律行为，如$P(|ΔΦ_1|) \propto |ΔΦ_1|^{-m}$，指数为$m\approx 3.7$。此外，连续重定向之间的时间间隔的统计遵循泊松分布。这些观察结果与早期的实验结果吻合得很好。
2019-03-07 physics.flu-dyn
Oscillation in the temperature profile of the large-scale circulation of turbulent convection induced by a cubic container
我们目前的观测振荡的形状的大尺度环流（LSC）的湍流瑞利-B {é}nard对流的温度分布。温度测量值被分解为作为$θ-θ_0$的函数的傅立叶矩，其中$θ$是在中间高度处的水平面中的方位角，并且$θ_0$是LSC取向。在立方胞元中，振荡结构由三阶正弦矩和三阶余弦矩控制。与此相反，这些时刻没有发现在一个圆柱形细胞振荡。这种几何形状相关的行为可以通过一个模型来解释，该模型假设由LSC传输的热量是从热边界层传导的，并且与LSC沿着顶板和底板处的边界层的路径长度成比例。在非圆形横截面单元中，LSC取向$θ_0$的振荡导致LSC的参考系中的容器形状的振荡，导致在给定$θ-θ_0$下LSC的路径长度的振荡。在正方形横截面单元中，当使用$θ_0$的振荡幅度作为输入时，该模型预测了占主导地位的三阶正弦矩和三阶余弦矩，其幅度在测量值的50%以内。一个圆柱形的细胞是特殊的，因为路径长度是独立的$θ_0$，所以这些振荡的时刻是不会引起的。在一个圆柱形的细胞，该模型再现了正弦平均温度分布与晃动振荡占主导地位的二阶正弦矩，与以前的观察在该几何形状一致。
2020-06-18 physics.flu-dyn
Effects of tilt on the orientation dynamics of the large-scale circulation in turbulent Rayleigh-B{é}nard convection
我们实验测试的影响倾斜的湍流瑞利-B {é}nard对流单体上的大尺度环流（LSC）的动力学取向$θ_0$。测量$θ_0$的概率分布，并使用该概率分布来获得作用于$θ_0$的倾斜感应电势，该倾斜感应电势用于电势中$θ_0$的扩散的低维模型。势的形式在$θ_0$中是正弦的，并且对于小倾斜角在倾斜角中是线性的，这可以通过作用在LSC上的平均浮力的矢量方向的简单几何模型来解释。然而，倾斜引起的强迫的大小被发现是两个数量级比以前预测的大。当调整该参数以匹配从$θ_0$的概率分布获得的值时，扩散模型可以定量地预测倾斜对$θ_0$的影响。特别地，倾斜导致立方单元的相邻拐角之间的势垒高度的变化，并且以$\pm30\%$的精度预测$θ_0$逃离拐角的势垒跨越率的变化。当圆柱形电池倾斜时，倾斜感应电势提供了一个回复力，当它超过阻尼强度时，该恢复力会引起振荡;预测该临界倾斜角在20%以内，并且预测与测量的振荡频率一致。这些观测结果表明，一个自洽的低维模型可以扩展到包括由于倾斜的$θ_0$的动力学。然而，倾斜对$θ_0$的影响预测不足，需要重新考虑预测的幅度。
2020-07-28 physics.flu-dyn
Hysteresis phenomenon in turbulent convection
本文用粒子图像测速技术对下加热上冷却的矩形箱中空气湍流热对流的相干大尺度环流进行了实验研究。通过改变腔室底壁和顶壁之间的温差（Rayleigh数在$10^7 - 10^8$范围内变化）发现湍流对流中的滞后现象。滞后回线包括单胞和双胞流型，而纵横比保持恒定（$A=2 - 2.23$）。发现湍流各向异性程度符号的变化伴随着流型的变化。发展的湍流对流相干结构理论（Elperin et al.2002; 2005）与实验观测结果一致。所观察到的相干结构叠加在一个小尺度的湍流对流。湍流热通量的再分布对湍流对流中相干大尺度环流的形成起着至关重要的作用。
2006-02-24 physics.flu-dyn
Oscillations of the large-scale circulation in turbulent Rayleigh-Bénard convection: the off-center mode and its relationship with the torsional mode
