Partially Molten Plumes and Melt-Fingers: Two Modes of Magma-Transport through the Mantle in Terrestrial Bodies
本文通过线性扰动分析和二维数值模拟,揭示类地天体地幔中岩浆输运存在部分熔融地幔柱和熔融指状体两种模式,其转变取决于熔体浮力参数B_m,并据此解释大火成岩省与月球早期岩浆活动。
2025-09-19 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Comment on Effects of transverse magnetic field on mixed convection in wall plume of power-law fluids, by Gorla, Lee, Nakamura and Pop, IJES, 1993
横向磁场对幂律流体壁羽流中混合对流的影响的评论,Rama Subba Reddy Gorla、Jin Kook Lee、Shoichiro Nakamura和Ioan Pop著[国际工程科学杂志,31(1993)1035-1045]。本文讨论了在前缘有定常热源的横向磁场中幂律流体沿垂直绝热面的边界层混合对流。采用一种新的有限差分格式求解非相似控制方程。然而,本文有两个基本错误,所给出的结果没有任何实际价值。
2007-11-07 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
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
A method for measuring and analyzing four-dimensional flow fields in viscous Rayleigh-Bénard convection
University of California, Los Angeles(加州大学洛杉矶分校);Harvard University(哈佛大学)
本文提出一种结合三维扫描立体PIV与拉格朗日相干结构分析的实验方法,首次实现高普朗特数下多个层流热柱的定量四维速度测量与边界追踪,为地幔对流研究提供新工具。
2026-09-29 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Flux scaling and plume structure in high Ra - high Sc turbulent convection
本文采用盐水在水面上穿过微孔渗透膜的方法研究了高瑞利数($10^{11}- 10^{10}$)、高施密特数(650)的湍流对流。近壁相干结构为线羽流时,通量表现出4/3的$^{rd}$标度。多个大尺度流动池的移位导致大纵横比的近膜平均剪切方向的改变。较低的纵横比显示单个大尺度流动池和恒定的平均剪切方向。
2004-08-01 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Role of critical points of the skin friction field in formation of plumes in thermal convection
薄边界层中温度和速度的动力学是深入理解热对流中热量和动量湍流输运的关键。Rayleigh-Bénard对流单体的热板和冷板处的速度梯度形成二维表面摩擦场,并与各自边界层中热羽流的形成有关。我们的分析是基于一个直接的数值模拟的Rayleigh-Bénard对流在一个封闭的圆柱形细胞的纵横比$Γ=1$和集中的临界点的表面摩擦力场。我们确定了三胞胎的临界点,这是由两个不稳定的节点和它们之间的鞍,作为特征积木的表面摩擦场。检测到孤立的三联体以及三联体网络。线状热羽流的脊部大多与鞍形的不稳定流形相吻合。从动力学拉格朗日的角度来看,热羽流的形成与一个有吸引力的双曲拉格朗日相干结构的表面摩擦场。本文还从二维矢量场的Poincaré-Hopf指数定理的角度讨论了与槽道湍流表面摩擦力场的区别。
2015-09-16 physics.flu-dyn
Effect of width, amplitude, and position of a core mantle boundary hot spot on core convection and dynamo action
在类地行星的液态铁核内,对流和由此产生的全球磁场都受到上覆岩石地幔的控制。下地幔的热结构决定了有多少热量可以从地核逸出。热的下地幔特征,例如巨大撞击的热足迹或热地幔柱,将局部地减少通过核幔边界(CMB)的热通量,从而削弱核对流并影响磁场产生过程。在这项研究中,我们数值研究如何参数化热点在CMB与任意大小,振幅和位置影响核心对流,因此发电机。热通量异常的影响是量化的全球流动对称性的变化,如赤道反对称,轴对称(EAA)纬向流的出现。对于纯流体动力学模型,EAA对称性尺度几乎与CMB的振幅和大小呈线性关系,而自洽发电机模拟通常揭示要么抑制或大幅增强EAA对称性,主要取决于热通量异常的水平程度。我们的研究结果表明,长度尺度的异常应在同一数量级的外核半径显着影响流场对称性。作为对火星的暗示,在我们的模型范围内,研究得出结论,由CMB热通量异常修改的古代核心场无法将地壳非均匀磁化到火星上南北不对称的现今水平。使用我们的模型得到的磁场不是不够不对称,或者当它们足够不对称时,显示出快速的极性反转,这与厚的单向磁化不相容。
