Local boundary layer scales in turbulent Rayleigh-Benard convection
本文计算了三维湍流Rayleigh-Benard对流中的局部边界层尺度。这些尺度与等温顶壁和底壁处的动量通量和热量通量的高度间歇性波动直接相关，并且在统计上分布在相应的平均厚度尺度周围。局部边界层尺度也反映了两个边界层的强烈空间不均匀性，这是由于在封闭的对流单体中建立的大尺度但复杂且间歇的环流造成的。类似于湍流边界层，我们定义的内部尺度的基础上，局部剪切应力，可以一直扩展到经典的粘性尺度在散装湍流，例如Kolmogorov规模，和外部尺度的基础上，在墙上的斜坡。我们讨论的后果，我们的推广，特别是缩放我们的内部和外部边界层厚度和由此产生的剪切雷诺数相对于瑞利数。温度场的平均外厚度尺度接近热边界层厚度的标准定义。在速度场的情况下，在某些条件下，外尺度遵循类似的比例作为普朗特-布拉修斯型定义相对于瑞利数，但不同的定量。摩擦系数c_（max）标度正好落在层流和湍流极限之间，表明边界层具有转捩特性。此外，我们进行了分析，最近建议的耗散层厚度尺度与瑞利数，并找到一个过渡的缩放。我们还进行了一项研究，在Ra= 1 e +8的情况下，纵横比等于3。
2014-09-11 physics.flu-dyn
Generation of intermittent gravitocapillary waves via parametric forcing
我们报告的间歇波场的产生驱动的水平移动造波机与法拉第波相互作用。局部重力毛细表面波波动的频谱在很宽的强迫参数范围内显示出频率的幂律。我们计算的概率密度函数的局部表面的高度增量，这表明它们强烈地改变跨时间尺度。这些增量的结构函数显示幂律作为时滞的函数，与指数的顺序的结构函数的非线性函数。我们认为，这个标度不变的间歇性频谱的起源是法拉第波图案破裂，由于其平流的传播重力波。最后，提出了一些解释，以解释这种间歇谱的出现。
2018-04-04 physics.flu-dyn
Measured Instantaneous Viscous Boundary Layer in Turbulent Rayleigh-Bénard Convection
本文报道了在湍流瑞利-贝纳德对流中粘性边界层（BL）厚度$δ_v(t)$的测量结果。结果表明，由实测的瞬时二维速度场得到的$δ_v(t)$具有间歇性起伏。对于小值，$δ_v(t)$服从对数正态分布，而对于大值，$δ_v(t)$的分布呈现指数尾。发现$δ_v(t)$随时间的变化是由大尺度平均流速的波动驱动的，而靠近板的局部水平流速可以作为这种变化的瞬时度量。进一步发现，在本实验的参数范围内，如果相对于$δ_v(t)$的含时坐标系进行重采样，则实验室坐标系中测得的平均速度剖面可以与理论上的Prandtl-Blasius层流BL剖面重合。
2010-02-25 physics.flu-dyn
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
Latitude dependence of convection and magnetic field generation in the cube
考虑了在Boussinesq近似下的三维热对流问题，其中考虑了从下面加热和立方体中的发电机。在$β$平面近似下，研究了对流强度和磁场产生与纬度的关系。结果表明，从两极到赤道，动能逐渐增加，增加的幅度超过一个数量级。该模式预测了较强的方位热成风，其方向取决于热对流波动的符号。所产生的流动的空间尺度与物理领域的尺度相当。磁能也增加，但是发电机效率，即，磁能与动能之比向赤道方向减小。这种效应可以解释在行星和恒星中观测到的磁场的偶极结构的优势。该方法对模拟行星核和恒星对流区的磁流体动力学湍流是有用的。
2018-03-04 physics.flu-dyn
Transitions and Multi-Scaling in Rayliegh-Benard Convection. Small-Scale Universality
渐近大雷诺数流体动力学湍流的特征是速度增量矩和空间导数的多尺度性。随着雷诺数向$R_λ=R^{tr}_λ\approx 9.0$方向减小，异常标度消失，有利于“正常”标度和接近高斯的概率密度[Yakhot \& Donzis，{ \bf 119}，044501（2017）]。这一转变的性质及其普遍性是本书的主题。这里我们考虑无限水平平板之间的Benard对流（普朗特数$Pr=1$）。结果表明，在该系统中，Bolgiano和Kolmogorov过程之间的“竞争”，导致小尺度的速度波动驱动的有效的“大尺度”高斯随机温度场。因此，速度导数的间歇性动力学与大尺度随机强迫产生的均匀和各向同性湍流相似甚至相同。结果表明，低瑞利数的不稳定性，使问题更加复杂，并可能导致从高斯过渡到指数PDF的温度场。发展的{ \it平均场论}用$β\approx 15/56\approx 0.27$得到了与芝加哥实验结果接近的无因次热流密度$Nu\propto Ra^β$.这些结果指出了湍流不寻常的小尺度普遍性。它还表明，在$R_λ\leq 9.0$，流“记得”其层流背景，因此，不能是普遍的。
2020-06-19 physics.flu-dyn
Subcritical transition to turbulence in buoyancy-driven flows with multiple hysteresis loops under quasi-one-dimensional confinement
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
通过准一维瑞利-贝纳德对流的直接数值模拟，首次发现浮力驱动流中亚临界转捩至湍流，存在三个共存流态并形成三种迟滞环，表明湍流可通过亚临界路径产生。