本文报道了一个纵横比为1的Rayleigh-Bénard湍流对流单体中大尺度环流的实验研究。提出了一种获取LSC动态信息的温度极值提取（TEE）方法。利用该方法，可以从测量的瞬时方位温度分布中识别出热上升流和冷下降流沿侧壁的方位角位置。然后将LSC的运动分解为两种不同的模式：方位角模式和平移或偏心模式。与以往的正弦拟合（SF）方法相比，它被发现，这两种方法给出了相同的信息的方位角运动的LSC，但TEE方法另外可以提供信息的偏心运动的LSC，这是发现振荡的时间周期性的细胞的中心垂直轴的振幅几乎是独立的湍流强度。进一步发现，靠近底板的热上升流和靠近顶板的冷下降流的方位角位置以$π$周期性异相振荡，导致LSC的扭转模态。然后，这些振荡通过热的上升和冷的下降流体沿着侧壁垂直传播。当它们到达中间高度平面时，最热流体和最冷流体的方位角位置再次以$π$异相振荡。正是这种最热和最冷流体在同一水平面上的异相水平位置振荡产生了LSC的偏心振荡。直接的速度测量进一步证实了细胞中心附近的流场的整体偏心模式的存在。
2008-08-08 physics.flu-dyn
Azimuthal diffusion of the large-scale-circulation plane, and absence of significant non-Boussinesq effects, in turbulent convection near the ultimate-state transition
本文测量了具有纵横比为$Γ\equiv D/L = 1.00$（$D$和$L$分别为直径和高度）和普朗特数为$Pr \simeq 0.8$的湍流瑞利-贝纳德对流（RBC）圆柱样品中大尺度环流的方向$θ_0$和温度振幅$δ$。$θ_0$的结果显示了一个在西方向上流动的优先方向，与地球科里奥利力造成的方位不变性相一致[见\cite{BA06b} ]。他们得出了方位角扩散系数$D_θ$和相应的雷诺数$Re_θ$的瑞利数在范围$2\times 10^{12} < Ra < 1.5\times 10^{14}$。在经典状态（$Ra < 2\times 10^{13}$）下，结果与\cite{BA06a}对$Ra < 10^{11}$和$Pr = 4.38$的测量结果一致，$Pr = 4.38$给出了$Re_θ \propto Ra^{0.28}$，并且与普朗特数依赖性$Re_θ \propto Pr^{-1.2}$一致，正如先前对速度波动雷诺数$Re_V$ \cite []{HGBA 15 b}所发现的那样。在更大的$Ra$中，$Re_θ(Ra)$的数据揭示了一种新状态的转变，称为“最终”状态，这首先见于努塞尔数$Nu(Ra)$和$Ra^*_1 \simeq 2\times 10^{13}$和$Ra^*_2 \simeq 8\times 10^{13}$的$Re_V(Ra)$中。在最终状态下…
2016-01-18 physics.flu-dyn
Circulation Statistics in Rayleigh-Bénard Convection
Universidade Federal do Rio de Janeiro（里约热内卢联邦大学）；Technische Universität Ilmenau（伊尔梅瑙工业大学）；New York University（纽约大学）
研究瑞利-贝纳德对流中速度环流统计特性，通过直接数值模拟，发现热边界层内基本涡旋分布与温度场强相关，核心长宽比统计改变，环流概率分布函数有类似HIT的特征，远离热边界层时结构统计行为也似HIT。
2026-07-20 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Side-heated Rayleigh-Bénard Convection
本文通过向 Rayleigh-Bénard 对流腔体一侧加热并测量流场、温度与热通量，揭示侧壁加热可增强循环和传热，并提供控制经典热对流的简便途径。
2024-10-03 physics.flu-dyn
Thermoelastic fracturing and buoyancy-driven convection: Surprising sources of longevity for EGS circulation
本文通过数值模拟研究EGS中热弹性破裂与浮力对流的耦合效应，发现裂缝向下扩展可提升热寿命，并证明生产井流入控制能在保持流量和寿命优势的同时改善流动均匀性，使8000英尺双井系统可持续发电8-10兆瓦超过30年。
