Large-scale vortices in rapidly rotating Rayleigh-Bénard convection
利用数值模拟的快速旋转Boussinesq对流在一个笛卡尔框，我们研究了长寿命的，大规模的，深度不变的相干结构的形成。这些结构，其中包括集中的旋风，增长到水平的大小的盒子，与速度显着大于对流运动。我们改变旋转速率，热驱动和纵横比，以确定这些大尺度涡（LSV）的存在域。我们发现，需要两个条件，为他们的形成。第一，瑞利数，热驱动的一个度量，必须是它在对流线性开始时的值的几倍;这对应于雷诺数，基于对流速度和盒深度$\gtrsim 100$。第二，对流结构的旋转约束必须很强。这就需要根据对流速度和水平对流尺度$\lesssim 0.15$计算当地的Rossby数。某些波数在光谱空间中被人为抑制的模拟表明，LSV是由小尺度、深度相关的对流运动的相互作用产生的。LSV的存在显著降低了对流热传输的效率。
2014-12-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Inverse centrifugal effect induced by collective motion of vortices in rotating turbulent convection
当流体系统经受强旋转时，预期离心流体运动，即，较重（较轻）的流体从（朝向）旋转轴向外（向内）移动。在这里，我们证明，无论是实验和数值模拟，存在一个意想不到的向外运动的温暖和较轻的旋涡旋转湍流对流。当离心浮力足够强，在涡度场中引起涡破裂时，这种异常涡运动发生在快速旋转下，即，冷反气旋的涡度大于暖气旋。我们表明，通过流体动力学相互作用的人口稠密的旋涡可以自聚集成相干集群，并表现出集体运动在这种流动制度。有趣的是，在一个集群内的涡速度波动的相关性是无标度的，与相关长度约为30%的集群长度。这种长程相关导致气旋的集体向外运动。我们的研究为自然界中广泛存在的涡旋动力学提供了新的认识。
2020-10-29 physics.flu-dyn
Asymptotic scaling relations for rotating spherical convection with strong zonal flows
本文通过球壳旋转对流的直接数值模拟，结合渐近理论与应力平衡分析，推导并验证了强纬向流随Ekman数的标度关系，表明粘性在快速旋转对流中仍不可忽略。
2023-08-09 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Deep convection-driven vortex formation on Jupiter and Saturn
木星和土星的表面都有壮观的漩涡风暴，这有助于塑造它们大气层的动态性质。随着时间的推移，基于陆地和太空的观测活动已经确定了这些漩涡的几个特性，其中一些在两个行星之间是相似的，而另一些则是不同的。浅水水动力学将涡旋视为浅水天气层现象，常被用来解释涡旋的形成和性质。在这里，我们报告新的形成机制的漩涡的主要驱动机制是深行星对流发生在这些行星。利用旋转球壳中湍流对流的三维模拟，我们提出了两个想法：（1）旋转湍流对流产生深轴向排列的气旋和反气旋;（2）深行星发电机的行为，以促进额外的反气旋，一些大木星的大红斑，在上覆大气层。我们用这些想法来解释木星和土星上的涡旋的几个观测特性。
2020-11-14 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Transitions in rapidly rotating convection driven dynamos
对平面层流中旋转Rayleigh-Bénard对流发电机进行了数值模拟。存在两种不同类型的发电机，它们对磁场的振幅遵循不同的标度律。两者之间的过渡发生在流体动力学均匀的制度，可以归类为快速旋转对流。
2012-11-11 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Morphological Regimes of Rotating Moist Convection
研究旋转对潜热释放驱动流动的影响，通过求解Rainy-Bénard方程的数值模拟识别出三种形态机制，并发现新型漏斗机制能显著增强湿静态能量传输。
2025-05-02 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Connections between Non-Rotating, Slowly Rotating, and Rapidly Rotating Turbulent Convection Transport Scalings