2026-05-29 nlin.CD physics.flu-dyn
Subcritical dynamos in rapidly-rotating planar convection
我们研究发电机行动使用数值模拟的平面Boussinesq对流在快速旋转（低埃克曼数，Ek），专注于亚临界发电机行动，其中发电机是持续的瑞利数，Ra，低于临界瑞利数的开始对流，Ra $_c$。这些解决方案是通过首先调查超临界制度，其中发电机能够产生一个大规模的磁场，显着影响对流运动，与相关的Elsasser数的顺序Ek $^{1/3}$。亚临界的解决方案，然后通过跟踪这个解决方案分支到亚临界状态，采取超临界解决方案，然后逐渐降低相应的瑞利数。我们发现，减少埃克曼数导致的Ra/Ra $_c$的亚临界范围的扩展，下降到最佳值的Ek $=10^{-5}$。对于磁普朗特数为1阶的情况，当小尺度对流驱动的发电机产生相对较强的大尺度磁场时，在较低的Ekman数下出现的大尺度模阻碍了亚临界性。大规模模式无法维持发电机的行动导致间歇性的行为，似乎抑制亚临界。亚临界解也对磁雷诺数（或等效地，磁普朗特数，Pm）的值敏感，因为磁雷诺数大于70的值需要产生发电机动作，但是大的值导致能够将系统推离亚临界分支太远并且朝向平凡传导状态的波动。
2020-11-12 physics.flu-dyn
Predicting transition ranges to turbulent viscous boundary layers in low Prandtl number convection flows
我们讨论了两个方面的湍流瑞利-贝纳德对流（RBC）的高分辨率直接数值模拟的基础上，在一个独特的设置;一个封闭的圆柱形细胞的纵横比为1。首先，我们提出了一个全面的比较统计量，如能量耗散率和边界层厚度尺度。数据来自三个模拟运行系列在普朗特数$Pr$，覆盖两个数量级。与大多数以前的研究在RBC的重点是对流湍流在很低的普朗特数，包括$Pr=0.021$的液体汞或镓和$Pr=0.005$的液体钠。在RBC的该参数范围内，惯性效应导致主要湍流动量传输，该湍流动量传输与本体和边界层中的高度间歇性流体湍流一致，因此对于较高的瑞利数，应该能够触发向最终对流状态的完全湍流边界层的过渡。其次，我们预测的范围内的瑞利数的粘性边界层将过渡到湍流和流动作为一个整体将跨越到最终的政权。这些转变范围是由我们的模拟数据外推得到的。外推方法是基于速度剖面的大尺度性质。三种方法中的两种预测了过渡到最终对流的相似范围，当考虑到它们的不确定性时。所有三种外推方法表明，范围内的临界瑞利数$Ra_c$转移到较小的幅度作为普朗特数变得更小。
2017-11-28 physics.flu-dyn
Global and local statistics in turbulent convection at low Prandtl numbers
湍流Rayleigh-Benard对流在低普朗特数（Pr），这是典型的液态金属，如汞，镓或液态钠的统计特性进行了研究，在高分辨率的三维光谱元件模拟在一个封闭的圆柱形细胞的纵横比为1，并与以前的湍流对流模拟在空气中。我们比较了全球动量和热传递的标度。标度指数被发现与实验一致。的均方根速度以及热和动能耗散率的平均配置文件有越来越大的振幅与减少普朗特数的基础是一个更有力的散装湍流在低Pr政权。表面摩擦系数显示出与等温、间歇湍流速度边界层接近的雷诺数依赖性。Pr越小，热边界层厚度越大，速度边界层厚度越小。我们调查的标度指数，并发现略有下降的指数幅度为热边界层厚度Pr减少，但发现相反的情况下，速度边界层厚度缩放。一个不断增长的区域分数的湍流补丁靠近加热和冷却板可以检测到超过当地定义的剪切雷诺数阈值。在相同Ra下，Pr越低，该面积分数越大。我们的局部定义的剪切雷诺数的峰度的分析表明，在边界层的不稳定性显着增加较低的普朗特数和足够高的瑞利数相比，在空气中的对流。这补充了我们以前在低普朗特数对流中发现的增强的体积不稳定性。
2016-07-05 physics.flu-dyn
Extreme vorticity events in turbulent Rayleigh-Bénard convection from stereoscopic measurements and reservoir computing
利用体视粒子图像速度场（PIV）技术对空气中瑞利-贝纳德对流湍流体区的离面涡量分量$ω_z$的高幅值事件进行了分析。瑞利数${\rm Ra}$从$1.7 \times 10^4$到$5.1 \times 10^5$不等。实验研究与$ω_z$和个体速度导数$\partial u_i/\partial x_j$的长期时间序列的综合统计分析有关。一个统计收敛导数矩的顺序为6证明。在相同的参数范围内，我们的结果与已有的高分辨率直接数值模拟结果吻合得很好，包括出现在相应概率密度函数远指数尾的极端涡度事件。实验证实了对流中速度导数统计量从高斯分布到非高斯分布的转变。实验数据被用来训练水库计算模型，递归神经网络的一个实现，再现高度间歇性的实验时间序列的涡度，从而重建极端的平面外涡度事件。在使用高分辨率PIV数据训练模型之后，机器学习模型在重建阶段使用稀疏种子、连续可用且不可见的测量数据运行。重建质量的部分观测的稀疏性的依赖性也被记录。我们的后者的结果铺平了道路，机器学习-辅助实验分析的小尺度湍流的时间序列缺失的速度导数可以提供生成算法。
2022-03-14 physics.flu-dyn
New Higher-Order Super-Compact Finite Difference Scheme to Study Three-Dimensional Natural Convection and Entropy Generation in Non-Newtonian Fluids