2023-08-05 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Flow structure transition in thermal vibrational convection
本文研究了振动对热振动对流（TVC）系统中流动结构转变的影响，这种转变发生在具有温度梯度的流体层被振动激发时。直接数值模拟的TVC在一个二维封闭的正方形盒子进行了无量纲振动振幅$0.001 \le a \le 0.3$和角频率$10^{2} \le ω\le 10^{7}$的范围内，与固定的普朗特数为4.38。流动可视化显示了流动结构在不同频率下的过渡行为，其特征在于三种不同的制度，即循环制度，柱状制度和柱状破碎制度。在边界层和中间高度的温度和速度波动的不同的统计特性进行了区分。在过渡到柱状政权，柱状热相干结构形成，与周期性振荡循环。这些柱是由边界层附近的热羽流合并而成的，由此产生的热上升气流保持在几乎固定的横向位置，导致波动减小。我们进一步发现，这个转变的临界点可以很好地描述振动瑞利数$Ra_\mathrm{vib}$。随着频率继续增加，进入所谓的柱状破碎状态，柱状结构被打破，最终流动状态变成大规模环流，其特征是波动突然增加。最后，构造了一个相图，以总结在很宽的振幅和频率参数范围内的流动结构转变。
2023-03-29 physics.flu-dyn
Tristable flow states and reversal of the large-scale circulation in two-dimensional circular convection cells
本文用数值方法研究了二维圆形Rayleigh-Bénard环流中大尺度环流的流动状态和环流逆转。在瑞利数（$Ra$）范围$10^{7} \le Ra \le 10^{8}$和普朗特数（$Pr$）范围$2.0 \le Pr \le 20.0$内进行了长时间直接数值模拟。我们发现，一个新的，长寿命的，混沌的流动状态存在，除了通常观察到的循环状态（LSC在顺时针和逆时针方向）。环流状态由一个位于中间的主卷和两个靠近上下圆壁的副卷组成。随着$Ra$的增加，主卷变得更强、更大，而两个次卷减小。研究结果表明，LSC的反转伴随着次级辊的生长，破坏初级辊，然后连接形成一个新的初级辊与反向。在$Ra$ - $Pr$空间中绘制了LSC存在和反转的相图，揭示了当$Ra$大而$Pr$小时，流动处于环流状态. LSC的逆转只能在有限的$Pr$范围内发生。相图可以理解为热扩散和粘性扩散之间的竞争。我们还发现，内部流动状态表现为整体的属性，如努塞尔数和雷诺数。
2021-01-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Oscillatory large-scale circulation in liquid-metal thermal convection and its structural unit
本研究针对低Pr数液态金属RBC，通过数值模拟与实验探究宽高比对JRV振荡模式的影响，发现Γ≈2.5时的JRV是构建大宽高比下交错JRV晶格的基本结构单元，单元数随Γ²增长，且振荡模式在Γ=2.5和5时更显著。
2023-04-22 physics.flu-dyn
Extreme dissipation event due to plume collision in a turbulent convection cell
一个极端的耗散事件在一个封闭的三维湍流对流单体的大部分被发现是与一个强大的减少系统中的大规模环流，发生在同一时间作为羽流排放事件从底板。大规模环流的减少为向下和向上流羽流的近正面碰撞以及在大体积中产生高振幅热耗散层提供了可能性。这种碰撞局部地连接到随后的高振幅能量耗散事件中的一个强剪切层的形式。我们的分析说明了过渡的影响，在大尺度结构的极端事件在最小尺度的湍流，一个直接的链接，观察到的流与边界层。我们还表明，极端耗散事件的检测，确定在散装的耗散场的长尾统计需要长时间的运动方程的积分超过至少一百个对流时间单位。
2016-09-16 physics.flu-dyn
Koopman analysis of the long-term evolution in a turbulent convection cell