浮力驱动的对流很可能是宇宙中湍流运动的主要驱动力，因此被物理学家，工程师，天文学家和天体物理学家广泛研究。也许并不奇怪，这些不同的社区以不同的方式讨论总的对流行为，通常没有显着的串扰存在于他们之间。在这里，我们试图在这些社区之间建立联系。我们这样做是通过进行一组基本规模的估计，热量和流体动量输送应如何表现在非旋转，缓慢旋转和快速旋转浮力驱动的对流环境。我们发现，缓慢和快速旋转缩放可以通过一个参数，所谓的对流Rossby数$\RoC$，无耗散参数测量浮力驱动相对于旋转的重要性相互关联。此外，我们映射之间的非通量为基础的和通量为基础的，浮力驱动的缩放使用不同的群体。在这样做的过程中，这些缩放显示出不同社区的方法之间存在清晰的联系，并且一些看似不同的缩放实际上是彼此同义的。
2020-09-07 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Rigorous ultimate scaling in rapidly rotating steady convection
Graduate School of Engineering Science, University of Osaka（大阪大学工学研究科）
研究通过匹配渐近分析揭示快速旋转对流中单模解的标度律，发现特定波数下可实现无扩散终极标度，并具有对数修正。
2026-05-07 physics.flu-dyn
Robust wall states in rapidly rotating Rayleigh-Bénard convection
我们表明，使用直接数值模拟与实验可实现的边界条件，壁模式在瑞利-贝纳德对流在一个快速旋转的圆柱体坚持甚至非常远离他们的线性发病。这些非线性的壁状态中存在的湍流中的散装和鲁棒的容器的边界的形状的变化。在这个意义上，这些模式的行为很像拓扑保护的二维手征系统中存在的状态，即使旋转对流是一个三维非线性驱动耗散系统。我们认为，这种非线性模式的鲁棒性可能提供了一个强的带状流最近在高瑞利数的快速旋转对流的模拟和实验中观察到的解释。
2020-04-27 physics.flu-dyn
Heat transport in the geostrophic regime of rotating Rayleigh-B{é}nard convection
本文报道了在具有纵横比$Γ= 1/2$的圆柱形对流单体中旋转Rayleigh-B{é}nard对流热输运的实验测量结果。流体是普朗特数Pr = 0.7的氦气。控制参数的范围是瑞利数$4 \times 10^9 < {\rm Ra} < 4 \times 10^{11}$和埃克曼数$2 \times 10^{-7} < {\rm Ek} < 3 \times 10^{-5}$（对应于泰勒数$4 \times 10^9 < {\rm Ta} < 1 \times 10^{14}$和对流Rossby数$0.07 < {\rm Ro} < 5$）。我们确定交叉弱旋转湍流对流旋转为主的地转对流，通过实验测量的归一化热传输Nu。在地转制度中的旋转状态的热输送，归一化的零旋转热输送，是一致的尺度的$({\rm RaEk}^{-7/4})^β$与$β\approx 1$。一个相图，封装旋转热对流的潜在地转湍流制度的测量。
2013-09-25 physics.flu-dyn
Suppression of wall modes in rapidly rotating Rayleigh-Bénard convection by narrow horizontal fins
研究通过在垂直壁面添加窄水平鳍片，有效抑制快速旋转 Rayleigh-Bénard 对流中的壁面模态，使壁面热通量贡献可忽略，为地转状态下旋转对流的实验研究扫清障碍。
2023-04-03 physics.flu-dyn
Theory and simulations of rotating convection
我们研究旋转流体中的热对流，以更好地理解旋转恒星和行星中对流区的性质。我们首先导出快速旋转对流的混合长度理论，通过简单的物理论证得出Stevenson（1979）的结果。该理论预测的对流作为施加的热通量和旋转速率的函数，独立的微观扩散系数的属性。特别是，它预测的平均温度梯度;均方根速度和温度波动;和主导热传输的漩涡的大小。我们测试所有这些预测与高分辨率的三维Boussinesq对流在笛卡尔框流体动力学模拟。在两个数量级以上的转速范围内，计算结果与理论计算结果吻合得非常好。例如，温度梯度被预测为在固定通量下旋转速率的4/5次方，并且模拟产生$0.75\pm 0.06$。我们的结论是，混合长度理论是一个坚实的基础，了解在旋转的恒星和行星的对流区的性质。
2014-06-26 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Viscous Dissipation and Dynamics in Simulations of Rotating, Stratified Plane-layer Convection
本文利用 Dedalus 模拟非弹性理想气体的旋转密度分层平面对流，揭示剧烈对流下积分耗散加热与黏度、热扩散率无关，并阐明旋转如何改变耗散空间分布、动能通量及热输运。
2024-01-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Generation of shear flows and vortices in rotating anelastic convection