本文提出一种新型高阶超紧致隐式有限差分格式，用于非牛顿流体三维自然对流与熵产分析，具有四阶空间精度，并揭示幂律指数和瑞利数对流动与传热的影响。
2024-11-10 physics.flu-dyn
Fixed-flux Rayleigh-Bénard convection in doubly periodic domains: generation of large-scale shear
本文结合数值延拓、次级不稳定性分析和直接数值模拟，研究双周期二维固定通量 Rayleigh–Bénard 对流，揭示电梯模态失稳如何产生大尺度剪切及不同 Prandtl 数下的分岔与混沌路径。
2023-12-10 physics.flu-dyn
Combined measurement of velocity and temperature in liquid metal convection
在一系列的实验中，在$\mathit{Pr}= 0.029$的低普朗特数和$10^6 \le \mathit{Ra} \le 6 \times 10^7$之间的瑞利数的瑞利-贝纳德湍流对流的速度分量和温度的组合测量进行了持续时间超过一千个自由落体时间单位。多个交叉的超声波束线和在中间高度的热电偶的阵列允许的复杂的三维动态的单个大规模循环（LSC）辊的详细分析和表征的圆柱形对流单元的单位纵横比，这是充满了液态金属合金GaInSn。我们测量复杂的大规模流动的内部时间相关性，并区分与中平面中的晃动运动相关的短期振荡以及靠近顶部/底部板的速度的不同取向角和作为一个整体的滚动的平均取向的缓慢方位角漂移，该漂移在慢一百倍的时间尺度上进行。相干LSC驱动整个单元中的剧烈湍流，该湍流通过在单元中的不同位置处的直接雷诺数测量来量化。在大部分的细胞的速度增量统计显示间歇性小尺度流体湍流的特性。我们还表明，持续小规模的速度波动，从而防止建立完全各向同性的湍流在细胞中心的大规模流动的影响。雷诺数幅值敏感地依赖于单元中的束线位置，因此必须比较不同的定义。与瑞利数的全球动量和热量传输的标度被发现与直接数值模拟和其他实验室实验。
2020-02-18 physics.flu-dyn
Generation of magnetic fields by large-scale vortices in rotating convection
我们提出了一个新的自洽发电机机制的产生大规模磁场的自然对象。最近的计算研究描述了旋转湍流对流中大尺度涡（LSV）的形成。在这里，我们表明，对于低于阈值的小规模发电机行动的磁雷诺数，这样的湍流可以维持大规模的磁场-即具有显着组成部分的系统规模的字段。
2015-03-30 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Optimal design with EGM approach in conjugate natural convection with surface radiation in a two-dimensional enclosure
采用熵产最小化（EGM）方法和常用的传热参数，对二维封闭空间内表面辐射与自然对流的耦合问题进行了分析，以寻求热源的最佳位置。空气作为不可压缩流体和透明介质，被认为是充满封闭空间的流体，具有稳定的层流状态。外壳内表面也是灰色、不透明和漫射的。采用有限差分法求解流函数和涡量形式的控制方程。结果包括瑞利数和发射率对无量纲平均熵产生率的影响及其最佳位置。最佳位置搜索与常规的传热参数，包括最高温度和努塞尔数也检查。
2017-11-25 physics.flu-dyn
Experimental study of internal wave generation by convection in water
我们实验研究了从下面冷却到0^oC并从上面加热的水的动力学。利用水的密度最大值约为4^oC的不寻常特性，这种设置使我们能够在实验室中模拟与稳定分层层相邻的湍流对流层，这代表了大气和恒星条件。高精度的温度和速度的测量，特别关注对流激发的内波在分层区中传播。大部分的对流能量是在低频率，和相应的波是本地化的界面附近。然而，我们发现，一些能量辐射远离界面，携带较短的水平波长，较高的频率波。我们的数据表明，内波场是被动激发的对流起伏，和波的传播是正确的耗散线性波理论。
2015-06-18 physics.flu-dyn
Intermittent Vortex Merging and Extreme Drag in Transitional Airfoil Flow
Oklahoma State University（俄克拉荷马州立大学）
该研究通过NACA0012翼型的二维数值模拟，揭示转捩翼型流动中极端阻力源于成簇涡释放与合并，提出通过secondary涡量动力学控制涡释放时机可缓解极端气动载荷。
2026-08-14 physics.flu-dyn
The effects of Ekman pumping on quasi-geostrophic Rayleigh-Benard convection
三维，快速旋转的Rayleigh-Benard对流的数值模拟进行使用的渐近准地转模型，该模型通过（i）参数化的Ekman泵送边界条件，并（ii）热风边界层，正则化的增强热波动引起的泵送的无滑移边界的影响。的保真度的模式，通过渐进减少的纳维-斯托克斯方程，隐含地执行逐点地转平衡，首次探讨了模拟结果的直接数值模拟和实验室实验的比较。从这些方法的结果已经建立Ekman泵的机制，负责显着提高垂直热传输。当与实验结果和DNS结果进行比较时，该渐近模型在Pr ~1的热强迫范围内表现出很好的一致性，并且在它们可达到的旋转速率的最大值处，如通过Ekman数（E ~ 10^{-7}）测量的;当Pr > 1时，实现了很好的定性一致性。与无应力边界的研究类似，存在四种空间上不同的流动形态。尽管在上边界和/或下边界存在摩擦阻力，但正压的强非局部逆级联（即，与深度无关的）动能在地转湍流的最后状态中持续存在，并且在大尺度上占主导地位。对于混合无滑移/无应力和无滑移/无滑移边界，埃克曼摩擦被发现衰减的高档能量传输的效率，与无应力边界的情况下，迅速饱和的正压动能。对于无滑移/无滑移边界，Ekman摩擦足够强以防止相干偶极涡旋凝聚的发展。相反，涡对被发现是间歇性的，在时间和强度上都不同。