通过Koopman特征函数分析，我们分析了封闭的立方湍流Rayleigh-Bénard对流单体中三维流动的长期演化。在这里，采用从机器学习中已知的扩散核导出的数据驱动基来表示在Galerkin近似意义下的酉Koopman群的正则化生成元。由此产生的Koopman特征函数可以根据立方盒中的离散对称性分组为子集。特别是，速度场的投影到第一组本征函数揭示了四个稳定的大尺度环流（LSC）状态的对流单体。我们重新捕获的优先循环辊在对角和短期切换通过辊状态平行的侧面，也已经看到在其他模拟和实验。对角宏观流动状态可以持续长达一千个对流自由落体时间单位。此外，我们发现，特定的Koopman特征函数的第二子集中服从增强振荡波动的LSC的特定稳定的对角状态。相应的速度场结构，如角涡和漩涡中平面，也讨论了通过时空重建。
2018-04-05 physics.flu-dyn
Meridional Circulation Dynamics in a Cyclic Convective Dynamo
地面观测表明，光球层中太阳纬向环流的速度与太阳活动周呈反相变化。目前对这种变化来源的解释是，流入活动区的气流改变了全球地面的纬向环流模式。当这些局部气流在整个半球上积分时，它们有助于轴对称极向水平分量的减慢。对流区深处的这种大规模流动的行为在很大程度上仍然未知。目前的日震技术还不够灵敏，无法捕捉到这种微弱的大尺度流动的动态。此外，绘制对流区内部的纬向环流所需的大量积分时间也掩盖了较短时间尺度上的一些可能的动态。在这项工作中，我们研究了从太阳对流区的3D MHD全球模拟出现的纬向环流的动力学。我们的目的是评估和量化的对流区，循环的大规模磁场可以达到相当大的强度内的对流循环的行为。我们的分析表明，纬向环流的形态和幅度都受到磁场的高度影响，通过对全球角动量分布的影响的磁转矩。由这些磁转矩引起的一个动态特征是在低对流区的中纬度出现一个突出的向上流动，该流动发生在环带的赤道边缘附近，并在周期最大值期间达到峰值。在全球范围内，发电机产生的大规模磁场驱动的纬向流的变化，在形成鲜明对比的传统的运动学通量传输观点的磁场被平流被动的流动。
2017-07-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Data-driven prediction of reversal of large-scale circulation in turbulent convection
本文利用储层计算和侧壁局部剪切率与温度数据，预测二维湍流瑞利-贝纳德对流中大尺度环流的反转，证明短期预测可行而长期预测因反转统计独立性而受限。
2025-03-17 nlin.CD physics.flu-dyn
Strong turbulent convection: distributed chaos and large-scale circulation
本文研究了大瑞利数下湍流热对流中分布混沌中空间平移对称性的两种自发破缺。第一种类型与边界有关，第二种类型与尺度惯性范围的出现有关。第一类是涡度相关积分$\int_{V} \langle {\boldsymbol ω} ({\bf x},t) \cdot {\boldsymbol ω} ({\bf x} + {\bf r},t) \rangle_{V} d{\bf r}$，其特征是$\exp-(k/k_β)^{β}$和$β=1/2$的指数谱展宽。第二类是以能量相关积分为主导的$\int_{V} \langle {\bf u}^2 ({\bf x},t) ~ {\bf u}^2({\bf x} + {\bf r},t) \rangle_{V} d{\bf r}$，以$β=3/5$为特征。与实验室在直立圆柱电池中瑞利数$Ra \sim 10^{11}-10^{14}$（与太阳光球层有关的范围）的大值下获得的实验数据已经建立了很好的一致性。泰勒假设将波数谱变换为频谱$\exp-(f/f_β)^{1/2}$。结果表明：大尺度环流（风）的周转频率为：$f_w = f_β/2$。文中还简要讨论了水平圆筒实验的结果。分析表明，在这种情况下，大尺度环流可以被认为是一个自然的（谐波）的分布混沌的一部分。
2016-05-02 astro-ph.SR nlin.CD 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
Rayleigh-Bénard thermal convection perturbed by a horizontal heat flux