我们考虑层结的影响，系统的，大规模的非弹性对流产生的流动。我们提出的结果从三维数值模拟对流在旋转的平面层中的旋转轴和重力之间的角度是允许变化的。该模型代表了球体的不同纬度。我们考虑两种不同的参数制度：（i）弱旋转和（ii）快速旋转。在每一种情况下，我们研究的效果分层的流动结构和热传输特性集中在Boussinesq和滞弹性对流之间的差异。此外，我们表明，制度（一）和（二）产生非常不同的大规模流动，我们调查的作用分层在修改这些流量。分层流具有净螺旋度不存在于Boussinesq的情况下，我们建议，当结合自生剪切流，可能是重要的发电机行动。
2020-06-05 astro-ph.SR 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
Generation of a large-scale vorticity in a fast rotating density stratified turbulence or turbulent convection
在滞弹性近似下，我们发现了一种不稳定性，这种不稳定性会导致在快速旋转的小尺度湍流或湍流对流中产生大尺度涡量，并且沿旋转轴具有非均匀流体密度。大尺度不稳定导致两种模态的激发：（i）以垂直涡度为主的模态，其平均速度与垂直坐标无关;（ii）以水平涡度为主的模态，其平均动量与垂直坐标无关。在快速旋转的密度分层流体动力学湍流或湍流对流中，可以激发出以垂直涡量为主的模态。对于这种模式，平均熵在气旋性涡旋内部耗尽，而在反气旋性涡旋内部增强。只有在快速旋转的密度分层湍流对流中才能激发出以水平涡为主的模态。发展的理论可能与解释在大行星中观察到的巨大风暴的大斑点的起源有关，例如，木星的大红斑和土星的大斑点。它也可能有助于解释快速旋转的晚型恒星中高纬度斑点的起源。
2019-11-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Anomalous vortex motion induced by asymmetric vorticity distribution in rapidly rotating thermal convection
在旋转Rayleigh-Bénard对流中，柱状涡以随机方式水平平流。当存在离心浮力时，涡流表现出径向运动，可以通过Langevin型随机模型来解释。令人惊讶的是，在离心占主导地位的流动制度，这是众所周知的离心效应相反，观察到的旋风异常向外运动。我们将这种现象解释为离心浮力引起的涡的数量和涡度的破缺。因此，气旋服从强反气旋主导的集体涡旋运动。我们的研究为广泛存在于许多自然系统中的涡旋运动提供了新的认识。
2019-07-09 physics.flu-dyn
Experimental observation of the geostrophic turbulence regime of rapidly rotating convection
在行星和恒星内部，湍流对流和全球旋转之间的竞争控制着热量和示踪剂的传输，以及磁场的产生。这些物体在从弱旋转对流到快速旋转对流的“地转湍流”状态的动态状态下运行。然而，后一种状态在实验室中仍然难以捉摸，尽管在过去十年中，全世界都在努力设计更高的旋转对流单体。建立在最近的实验方法，对流是辐射驱动的，我们报告的热传输测量与此标度制度的定量协议，实验标度律进行验证对直接数值模拟（DNS）的理想化设置。实验和DNS的标度指数与地转湍流预报结果吻合较好。标度律的前因子大于先前理想化数值研究中诊断的前因子，指出热传输效率对热源和热汇的精确分布具有意想不到的敏感性，这在行星和恒星之间有很大差异。
2022-03-25 physics.flu-dyn
The Evolution of Turbulent Micro-vortices and their Effect on Convection Heat Transfer in Porous Media
本文对多孔介质中微尺度涡演化对对流换热的贡献提出了新的见解。研究了多孔介质中微尺度涡对湍流对流换热的影响。微尺度的温度分布进行了分析，使用流线在2D和3D中使用Q结构的流动可视化。相关的观察结果补充了表面表面摩擦和传热的比较，使用：（1）表面表面摩擦线和（2）压力和表面摩擦系数的联合PDF，以及努塞尔数。阻力系数和宏观努塞尔数的频谱特征证实了所观察到的微尺度流动现象。采用大涡模拟技术研究了周期性多孔介质内部的流场。流动的雷诺数为300和500。多孔介质由正方形和圆柱形的固体障碍物组成。两个不同的流动状态表示通过使用0.50和0.87的孔隙率。结果表明，表面努塞尔数分布依赖于微涡是否附着在障碍物表面。宏观努塞尔数和压阻的频谱是相似的，这表明传热动力学和微观湍流结构之间的相关性。涡脱落和二次流不稳定性的观察显着影响努塞尔数。本文所获得的基本见解可以为多孔介质中湍流对流换热的更鲁棒宏观模型的发展提供信息。
2022-02-04 physics.flu-dyn
Heat transport in rotating convection without Ekman layers