2016-08-08 physics.flu-dyn
Generation of large-scale winds in horizontally anisotropic convection
我们模拟三维的，水平周期性的瑞利-贝纳德对流之间的自由滑动的水平板，绕着一个遥远的水平轴旋转。当板块之间的温差和旋转速率都足够大时，就会产生与旋转矢量和重力矢量都垂直的强水平风。风是湍流的，大规模的，垂直剪切。水平各向异性，在这里产生的旋转，似乎是必要的，这样的风力发电。气流的大部分动能存在于风中，垂直湍流热通量平均比无风时低得多。
2015-07-31 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Systematic comparison between the generalized Lorenz equations and DNS in the two-dimensional Rayleigh-Bénard convection
经典的洛伦兹方程最初是从二维Rayleigh-Bénard对流系统中推导出来的，考虑了具有最低阶谐波的理想情况。虽然低阶洛伦兹方程传统上被用作混沌和间歇性大气运动的极小模型，但即使是二维瑞利-贝纳德对流系统的动力学也不能完全由洛伦兹方程表示，而且这种差异还有待于以系统的方式清楚地识别。在本文中，对流问题是通过调查所表现出的各种动力学行为的二维直接数值模拟（DNS）和广义展开的Lorenz方程（GELE）通过考虑额外的高次谐波的频谱扩展周期解。值得注意的是，GELE使我们能够了解高阶模式之间的非线性相互作用如何改变洛伦兹方程的动力学特征，包括不动点，混沌吸引子和周期解。证明了当系统具有足够高次谐波时，DNS的数值解可以由GELE的解恢复。在最低阶，经典的Lorenz方程恢复GELE。与Lorenz方程不同的是，我们在高阶DNS和GELE的解中观察到极限环面，这是极限环的多维模拟。文中还讨论了DNS方程和Lorenz方程的初始条件依赖性。
2021-09-09 math.DS physics.flu-dyn
Thermal convection in a liquid metal battery
利用数值模型分析了液态金属电池中热对流的产生，该电池是最近提出的一种有前途的短期能量存储问题的解决方案。结果表明，在充放电过程中，电解液焦耳热引起的对流是不可避免的。它存在于尺寸大于几厘米的实验室原型中，并且应该在更大规模的电池中变得更强。该现象需要进一步研究，鉴于其积极的（反应物的混合增强）和消极的（效率损失和可能的操作中断，由于流动引起的变形的电解质层）的影响。
2015-07-29 physics.flu-dyn
Modeling stellar convective transport with plumes : II. Transport Properties of Locally and Non-locally driven Convection
针对恒星对流的两种理想化机制，通过三维流体动力学模拟对比其输运特性，提出时空双重平均方法和修正梯度扩散闭合，解决传统模型对羽流驱动对流输运的低估问题，为亚网格模型改进提供途径。
2025-11-16 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Universal Relation between Nusselt Number and Bejan Number in Natural Convection
National Institute of Technology, Yonago College（米子工业高等专门学校）；Tokyo Metropolitan University（东京都立大学）
研究提出自然对流中努塞尔数与贝扬数的普遍标度律，通过熵生成分析和边界层标度，证明在单一控制参数支配传热时，贝扬数倒数与努塞尔数存在普遍关系，通过正方形腔体验证，揭示了传热与热力学不可逆性之间的直接联系。
2026-04-10 physics.flu-dyn
Relation between the Nusselt and Bejan numbers in natural convection
National Institute of Technology, Yonago College（国立冈山大学米子工业高等专门学校）；Tokyo Metropolitan University（东京都立大学）
研究通过熵生成分析与边界层标度推导出自然对流中努塞尔数与贝扬数的标度关系，揭示了传热效率与热力学不可逆性之间的定量联系。
2026-04-26 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
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
A Heuristic Framework for Next-Generation Models of Geostrophic Convective Turbulence