2015-11-04 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Natural versus forced convection in laminar starting plumes
初始羽流或射流具有明确定义的、不断发展的头部,该头部由浮力或动量或两者的局部通量驱动通过周围的静止流体。我们研究了从一个小的,淹没出口的恒定通量的浮力流体产生的起始羽流的缩放和形态。羽流是层流的,并跨越了广泛的羽流理查森数Ri。Ri是浮力与惯性效应的无量纲比,因此我们的测量跨越了浮力驱动的羽流和动量驱动的喷流之间的过渡。我们发现,羽流的上升速度,无量纲化的Ri,表现出幂律关系与Re,在出口管中注入流体的雷诺数。我们还发现,当浮力驱动和动量驱动流之间的阈值被跨越时,存在两种不同类型的羽流头部形态:在Ri > 1制度中产生的受限头部和在Ri < 1制度中发现的分散头部。头部扩散是由头部翻转运动的崩溃和羽流外部的局部开尔文-亥姆霍兹不稳定性引起的。
2009-08-14 physics.flu-dyn physics.space-ph
Effects of global core-mantle boundary topography on outer-core convection and topographic torques
University of Colorado, Boulder(科罗拉多大学博尔德分校);University of Rochester(罗切斯特大学)
研究地核-地幔边界地形对地核对流及地球自转变化的影响,通过数值模拟揭示地形扭矩的形成机制及规模。
2026-05-12 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Numerical study of plume patterns in the chemotaxis-diffusion-convection coupling system
Sorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06(索邦大学,巴黎第六大学);National Taiwan University(台湾大学);CNRS(法国国家科学研究中心);INRIA-Paris-Rocquencourt(法国国家研究院与自动化研究所巴黎罗盖特分所)
本文通过数值模拟研究趋化-扩散-对流耦合系统中的喷流模式,揭示了喷流的形成机制及稳定性,发现趋化作用能稳定系统,且不同物理机制的系统存在强关联性。
2014-12-26 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Modeling stellar convective transport with plumes : II. Transport Properties of Locally and Non-locally driven Convection
Fukuoka University(福冈大学);National Astronomical Observatory of Japan(日本国立天文台);University of Tokyo(东京大学)
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
Dynamics of line plumes on horizontal surfaces in turbulent convection
本文研究了60年瑞利数$(10^5<Ra_w<10^{11})$和20年普朗特数$(0.7<Pr<600)$的湍流对流中底板上线羽流的动力学。我们定性确定的主要动力学的运动沿羽流,横向合并的羽流和启动的羽流;各种其他小类型的运动也发生随着这些主要的动态。沿羽流长度的平均速度与大尺度流速成比例,受剪切影响的羽流长度的分数随着$Ra_w$的增加而增加,为$L_{ps}/L_p\sim Ra_w^{0.04} Pr^{-0.1}$。与\cite{how}相一致,羽流开始的平均时间$\bar{t^*}$与板块附近的扩散时间尺度$Z_w^2/α$成比例,其中$Z_w$是板块附近的适当长度尺度。经历合并的羽流长度的分数随着$Ra_w$的增加而减少,为,$L_{pm}/L_p \sim Ra_w^{-0.04} Pr^{0.1}$。羽流在其合并周期中以恒定速度合并,然而,这些恒定速度的值取决于测量的位置和时间。所有$Ra_w$和$Pr$的合并速度具有共同的对数正态分布,但它们的均值和方差随着$Ra_w$的增加和$Pr$的减少而增加。$\bar{V_m}$比大尺度速度低一个数量级,按羽流两侧的平均卷吸速度换算。这意味着$\bar{V_m}$的尺度与板$ν/Z_w$附近的速度尺度相同。$Re_H$,雷诺数以$\bar{V_m}$表示,层高$H$以$Ra^{1/3}$表示,与努塞尔数$Nu$相同;因此…
2013-07-04 physics.flu-dyn
Lagrangian temperature, velocity and local heat flux measurement in Rayleigh-Benard convection