对具有自由滑移边界的平板层中旋转对流的数值模拟表明，对流可以根据由Reynolds数、Prandtl数和Ekman数构成的量进行分类。出现三种不同的流动制度：层流接近对流的发病，湍流中的热流接近非旋转对流的热流，和一个中间制度，其中的热流规模根据幂律独立的热扩散率和运动粘度。
2009-06-16 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Connecting wall modes and boundary zonal flows in rotating Rayleigh--Bénard convection
使用直接的数值模拟，我们研究旋转瑞利-贝纳德对流在一个圆柱形细胞的瑞利，埃克曼，普朗特数从壁模式的发病到地转制度，一个非常重要的地球物理和天体物理背景下的广泛范围。我们通过长度和时间尺度的连续性和对流热传输的边界纬向流，与湍流体对流在地转制度共存的散装对流发病前发生的线性壁模式状态。我们定量崩溃漂移频率，边界长度，和热输运数据从众多来源在许多数量级的瑞利和埃克曼数。阐明壁面模式和边界纬向流的热输运贡献对于表征有限物理容器中旋转对流的地转制度的性质至关重要，并且对于将实验室对流的地转制度与地球物理和天体物理系统连接起来至关重要。
2021-09-13 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
Scaling regimes in spherical shell rotating convection
旋转球壳中的瑞利-贝纳德对流可以被认为是许多天体物理和地球物理流体流动的简化模拟。在这里，我们使用三维直接数值模拟来研究这个物理过程。我们构建了一个数据集的200多个数值模型，涵盖了广泛的参数范围与Ekman数跨越$3\times 10^{-7} \leq E \leq 10^{-1}$，瑞利数范围内$10^3 < Ra < 2\times 10^{10}$和普朗特数单位。我们调查的标度行为的本地（长度尺度，边界层）和全球（努塞尔和雷诺数）的属性在各种物理制度从开始的旋转对流弱旋转对流。接近临界时，对流由粘性、科里奥利力和浮力之间的三重力平衡主导。对于更大的超临界，我们的数值数据的一个子集的渐近无扩散性标度旋转对流$Nu\sim Ra^{3/2}E^{2}$在一个狭窄的分数的参数空间界定的$6\,Ra_c \leq Ra \leq 0.4\,E^{-8/5}$。使用分解成散装和边界层的贡献的粘性耗散率，我们建立了一个理论缩放的流速，准确地描述了数值数据。在快速旋转的湍流对流中，流体体积由科里奥利、惯性和浮力之间的三重力平衡控制，而耗散的其余部分可以归因于埃克曼层中的粘性摩擦。超过$Ra \simeq E^{-8/5}$，对流流动的旋转约束逐渐失去，流动特性发生变化，以匹配旋转主导和非旋转对流之间的状态变化。量$Ra E^{12/7}$为分离旋转和非旋转对流提供了精确的过渡参数。
2016-10-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Fine vortex structure and flow transition to the geostrophic regime in rotating Rayleigh-Bénard convection
我们提出了旋转瑞利-贝纳德对流的柱状涡结构的空间分辨测量。分析了涡旋的方位角速度$u_ϕ(r)$和垂直涡量$ω(r)$的定标径向剖面，并与渐近理论的预测进行了比较。结果表明，在地转对流区，渐近理论能较准确地预测$u_ϕ(r)$和$ω(r)$，但在弱旋转区，需要对渐近理论进行扩展，以解释实验数据的旋转依赖性。我们对涡旋的平均速度、涡度和涡罩结构强度的测量都表明了从周旋转对流到地转对流的流动转变。过渡的参数值的结果与以前的传热测量得到的标度关系一致。
2019-07-25 physics.flu-dyn
Helical distributed chaos in rotating turbulence and convection (with applications to geomagnetic dynamo)
利用螺旋分布混沌的概念研究了螺旋度分布矩在旋转湍流中的作用。直接数值模拟、室内实验和地球物理观测的结果已被用于本研究。它示出，特别是，即使在全球螺旋度等于零的情况下，至少偶矩通常是非零的（由于外观的局部空间区域具有较强的负和正螺旋度），并可以发挥重要的作用，在旋转湍流绝热不变量。旋转浮力驱动的热对流（瑞利-贝纳德和瑞利-泰勒，前者也用于磁流体力学）也进行了研究，并在这方面讨论了这种方法的应用，大质量恒星的对流区和地磁发电机。
2021-11-02 physics.flu-dyn
A model of rotating convection in stellar and planetary interiors: I - convective penetration