许多地球物理和天体物理现象都是由湍流流体动力学驱动的，其中包含数十个数量级的行为。虽然直接模拟在理解地球物理系统方面取得了很大的进步，但这些模型仍然存在很小的控制参数范围，难以外推到行星环境中。旋转瑞利-贝纳德对流的正则问题提供了另一种方法-在简化的设置中隔离基本物理。旋转对流的理论研究和渐近简化模拟已经揭示了各种可能与自然系统相关的流动行为，但仍然无法直接模拟。代替这一点，几个新的大型旋转对流装置已被设计来表征这种行为。预测这种潜在的新数据流入将如何与现有结果相结合是至关重要的。令人惊讶的是，一个连贯的框架预测极端旋转对流尚未阐明。在这项研究中，我们结合渐近预测，实验室和数值计算结果，和实验的限制，建立一个启发式的框架，广泛的旋转对流研究之间的交叉比较。我们分类的不同领域的现有预测的背景下，渐近流制度。然后，我们考虑的物理约束，确定流动行为的预测和实验的可达性之间的交叉点。将这一框架应用于几种即将推出的设备表明，实验室研究可能很快就能够表征物理相关的流态。这些新的数据可能会改变我们对地球物理和天体物理湍流的理解，这里开发的概念框架应该提供有意义的讨论这些结果所需的理论基础设施。
2018-06-19 physics.flu-dyn
Analysis of the heat transfer fluctuations in the Rayleigh-Bénard convection of concentrated emulsions with finite-size droplets
本文通过数值模拟研究了含有限尺寸液滴的浓缩乳液Rayleigh-Bénard对流中的热传递涨落，揭示了边界层极端事件聚集与热通量间歇性爆发的关联，并量化了液滴相干运动的范围和持续时间的幂律行为。
2023-08-10 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Magnetic energy dissipation and mean magnetic field generation in planar convection driven dynamos
发电机在旋转对流平面层的数值研究的重点是磁能和耗散率，和平均场的产生（其中的平均值是采取在水平面）。与通量瑞利数的磁能的缩放是不同的缩放球壳中提出的，而相同的依赖性的磁耗散长度上的磁雷诺数被发现的两种几何形状。在快速旋转的对流平面层中，存在有平均场和无平均场的发电机。
2014-06-23 physics.flu-dyn physics.geo-ph physics.plasm-ph
The effect of magnetic field on mean flow generation by rotating two-dimensional convection
在许多天体中，对流、旋转和磁场的相互作用是非常重要的。本文研究了由旋转对流驱动的大尺度流动和外加磁场之间的相互作用。我们利用一个简单的模型，在两个维度组成的平面层，是旋转轴倾斜的重力。众所周知，这种设置可以导致强平均流，我们数值研究施加水平磁场对这种流动的影响。我们表明，增加场强一般抑制随时间变化的平均流量，但在某些情况下，它组织他们导致更强的时间平均流量。此外，我们讨论了该领域的相关性负责驱动的流量和雷诺和麦克斯韦应力之间的竞争的效果。当（流体和磁性）普朗特数减少时，观察到行为的变化。在较小的普朗特数制度，它表明，显着的平均流量可以持续，即使当淬火的整体流速的字段是相对较强的。
2016-09-09 astro-ph.SR physics.flu-dyn
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
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
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
Jets and large-scale vortices in rotating Rayleigh-Bénard convection
湍流、快速旋转对流最显著的动力学特征之一是由小尺度对流产生的雷诺应力驱动的大尺度相干结构的形成。在球面几何中，这种结构由沿着旋转轴不变的强烈带状流组成。在平面几何中，长寿命的深度不变结构也会在大尺度上形成，但是，在没有水平各向异性的情况下，它们由增长到域尺寸的涡旋组成。在这项工作中，通过引入水平各向异性的平面旋转对流的数值模式，通过采用不等的水平箱尺寸（即$L_x \le L_y$，其中$xy$平面是水平的），我们调查是否单向流动和大尺度涡可以共存。我们发现，只有一个小的各向异性程度所需的持续大规模的旋涡为主的动态，以持续的单向流平行于最短的水平方向为主的动态带来的过渡。当各向异性足够大时，单向流由多个射流组成，在小于全局粘性时间尺度的时间尺度上产生，因此意味着高档能量传递不会自发地馈送系统中的最大可用模式。也就是说，多个喷射流在更长的时间尺度上合并。在喷流的侧面有系统地形成了大小与$L_x$相当的大尺度涡旋，这些涡旋可以是持续的，也可以是间歇性的。这表明，大尺度涡，无论是否与射流共存，是一个强大的动力学特征的平面旋转对流。
2017-11-08 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Lagrangian single-particle, multi-particle and topological analyses in turbulent Rayleigh-Bénard convection
Technische Universität Ilmenau（伊尔梅瑙工业大学）；University of Arizona（亚利桑那大学）
通过拉格朗日框架下的三维直接数值模拟，利用粒子加速度、热传递、Q-R拓扑、粒子对扩散、尺度依赖涡粘度和主成分分析，研究了湍流瑞利-贝纳德对流中的输运机制，揭示了间歇性热传递、尘埃漩涡拓扑特征以及浮力和剪切驱动的多阶段扩散行为。
2026-05-25 physics.flu-dyn