在Rayleigh-Bénard对流中，已经发现通过流体的热量与所施加的温差具有幂律依赖性。改变这种依赖性，无论是增强还是降低流体的传热能力，在许多科学和实际应用中都是重要的。在这里，我们提出了一种简单的方法来控制瑞利-贝纳德对流的垂直传热通过注入热量通过一个横向侧的流体域和提取相同数量的热量从相对侧。这种水平热通量调节了大尺度环流，并增加了垂直方向的热传递速率。我们的数值和理论研究表明，经典的Rayleigh-Bénard对流响应这样的扰动，当系统是附近或远高于对流的发病。
2022-10-13 physics.flu-dyn
The Lagrangian kinetic energy cascade in Rayleigh-Bénard convection
本研究利用动能通量的拉格朗日描述，通过实验揭示了高Rayleigh数Rayleigh-Bénard对流中存在能量在小尺度向下、大尺度向上传递的分裂级串现象。
2025-05-03 physics.flu-dyn
Boundary layer structure in turbulent Rayleigh-Benard convection
用三维直接数值模拟方法研究了湍流Rayleigh-Benard对流中的边界层结构。我们认为对流在圆柱形细胞在一个纵横比为1的瑞利数Ra=3e+9和3e+10在固定的普朗特数Pr=0.7。在相同的实验装置和相同的普朗特数下，发现层流边界层的速度场和温度场的结构偏离了普朗特-布拉修斯-波尔豪森理论的预测。当执行具有瞬时定义的边界层厚度的数据的动态重新缩放并且分析平面与封闭单元中的大尺度环流的瞬时方向对齐时，偏差减小。我们的数值结果表明，重要的假设，进入现有的经典层流边界层理论的强制和自然对流被违反，如严格的二维的动态或流体运动的稳定性。边界层动力学由两个基本的局部动力学构件组成，即羽流分离和后羽流阶段。前者与速度和温度边界层的瞬时厚度的较大变化以及完全三维的局部流动有关。后羽动力学与从上方穿透边界区域的单元中的大尺度环流有关。的平均湍流轮廓采取局部部分的边界层的两个动态阶段也比较的边界层方程的扰动展开的解决方案，强制或自然对流向混合对流。我们对两个边界层的分析表明，近壁动力学结合了强迫Blasius型和自然对流的元素。
2012-04-23 physics.flu-dyn
Transient flows and reorientations of large-scale convection in a cubic cell
采用瑞利数$\Ray=10^8$和普朗特数$\Pran=0.7$的大涡模拟方法，研究了立方格子中湍流大尺度对流环流的瞬态过程。这是第一次，我们已经明确表明，LSC是伴随着大规模的方位角流动与非零的总角动量。它还表明，整个流体的固体旋转是没有实现的。结果表明，在LSC的准周期振荡期间，LSC平面的旋转与平均方位角运动之间的相关性较高，而在LSC重定向期间相关性相对较弱。我们提出了一个新的合理的情况下，在一个立方体的LSC的重新取向，不涉及平均方位流。而不是一个单一的辊，我们引入了一对大规模的正交准二维（Q2D）辊的叠加和LSC的重新取向发生作为一个Q2D辊的停止的结果。这种情况与所有已知的实验和数值数据是一致的。
2019-07-27 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
Dynamics and symmetries of flow reversals in turbulent convection
基于直接数值模拟和对称性论证，我们表明，大尺度傅立叶模式是有用的工具来描述的流动结构和流动逆转的Rayleigh-Bénard对流（RBC）的动力学。我们观察到，在反转过程中，一个大尺度模式的振幅消失，而另一个模式急剧上升，非常类似于早期在实验和数值模拟中观察到的“终止导致”的反转。我们发现在逆转的努塞尔数的异常波动。利用RBC方程在傅里叶空间中的结构，我们推导出两个对称变换，使方程不变。这些对称变换有助于我们识别反转和非反转傅立叶模式。
2011-03-27 astro-ph.EP nlin.CD 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
Robustness of heat-transfer in confined inclined convection at high-Prandtl-number