恒星和行星对流的单峰模型推导出均方根速度的大小，程度的超绝热，和特征长度尺度作为旋转速率的函数，以及与热和粘性扩散。对流模型被用来作为一个边界条件的对流不稳定和稳定的分层区域之间的过渡区域的运动方程的线性化，产生的深度对流渗透到稳定区域，并建立该深度和当地的对流Rossby数，扩散率，和这些流量的压力标度高度之间的关系。向上和向下的穿透对流有一个类似的标度与旋转速率和扩散率，但它们取决于不同的压力标度的高度，由于不同的能量过程发生在对流核心的早型恒星与对流信封的晚型恒星。
2019-02-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Inertial convection in rotating fluid spheres
本文通过微扰分析研究了旋转流体球中以惯性波形式出现的对流的起始。的瑞利数的方位波数的依赖性的显式表达式推导和新的结果的情况下，几乎绝热边界。
2009-04-10 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Rotating Convection and Gravito-Inertial Wave Generation in Stellar Interiors
重力惯性波可以在对流区和辐射区的界面处以及对流区中的雷诺应力激发。因此，它们的能量通量的大小将随着对流的性质而变化。为了评估对流如何随旋转而变化，本文提出了一种简化的旋转对流局部单峰模型，该模型提供了均方根速度的大小、超绝热度和特征长度尺度作为对流Rossby数以及热扩散系数和粘性扩散系数的函数。在这种对流模型的背景下，两种模型用于评估重力惯性波通量被认为是：界面模型和充分处理的雷诺应力对波的影响。有人发现，有制度的亚惯性波可能携带一个显着的能量通量相对于纯重力波，取决于对流Rossby数，在稳定区域的浮力时间尺度的对流翻转时间的比率，和波的频率。
2019-02-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Self-Replicating Three-Dimensional Vortices in Neutrally-Stable Stratified Rotating Shear Flows
一个以前未知的不稳定性创建空间填充晶格的三维涡在线性稳定，旋转，分层剪切流。不稳定性从一个易激发的临界层开始。该层通过从背景剪切中汲取能量而增强，并卷起成涡流，从而激发新的临界层和涡流。涡流自相似地复制以产生湍流涡流的晶格。漩涡会一直持续下去。这种自我复制发生在分层的库埃特流和原行星盘的死区，在那里它可以去稳定开普勒流。
2013-06-17 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Mean flow generation in rotating anelastic two-dimensional convection
我们调查的过程，导致在二维滞弹性对流的平均流的产生。简单的模型由一个平面层组成，该平面层绕着与重力倾斜的轴旋转。结果是双重的：首先，我们数值研究了三维对流的发生，特别注意分层的作用，并突出了一个奇怪的对称性。其次，我们调查的机制，驱动纬向和纬向流在两个维度。我们发现，在一般情况下，非平凡的雷诺应力可以导致系统的流量，并使用统计措施，我们量化的分层修改这些流量的连贯性的作用。
2016-02-26 physics.flu-dyn
Rapidly rotating radiatively driven convection: experimental and numerical validation of the `geostrophic turbulence' scaling predictions
本研究通过实验和直接数值模拟验证了快速旋转辐射驱动热对流在'地转湍流'区域的热传输、温度涨落、流速和流动结构标度预测，证明其是观察地球物理和天体物理扩散无关对流区域的有效实验装置。
2024-10-11 physics.flu-dyn
Effect of Vadasz term on the onset of convection in a Darcy-Brinkman anisotropic rotating porous medium in LTNE
本文研究Vadasz惯性项对达西-布林克曼多孔介质中对流起始的影响，证明其促进振荡对流而不影响稳态对流，并分析了旋转与各向异性等因素的作用。
2022-11-29 physics.flu-dyn
Convection in Rotating Spherical Fluid Shells
本章首先描述了旋转对流的环形模型。然后介绍了球壳问题的基本方程，并讨论了球壳中柱状对流的发生。惯性模式对流的发病描述盛行在很低的普朗特数。有限振幅对流的性质概述了广泛的普朗特数。赤道附着对流被认为是从惯性模式对流演变而来的。
2009-06-05 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Triadic resonances driven by thermal convection in a rotating sphere