Effects of shell thickness on cross-helicity generation in convection-driven spherical dynamos
研究了旋转球壳中螺旋度和交叉螺旋度电动发电机效应对混沌热对流自持磁场产生的相对重要性，并将其作为球壳厚度的函数。发电机解决方案的两个不同的分支被发现共存于直接数值模拟壳的纵横比在0.25和0.6之间的平均场偶极制度和波动偶极制度。的特性表征共存的发电机吸引子进行了比较和对比，包括磁场和旋转热对流的时间行为和空间结构的差异。螺旋度$α$ -效应和交叉螺旋度$γ$ -效应被认为是在波动偶极发电机制度，其中它们的比例不随壳厚度显着变化的强度相媲美。与此相反，在平均场偶极发电机制度的螺旋$α$ -效果占主导地位的约两个数量级，并成为更强的壳厚度减小。
2020-12-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Switch of tonal noise generation mechanisms in airfoil transitional flows
对NACA 0012翼型在迎角为${α= 3}$ °时产生的音调噪声进行了大涡模拟研究。自由飞行马赫数为${M_{\infty} = 0.3}$。分析了跨越${0.5 \times 10^5 \le Re \le 4 \times 10^5}$的不同雷诺数。结果表明，负责噪声产生的流型出现从不同的层流分离气泡，包括一个观察到的翼型吸力面和另一个附近的后缘，在压力侧。对于较低的雷诺数，吸力面上的间歇性涡流动力学导致相干结构或湍流包向后缘平流。这种流动动力学也影响压力侧的分离气泡，其变得间歇性。尽管不规则的层流湍流过渡的发生，噪声频谱描绘了一个主音与多个等距的副音。增加雷诺数会导致吸力侧出现永久性湍流状态，从而降低相干性水平，导致仅观察到小尺度湍流涡流。此外，吸力面的层流分离泡几乎消失，而压力面的层流分离泡变得更加明显和持久。因此，主要的噪声产生机制成为沿尾流的旋涡脱落。
2022-08-07 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
Numerical Simulations of Internal Wave Generation by Convection in Water
水的密度最大值在4 ℃，使它非常适合研究内部重力波激发对流：一个不断增加的温度分布是不稳定的对流低于4 ℃，但稳定分层以上4 ℃。我们提出了数值模拟的水状流体在其密度最大值附近的二维域。我们成功地模拟阻尼波的模拟使用线性理论，只要我们不采取弱阻尼限制通常在文献中使用。为了隔离激发内波的物理机制，我们使用新的频谱代码Dedalus来运行我们更详细的模拟的几个简化模型模拟。我们使用的数据从完整的模拟源项在两个简化模型的内波激发对流：体激发对流雷诺应力，和界面强迫通过机械振荡器效应。我们发现在完整的模拟和简化的模拟实现散装激发机制所产生的波之间的协议。界面强迫模拟过度激发高频波，因为它们假设激发是通过羽流的“脉冲”穿透，将能量传播到高频。然而，我们发现真正的激发是平行于界面的羽流的“扫掠”运动。我们的研究结果意味着，散装激发机制是一个非常准确的启发式内波产生对流。
2015-06-17 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Effects of Thermal Boundary Conditions on Natural Convection and Entropy Generation in Non-Newtonian Power-Law Fluids
Institute for Applied and Computational Mathematics, RWTH Aachen University（亚琛工业大学应用与计算数学研究所）
研究探讨了热边界条件对非牛顿幂律流体在方形腔和同心圆环中自然对流及熵生成的影响，通过数值方法验证了牛顿和非牛顿对流的基准解，分析了流体 rheology 和加热模式对对流和熵生成的影响。
2026-05-13 cs.CE physics.comp-ph physics.flu-dyn
Thermal convection in rotating spherical shells: temperature-dependent internal heat generation using the example of triple-$α$ burning in neutron stars
我们提出了一个广泛的研究Boussinesq热对流，包括温度依赖的内部热源，基于数值三维模拟。温度依赖性模拟三重$α$核反应和流体几何形状是一个旋转的球壳。这些都是对流吸积中子星海洋研究的关键成分。定义了衡量核加热相关性的无量纲参数${\rm Ra}_n$。我们探讨了流动特性如何随着${\rm Ra}_n$的增加而变化，并给出了天体物理学的动机。对流的发生进行了研究，相对于这个参数和周期性，准周期性，混沌流与相干结构，充分湍流表现为${\rm Ra}_n$是不同的。几个政权的转变，并与以前的结果进行比较，差异加热对流。最后，我们探索（试探性地）我们的结果的潜在适用性的热核爆发在吸积中子星海洋的演化。
2018-12-14 astro-ph.HE astro-ph.SR nlin.PS
Transition to chaos and magnetic field generation in rotating Rayleigh-Bénard convection
该研究通过数值模拟分析旋转瑞利-贝纳德对流，发现旋转显著影响磁场生成，临界磁普朗特数随旋转率非单调变化，并指出非滞回爆发分岔导致发电机转变。
2024-02-05 astro-ph.EP astro-ph.SR nlin.CD