我们调查的依赖性的对流细胞作为其倾斜度的函数，通过实验和模拟的热量传递的大小。进行研究的工作流体的大普朗特数，$Pr \simeq 480$，并在瑞利数$Ra \simeq 10^{8}$和$Ra \simeq 5 \times 10^{8}$在一个准二维的矩形单元与单位纵横比。通过改变对流单体的倾角（$β$），流动的特征可以从$β= 0^o$的中等湍流变为$β= 90^o$的层流和稳定。被发现的全球热传递是不敏感的湍流强度的急剧减少，与最大的相对变化的顺序$20\%$在$Ra \simeq 10^{8}$和$10\%$在$Ra \simeq 5 \times 10^{8}$，而雷诺数的基础上的全球均方根速度，强烈影响的衰减超过$85\%$发生在层流制度。我们表明，在湍流状态下的热通量的强度可以通过建立一个大规模的循环流动，通过小的倾角只有微弱的增强。另一方面，在层流状态下，热量仅由缓慢的大尺度循环流传输，该循环流在速度场和温度场之间表现出大的相关性。当倾斜角接近类顺磁状态和层流状态之间的过渡区时，观察到准周期热流爆发现象。
2018-09-04 physics.flu-dyn
Interactions between two adjacent convection rolls in turbulent Rayleigh-Benard convection
本研究通过带隔墙的双立方腔体湍流Rayleigh-Bénard对流实验，结合基于温度湍流扩散的随机常微分方程模型，揭示了相邻对流卷同向/反向旋转态的稳定机制及自发切换规律，表明宏观热扩散率同时调控卷间相互作用。
2023-06-12 physics.flu-dyn
Flow regimes of Rayleigh-Bénard convection in a vertical magnetic field
研究了垂直静磁场对液态金属Rayleigh-Bénard对流流动结构和动量、热量整体输运特性的影响。实验是在一个圆柱形对流单元的单位纵横比，填充合金GaInSn在低普朗特数$\mathit{Pr}=0.029$。使用多个超声多普勒测速传感器和热电偶，在由$10^6 \le \mathit{Ra} \le 6\times 10^7$的Rayleigh数和$\mathit{Ha} \le 1000$的Hartmann数跨越的参数范围内，系统地探测了大尺度速度结构随磁场强度增加的变化。我们同时进行的多探头温度和速度测量演示了大尺度环流是如何受到不断增加的磁场强度（或哈特曼数）的影响。在液态金属中诱导的洛伦兹力首先在低$\mathit{Ha}$下抑制大尺度循环的振荡，然后将单辊结构转变为由中间$\mathit{Ha}$的多个向上和向下流动组成的细胞状大尺度图案，在最后将任何流体运动排出最高可达$\mathit{Ha}$处的本体之前，壁对流，甚至持续低于Ehrasekhar的线性不稳定阈值。因此，我们的研究实验证明了壁模在受限磁对流的存在。在很大的哈特曼数范围内，流体动量的稳定减小几乎不影响传递热量的大小。我们扩展的实验全球运输分析动量转移，包括哈特曼数的雷诺数的依赖。
2020-02-18 physics.flu-dyn
Vertical convection regimes in a two-dimensional rectangular cavity: Prandtl and aspect ratio dependance
该研究针对二维矩形腔垂直对流，数值计算不同Pr数与高宽比A下的基流并开展线性稳定性分析，在O(10^8)瑞利数下发现六种流态，明确了快慢流态的划分依据与转捩参数区间。
2023-12-13 physics.flu-dyn
Measured oscillations of the velocity and temperature fields in turbulent Rayleigh-Bénard convection in a rectangular cell
在存在一个大尺度对流卷的矩形Rayleigh-Bénard对流单体中发现了温度和速度的振荡。在$Ra=8.9 \times 10^{11}$和$Pr=4$处，在系统的大部分中可以观察到温度振荡，并且振荡周期几乎保持恒定，即$t_T = 74 \pm 2$秒。速度振荡只出现在靠近池壁的水平分量$v_y$（垂直于大尺度环流面）中，振荡周期也是恒定的，为$t_T = 65 \pm 2$秒。温度振荡和速度振荡具有不同的Ra依赖性，分别用Peclect数$Pe_T = 0.55Ra^{0.47}$和$Pe_v = 0.28Ra^{0.50}$表示。与圆柱形胞腔的情况相比，我们发现系统的几何形状对速度振荡有影响。