我们报告的第一次在旋转对流系统的三元共振。使用直接数值模拟，我们发现旋转球形流体中的对流模式可以激发一对惯性模式，其频率和波数与三阶共振条件相匹配。根据对流模式的结构，三元共振可以导致具有较低频率和波数的一对模式的增长，或者具有较高频率和波数的一对模式的增长，为双向能量级联提供了可能的机制。增加的热强迫导致充分发展的湍流，这也表现出波浪状运动，并让人想起惯性波湍流的能量谱。我们的研究结果表明，惯性波的相互作用在旋转对流中起着重要的作用，这对于理解行星和恒星内部的动力学是非常重要的。
2020-12-22 astro-ph.EP nlin.PS physics.ao-ph
Thermovelocimetric Characterization of Liquid Metal Convection in a Rotating Slender Cylinder
本研究采用新型热测速技术表征细长圆柱内液态镓的旋转Rayleigh-Bénard对流，发现低超临界度下的m=2大尺度涡旋结构，提出壁模态与主体流作用的形成机制，为低普朗特数旋转对流湍流耦合效应提供新见解。
2024-10-04 physics.flu-dyn
Patterns of convection in rotating spherical shells
通过数值模拟研究了内热自引力旋转球壳内的对流模式。虽然湍流状态的主要兴趣在行星和恒星的应用，本文强调更经常的动力学特征在瑞利数不远高于阈值，这是类似于那些可能在实验室或空间实验中观察到的。振幅波动和对流柱的空间调制是常见的功能，在中等和大普朗特数。在低普朗特数制度赤道附着对流演化不同的瑞利数的增加，并表现出早期过渡到混沌状态。强调了完全湍流对流状态下的动力学特征与相干结构的关系。
2009-06-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
One dimensional models for supercritical and subcritical transitions in rotating convection
本文针对旋转Rayleigh-Bénard对流，提出适用于刚性和自由滑移边界条件的一维模型，用以描述稳态亚临界与超临界转变，并通过三维直接数值模拟验证了其在参数空间广泛区域内的定性一致性。
2024-03-29 nlin.AO nlin.PS physics.flu-dyn
Laboratory Exploration of Heat Transfer Regimes in Rapidly Rotating Turbulent Convection
我们报告在实验室实验中的传热和温度分布测量的快速旋转对流在强烈的热强迫（瑞利数$Ra$高达$\sim 10^{13}$）和前所未有的强大的旋转影响（Ekman数$E$低至$10^{-8}$）下的水。中层高度的垂直温度梯度的测量定量连接到渐近快速旋转对流的数值模型的预测，分离各种流动现象。过去的渐近简化模型的有效性的限制，我们发现新的行为在一个政权，我们称之为旋转影响的湍流，旋转是重要的，但不占主导地位，因为在已知的地转湍流制度。在这种新的状态下，温度梯度坍缩成瑞利数标度为$Ra^{-0.2}$。它是有界的从上面的临界对流Rossby数$Ro^*=0.06$独立域纵横比$Γ$，清楚地区分它从充分研究的旋转影响的对流。
2020-09-17 physics.flu-dyn
Rotating Turbulent Thermal Convection and Solar Differential Rotation
旋转流体的膨胀将改变膨胀区域的涡量和转速。在湍流热对流中，这种微观效应得以保留。对流体胶束的跟踪表明，平均涡量随密度变化，产生从低密度区到高密度区的涡量输运和角动量输运，形成宏观涡量差和转速差。取太阳极区的轴向热对流模型，可以产生轴向差旋转，轴向差旋转产生的离心力差驱动纬向环流，将角动量输离旋转轴，形成纬向差旋转。流体胞的旋转产生额外的压力并改变对流准则。太阳对流层的温度梯度比非旋转流体模型中的温度梯度大，是太阳差动旋转的能量来源。
2023-01-01 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Velocimetry in rapidly rotating convection: spatial correlations, flow structures and length scales
旋转Rayleigh-Bénard对流是一个经常使用的模型系统，用于评估由于旋转引起的浮力和Coriolis力的相互作用，这是许多地球物理和天体物理流动中发现的动力学效应的显著相关相互作用。这些流量显示极端值的管理参数：大瑞利数$Ra$，量化的热力强迫的强度，和小埃克曼数$E$，一个参数成反比的旋转速率。这导致了在压力梯度和科里奥利力之间的流动中占主导地位的地转平衡。由于要求同时获得大的$Ra$值和小的$E$值，所以难以用实验室实验和数值模拟来研究旋转对流的所谓地转区。在这里，我们使用流量测量，使用立体粒子图像测速在一个大规模的旋转对流装置在一个水平面中的中等高度，研究丰富的流动现象的地转制度的旋转对流。我们量化的垂直速度和垂直涡度的空间相关性的流量的水平长度尺度，再现的对流泰勒柱和羽流状态的地转制度的两个部分的功能。此外，我们发现在这个水平面上的组织成一个四极涡在较高的瑞利数从羽状状态。