Solar cycle properties described by simple convection-driven dynamos
旋转球壳中对流产生磁场的简单模型，其性质与在太阳上观察到的相似。这些模型中的Boussinesq近似假设妨碍了对太阳活动周期的真实描述，但是通过物理上激发的对差分旋转边界条件的改变，发电机波向高纬度的传播至少在低纬度可以被逆转。
2011-12-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The role of viscosity contrast on plume structure in laboratory modeling of mantle convection
我们已经进行了实验室实验来模拟地幔对流中羽流的重要方面。我们专注于确定羽流结构和动力学的粘度比U（周围流体和羽流流体之间）的作用。在我们的实验中，我们能够捕捉到地球物理对流制度相关的地幔对流的热点（当U > 1）和板块俯冲（当U < 1）制度。平面激光诱导荧光（PLIF）技术用于流动可视化和表征羽流结构。对流由较轻流体灌注穿过可渗透网产生的组成浮力驱动，并且粘度比U在1/300至2500的范围内系统地变化。在U=1的底部边界附近的平面形状，表现出一个著名的树枝状线羽状结构。随着U值的增加，观察到从树枝状羽流结构到离散球形羽流的渐进形态过渡，伴随着羽流的增厚和羽流间距的增加。在垂直剖面上，U=1时的蘑菇状地幔柱头部在高U时转变为断续的球状地幔柱，类似于地幔对流中的地幔柱热点。相反，对于低U值（~1/300），该机制对应于地幔中板块的俯冲。在这一制度中，我们观察到的第一次，羽流产生的厚边界细胞结构和发展成片状羽流。我们使用实验数据来量化这些形态的变化和混合动力学的羽流在不同制度的美国。我们还比较了我们的观察羽间距与文献中报道的各种模型，通过改变粘度比和浮力通量。
2016-10-28 nlin.AO nlin.PS physics.flu-dyn
Convection and intermittency noise in water temperature near a deep Mediterranean seafloor
湍流和内波运动对于深海中的动量、热量和悬浮物的交换很重要，因为深海的密度一般是稳定分层的。湍流生成模型涉及垂直电流差异的剪切变形分层的水域，对流是由（不稳定）浮力驱动。切变生成在分层良好的海洋内部更为普遍，而对流则发生在海面附近，例如通过夜间冷却。远低于表面，西地中海是非常弱的分层，并提供了观测研究深海对流的机会。一组机会主义的高分辨率温度传感器不仅展示了经典的内波诱导湍流，而且还展示了归因于地热加热的对流和与各种混沌理论模型（如1/sigma粉红噪声）相关的光谱特性。（sigma表示频率），主要分布在（0.01 m以上），1/sigma^2布朗噪声，主要出现在距海底约100 m的系泊缆上。近惯性的温度变化被观察到发生到海底，从而扰乱当地的对流湍流制度，以剪切为主的一个临时。海底的整体湍流时间尺度一般小于海底上方约100米处的整体湍流时间尺度（主要是高频运动）。
2023-03-20 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Transition to chaos in two-dimensional Rayleigh-Bénard convection: the role of the magnetic field
Government of the State of Goiás (SEDUC-GO)（戈亚斯州政府）；Technological Institute of Aeronautics (ITA)（航空技术学院）；University of Porto（波尔图大学）；Federal Rural University of the Amazon (UFRA)（亚马逊联邦农村大学）
探讨外部磁场对二维瑞利-贝纳德对流数值模拟的影响，先在无磁场时建立基线，再引入磁场研究其对混沌转变的作用。发现磁场使行波涡动力学增加，促使对流涡分裂，分析速度场揭示相关拓扑变化及磁涡磁重联现象。
2026-07-21 math-ph math.DS math.MP
A model of rotating convection in stellar and planetary interiors: II -- gravito-inertial wave generation
引力惯性波在对流区和辐射区的界面处以及在旋转恒星和行星的对流区的大部分中由雷诺应力激发。这种波在旋转恒星的频谱中具有显著的星震特征，特别是在快速旋转的早期型恒星中，这提供了探测其内部结构和动力学的手段。它们还可以将角动量、化学物质和能量从激发区域传输到它们在辐射区域中耗散的地方。为了估计这些波的振幅的激励和对流参数的依赖性，采用了一个单峰模型的恒星和行星对流，如在论文I中所述，它提供了作为旋转速率的函数的均方根对流速度的大小。与此对流模型，两个渠道的波驱动被认为是：激励在对流稳定和不稳定的区域之间的边界和激励由于湍流应力。参数制度的亚惯性波可能携带显着的能量通量，这取决于对流Rossby数，界面刚度，和波的频率。超惯性波也可以增强，但仅限于对流Rossby数接近1时。当激发界面激发波的流动的对流罗斯比数低于取决于界面刚度的临界罗斯比数时，界面激发波在较低截止频率附近具有峰值能量通量，而当对流罗斯比数大于临界罗斯比数时，该通量减小。这个临界罗斯比数。
2020-09-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Zero Prandtl-number rotating magnetoconvection