2007-05-09 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
A thermal convection limit of spiral state in wide-gap spherical Couette flow
流动结构的对称性通常由其力学不稳定性和几何形状决定。在这里，作为一个例子，我们提出了同伦的旋转3倍螺旋状态，这是强大的球形库埃特流的混合动力系统的热分层效应。旋转波态与热分层系统的平滑连接尚未得到证实。通过延拓，将球谐函数的$m=4$模在纯球库埃特流中的最危险模替换为纯热对流系统中的$l=4$和$m=3$模.对于只考虑热效应的极限状态，详细讨论了对外球的力矩和纬向环流的剩余量。
2022-03-14 physics.flu-dyn
Collective variables between large-scale states in turbulent convection
本研究通过数据驱动学习算法提取湍流对流宏观状态空间中的集体变量，将350万自由度降至二维，揭示大尺度流动停滞与逆转不易发生，为构建高效降阶模型奠定基础。
2023-04-06 physics.flu-dyn
Effect of boundary conditions in turbulent thermal convection
本文报道了一项实验研究，旨在阐明边界条件（BC）在低温氦气高瑞利数$10^8 < {\rm{Ra}} < 3 \times 10^{12}$湍流热对流中的作用。我们在更接近恒定热通量（CF）的BC和施加于高传导底板的恒定温度（CT）之间切换，所述高传导底板具有30 cm大小的一个圆柱形单元的纵横比，导致在底板处测量的温度波动的温度概率密度函数和功率谱密度的显著变化，而顶板的动态热行为和整体对流保持不受影响。在我们的实验精度，我们发现没有明显的变化，雷诺数Re（Ra）缩放，在无量纲传热效率表示通过努塞尔数Nu（Ra）缩放，也不是在大规模循环的方向反转率。
2021-05-06 physics.flu-dyn
The Persistent Clock of Turbulent Thermal Convection
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
研究揭示湍流热对流中大尺度循环具有持续内部钟摆特性，通过实验发现其脉动速度与参数U/(lf)相关，表明喷流脱落动力学与流体拓扑结构存在直接联系。
2025-12-12 physics.flu-dyn
Counter-gradient heat transport in two-dimensional turbulent Rayleigh-Bénard convection
本文对瑞利数范围$10^8 \leqslant Ra\leqslant 10^{10}$和普朗特数范围$0.7\leqslant Pr \leqslant10$内的二维湍流瑞利-贝纳德（RB）对流热输运进行了高分辨率数值研究。我们发现存在强的反梯度局部热通量，其量级远大于系统的整体Nusselt数$Nu$。确定了产生逆梯度热传输的两种机制：一种是由于整体动力学，另一种是由于角流卷和大尺度环流（LSC）之间的竞争。而前者的幅度被发现随着普朗特数的增加而增加，后者的最大值在中等$Pr$。我们进一步揭示了角点LSC竞争导致二维RB对流中$Nu$ - $Pr$关系的异常，即对于中等$Ra$，$Nu(Pr)$在$Pr\approx2\sim3$处最小，而不是像三维圆柱情形中那样最大.
2013-10-31 physics.flu-dyn
Café Latte: Spontaneous layer formation in laterally cooled double diffusive convection
本研究针对拿铁咖啡制作中的层结现象，通过二维直接数值模拟探究侧向冷却双扩散对流系统，揭示了稳定力强度影响下的层结形成与合并机制。
2020-04-26 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
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