2021-11-03 physics.flu-dyn
Oscillatory thermal-inertial flows in liquid metal rotating convection
我们提出了第一个详细的热和速度场表征的对流在一个旋转的圆柱形槽的液体镓，它具有类似的行星核心流体的热物理性质。我们的实验室实验，并密切相关的直接数值模拟，都进行了稳定的对流模式发病前的制度。这使我们能够研究的振荡对流模式，侧壁模式和宽带湍流，发展在液态金属稳定的柱状模式出现之前。我们的热测速测量表明，强烈的惯性，热气流的发展，速度达到可比的非旋转的情况下。振荡体对流和壁模式共存于广泛的我们的实验，随着强纬向流的峰值在Stewartson层，但深入到流体体积中的更高的超临界情况下。的流量包含显着的时间平均螺旋度是反对称的整个中平面，表明振荡的液态金属对流包含的运动分量，以维持系统规模的发电机发电。
2021-01-15 physics.flu-dyn
Excitation of Inertial Modes in 3D Simulations of Rotating Convection in Planets and Stars
TAPIR, California Institute of Technology（加州理工学院）；Department of Earth and Planetary Sciences, The Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
本研究通过3D模拟揭示了旋转对流中惯性模的激发机制，发现其由差异旋转不稳定性驱动，而非随机对流力。
2026-01-05 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Zonal flow scaling in rapidly-rotating compressible convection
木星和土星的表面风主要是纬向风。每颗行星都表现出强烈的赤道气流，两侧是高纬度的多个交替的纬向风。这些流动的渗透深度长期以来一直存在争议，仍然是一个未解决的问题。以前的旋转对流模型获得了多个高纬度带状喷流，与巨行星上的喷流相当，假设不可压缩（Boussinesq）流体，这对气体巨行星来说是不现实的。后来的可压缩旋转对流模型只得到了很少的高纬度急流，这些急流不适合于标度分析。在这里，我们提出了3-D数值模拟的可压缩对流在快速旋转球壳。为了探索高纬度纬向喷流的形成和缩放，我们考虑具有强径向密度变化和Ekman数范围的模型，同时保持土星的纬向流Rossby数特征。所有的模拟结果都显示出切向圆柱体外有一个很强的近赤道喷流。在低埃克曼数时，切向圆柱体内的每个半球中形成几个交替的射流。为了分析我们的数值模型和木星和土星的射流缩放，我们扩展莱茵缩放的基础上的地形$β$参数，这是以前适用于不可压缩流体的球壳，可压缩流体。喷流宽度预测的修改后的莱茵河长度被认为是在相对较好的协议与我们的数值模式的结果和云跟踪观测木星和土星。
2014-03-26 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Confinement of rotating convection by a laterally varying magnetic field
基于旋转对流的球壳发电机模型表明，切向圆柱体内的流动主要由从内核边界延伸到高纬度并向西漂移的离轴羽流控制。早期的研究解释了这种羽流的形成，在一个均匀的轴向磁场的效果，显着增加了在旋转平面层对流的长度尺度。然而，快速旋转的发电机模拟表明，内的切线圆柱体的磁场有严重的横向不均匀性，可能会影响孤立羽流的发病。在我们的发电机模拟中，增加旋转速率（通过降低埃克曼数$E$）会产生逐渐变薄的羽流，这些羽流似乎在寻找磁场最强的位置。受此结果的启发，我们研究了在一个快速旋转的流体层受到横向变化的轴向磁场的对流的线性发病。选择一种腕关节几何形状，其中有限尺寸$(x,z)$在圆柱坐标中模拟$(ϕ,z)$。场的横向不均匀性产生了一种独特的不稳定模式，其中对流完全局限于峰值场区域。即使在磁场强度（由Elsasser数$\varLambda$测量）很小且粘度控制对流的最小长度尺度时，也会发生由磁场引起的流动局部化。孤立羽流出现在切圆柱体内的球壳发电机模拟的最低瑞利数同意密切与粘滞模式瑞利数在平面层线性磁对流模型。横向变化的磁场局部激发粘性模式对流提供了一种机制，形成孤立的羽流在地球的切向圆柱。
2017-04-24 physics.flu-dyn
Crossover from ballistic to diffusive vortex motion in convection