研究了具有自由滑移、完全导电和导热边界条件的导电流体在绕垂直轴均匀旋转和水平外磁场作用下，考虑Prandtl数零极限（$\mathrm{Pr} \rightarrow 0$）时Rayleigh-Bénard对流（RBC）开始附近的不稳定性和混沌.直接数值模拟（DNS）和低维建模的系统进行了调查。拉塞卡数（$\mathrm{Q}$）和泰勒数（$\mathrm{Ta}$）的值在$0 < \mathrm{Q}, \mathrm{Ta} \leq 50$的范围内变化。取决于在选定的范围内的参数的值和初始条件的选择，对流的发病被发现是周期性的或混沌的。有趣的是，发现混沌可以通过四种不同的路径发生，即同宿、双周期、倍周期和准周期路径。在弱磁场（$\mathrm{Q} < 2$）的存在下，混沌开始时出现同宿和间歇的路径，而在相对较强的磁场（$\mathrm{Q} \geq 2$）下，混沌开始时出现倍周期路径.另一方面，在另一组初始条件下，观察到混沌的准周期路径。然而，旋转速率（$\mathrm{Ta}$的值）也起着重要的作用，在确定对流的性质在发病。与DNS和低维建模同时进行的系统分析有助于清楚地识别集中在对流开始附近的不同流态并了解它们的起源。周期性或混沌对流在发病时被发现与丰富的分叉结构，包括亚临界干草叉，不完美的干草叉，超临界Hopf，不完美的同宿胶合和Neimark-Sacker分叉。
2017-12-20 nlin.CD nlin.PS physics.flu-dyn
Prandtl number dependence of convection driven dynamos in rotating spherical fluid shells
普朗特数$P$的值对充满导电流体的旋转球壳中的对流驱动发电机产生强烈的影响。低普朗特数通过由差动旋转提供的剪切促进发电机作用，而磁场的产生在高普朗特数流体中更难以维持，其中需要更高的磁性普朗特数$P_m$值。发电机理论中经常使用的磁旋近似似乎只对相对较高的$P$和$P_m$值有效。具有最小值$P_m$的发电机似乎在对流柱存在下在$P$的适度低值下最容易实现。磁场的结构随着$P$的变化而变化，在$P$的高值时，发现具有强轴向偶极场的发电机，而在$P$的低值时，该分量的能量被轴对称环向场的能量和非轴对称分量的能量超过。本文讨论了由导电液核运动产生行星磁场的问题。
2009-10-23 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Fine structure generation in double-diffusive system
研究了在大瑞利数极限下单位高度水平无限层流中的双扩散对流。从线性稳定性分析表明，对流往往有一种形式的旅行高薄辊的高度大于宽度的10-30倍。本文导出了这些卷振幅垂直变化的ABC型振幅方程和扩散分量的平均值。作为其数值模拟的结果，它表明，对于各种各样的参数考虑ABC系统的解决方案，被称为扩散混沌，这可能是有用的解释微细结构产生在一些重要的海洋系统，如温盐楼梯。
2005-06-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Direct data-driven forecast of local turbulent heat flux in Rayleigh-Bénard convection
Technische Universität Ilmenau（伊尔默瑙工业大学）；Friedrich-Schiller-Universität Jena（耶拿弗里德里希·席勒大学）；New York University（纽约大学）
提出了一种卷积自编码器-递归神经网络机器学习组合模型，用于分析和预测普朗特数${\rm Pr}=7$和瑞利数${\rm Ra}=10^7$下二维湍流Rayleigh-Bénard对流中局部对流热通量场的动力学和低阶统计量.两个递归神经网络应用于减少的潜在数据空间，水库计算模型的回声状态网络和一个经常性的门控单元的形式的流数据的时间推进。因此，本工作利用三种不同的机器学习算法的模块化组合，以建立一个完全数据驱动和简化的模型，在复杂的热驱动流的湍流传热的动力学。具有12个隐藏层的卷积自动编码器能够将湍流数据的维数降低到其原始大小的约0.2%。我们的结果表明，一个相当好的精度在一阶和二阶统计的对流热通量。该算法还能够再现间歇性羽流混合动力学的热边界层的上边缘与一些偏差。这同样适用于局部对流热通量的概率密度函数与差异的远尾。此外，我们证明了噪声弹性的框架，这表明本模型可能适用于作为一个简化的动力学模型，提供运输通量及其变化的粗网格单元的大规模计算模型，如全球大气和海洋环流模型。
2022-02-26 cs.CE cs.LG physics.flu-dyn
Generation of a symmetric magnetic field by thermal convection in a plane rotating layer
我们研究数值计算磁场产生的热对流与方形周期性细胞在旋转水平层的导电流体与应力的理想导电边界的瑞利数在区间5100 \le R \le 5800。三种发电机，显然没有遇到过，提出：1）稳定和时间周期的制度，其中的流动和磁场是对称的垂直轴。在这种对称性的制度，全球α效应是微不足道的，和复杂的结构系统的振幅方程控制弱非线性稳定性的系统的扰动与大的空间和时间尺度表明，扰动很可能表现出不寻常的复杂模式的行为，在未来的工作中进行研究。2)时间周期性，其中磁场总是集中在对流层的内部，与St Pierre（1993）首次观察到的行为相反，并且通常被认为是无限导电边界的通用行为。3)一个发电机表现出混沌行为的异宿性质，其中一个样本的轨迹享有之间的周期性磁流体动力学制度和轧辊的偏移。辊是无磁性的，但在运动学上产生磁场。结果，当接近轧辊时，磁能几乎下降到零。
2010-04-09 nlin.CD nlin.PS physics.flu-dyn