涡旋在天体物理和地球物理的热量和动量传输中起着独特的作用，它也是地球发电机的起源。根据历史资料能否预测或理解涡旋的运动是一个长期存在的问题。在这里，我们使用实验和数值模拟来展示一些通用的涡运动和分布的特点。结果表明，涡旋运动可以用布朗粒子的框架来描述，在布朗粒子的框架中，涡旋运动在短于某些临界时间尺度的时间内进行弹道运动，然后进行扩散运动。传统上，当人们考虑它们的运动时，通常忽略了涡旋的惯性，我们的结果意味着涡旋实际上具有惯性诱导记忆，使得它们的短期运动可以预测。扩展到天文和地球物理学，过渡的临界时间尺度是在几分钟的量级，在大气和海洋中的旋涡，这种惯性效应往往可以忽略不计相比，其他导向源。然而，涡旋的时间尺度要大得多，从几天到一年不等。提出了地球磁场短期变化不仅有太阳风等外源的贡献，还有涡旋惯性等内源的贡献。
2019-02-25 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Mixed convection above a rotating disk
本文研究了半无限流体中旋转的水平圆盘上的混合对流，当圆盘被加热时，圆盘的温度随离中心的距离成二次方变化。稳态相似性解决方案的两个无量纲参数，普朗特数和Grashof数的值的范围内。在小和大普朗特数的限制下进行的渐近分析证实了结果。在有限Prandtl数下，证明了在固定Grashof数下多解的存在性.稳定的解决方案的相似结构失败超过一个临界Grashof数，这是解释在有限时间奇异的非定常形式的控制方程。
2012-11-16 physics.flu-dyn
Subcritical convection of liquid metals in a rotating sphere using a quasi-geostrophic model
我们研究了在一个快速旋转的球体与内部加热的普朗特数有关的液态金属（$Pr\in[10^{-2},10^{-1}]$）的值的非线性对流。我们使用的数值模型的基础上准地转近似，其中沿旋转轴的轴向涡度的变化被忽略，而温度场是完全三维的。我们确定了两个独立的分支对流接近发病：（一）一个众所周知的弱分支的埃克曼数大于$10^{-6}$，这是连续的发病（超临界分叉），由热Rossby波，及（ii）一个新的强分支在较低的埃克曼数，这是不连续的发病。对于$10^{-8}$量级的Ekman数，强分支成为次临界分支。在强分支上，流动的雷诺数大于$10^3$，并且发展出具有多个射流的强带状流动，甚至接近于对流的非线性开始。我们发现，次临界放大减少普朗特数。对于中间埃克曼数，两个分支可以共存，导致滞后（$Ek=10^{-6}$、$Pr=10^{-2}$）。在对流开始附近观察到$Ek=10^{-7}$和$Pr=10^{-1}$的非线性振荡。
2016-11-28 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Asymptotic Behavior of Heat Transport for a Class of Exact Solutions in Rotating Rayleigh-Bénard Convection
快速旋转Rayleigh-Bénard对流的非静力准地转近似允许一类精确的“单模”解。这些解决方案对应于稳定的层流对流与一个可分离的结构组成的一个水平的平面形状，其特征在于由一个单一的波数乘以一个垂直的振幅分布，后者作为一个非线性边值问题的解决方案。与这些解决方案相关的热输运的制度，研究强热强迫（大约化瑞利数$\widetilde{Ra}$）。它表明，努塞尔数$Nu$，对流传热效率的无量纲措施，这类解决方案是有界的$Nu\gtrsim \widetilde{Ra}^{3/2}$，独立的普朗特数，在大的限制减少瑞利数。匹配上界仅包括对数校正，显示估计的准确性。竖向结构的非线性边值问题的数值解与解析界一致。
2014-08-16 physics.flu-dyn
Weakly nonlinear analysis of the onset of convection in rotating spherical shells
本文通过弱非线性分析研究旋转球壳中对流的发生机制，推导出Stuart-Landau振幅方程和降阶模型，仅需求解线性二维问题即可判定超临界或亚临界Hopf分岔，并揭示内部加热下亚临界对流的发生及强纬向流的决定性作用。
2024-08-28 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
On the necessary conditions for bursts of convection within the rapidly rotating cylindrical annulus
在旋转对流系统中经常发现纬向流。这些喷流不仅是由对流驱动的，它们还可以对对流的性质产生深远的影响。在这项工作中，圆柱形的环形几何形状被利用，以进行非线性模拟，寻求产生强大的带状流和多个射流。参数制度扩展到普朗特数是不统一的。多个射流被发现是间隔根据莱茵缩放的纬向流速度的基础上，而不是对流速度。在一定条件下，非线性对流以准周期爆发的形式出现。平均场的稳定性分析进行了一个基本状态，包含两个纬向流和平均温度梯度从非线性模拟。对流增长率波动与这两个平均数量表明，这两个都是必要的，以爆裂现象的发生。
2013-07-24 physics.flu-dyn