我们已经开发出一种小型、中性浮力、无线温度传感器。使用摄像机进行光学跟踪,我们获得的位置和温度的传感器的同时测量,因为它是由瑞利-贝纳德对流中的流动,在$Ra \sim 10^{10}$。我们报告的温度,速度和热传输的湍流热对流的统计。传感器粒子的运动表现出接近拉格朗日示踪剂在流体动力学湍流的动力学。我们还量化了羽流中的热传输,揭示了羽流之间的自相似性和极端变化。
2007-06-05 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
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
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
Stability of convection in dry salt lakes
干旱地区常见的干涸湖泊,表面覆盖着盐壳,形成美丽的狭窄山脊网络。在这里,我们认为最初的不稳定性和最终的命运浮力驱动的对流,可能会导致这种模式。具体来说,我们看对流在一个水平表面上,这类似于下面的蒸发盐湖发现的情况下,一个恒定的通流边界条件的深层多孔介质。该系统被缩放到只有一个自由参数,瑞利数,其特征在于对流的相对驱动力。然后,我们解决由此产生的线性稳定性问题的对流的发病。进一步探索这个模型的非线性制度与伪谱数值方法,我们演示了如何增长的小下降流羽流本身是不稳定的粗化,作为系统发展到一个动态的稳定状态。在这个成熟的状态下,我们展示了对流羽流的典型速度和长度尺度如何与强迫条件和瑞利数成比例。有趣的是,一个强大的长度尺度出现的图案波长,这在很大程度上是独立的驱动参数。最后,我们引入了一个空间不均匀的边界条件-调制蒸发率-模仿任何之间的反馈不断增长的盐壳和干燥的盐湖蒸发。我们展示了如何这个边界条件可以引入相位锁定的下降流羽低于网站的低蒸发,如在脊盐多边形。
2021-03-25 nlin.PS physics.flu-dyn physics.geo-ph
Driving Solar Giant Cells through the Self-Organization of Near-Surface Plumes
太阳巨胞对流的全球3D模拟提供了重要的洞察力的过程,产生太阳的观测到的差异旋转和循环发电机行动。然而,当我们转向更高分辨率的模拟时,各种代码都遇到了所谓的对流难题。由于这些模拟的分辨率增加,从而达到湍流的水平,他们往往会产生弱,甚至反太阳的差异旋转模式与弱旋转的影响(高罗斯比数),由于大的对流速度。这个对流难题的一个潜在的罪魁祸首是在大多数模拟中应用的上边界条件,这通常是不可穿透的。在这里,我们提出了一个替代的随机羽边界条件,施加小规模的对流羽流,旨在模仿近地表对流下降,从而使对流进行大部分的向外太阳能通量,并通过我们的模拟上边界。羽流边界条件的使用导致在模拟域中实现的对流驱动的显着变化,从而对流能量输送,对流焓通量的主导尺度,以及最强的下行流,下行流网络和对流上行流的相对强度。这些变化甚至出现在远离上边界层的地方。此外,我们表明,尽管有显着的变化,巨细胞形态的对流模式仍然实现了自组织的强加边界羽流到下行通道,细胞模式,甚至旋转对齐的香蕉细胞在赤道地区。该羽流边界为三维全球对流模拟提供了一种替代途径,其中驾驶是非本地的,并可能提供一种新的方法来解决对流难题。
2018-04-03 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Influence of plume activity on thermal convection in a rectangular cell
Indian Institute of Technology Roorkee(印度技术学院罗尔基分校);New York University Abu Dhabi(纽约大学阿布扎比分校);Technische Universität Ilmenau(伊尔梅瑙工业大学);New York University(纽约大学);King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)(阿卜杜拉国王科技大学)
研究了矩形腔体内热对流中热羽流活动的影响,通过数值模拟探讨了不同雷诺数下对流特性变化,发现热羽流活动影响温度波动和耗散率的衰减规律。
2026-04-13 physics.flu-dyn
Inner core heterogeneity induced by a large variation in lower mantle heat flux
本文采用热对流近临界、成分对流强超临界的双组分对流发电机模型,证明CMB处O(10)的热通量变化可形成内核东西半球非均质性,并解释P波速度、磁通量变化及F层厚度等观测。
2024-08-03 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Numerical study of natural convection states in a horizontal concentric cylindrical annulus using SPH method
自然对流在许多工程应用中具有重要意义。本文提出了一种求解自然对流问题的光滑粒子流体动力学(SPH)方法。将流体的质量、动量和能量守恒方程离散为SPH方程。在Boussinesq近似下考虑了温度场中密度变化引起的体积力。数值计算结果与文献中的实验结果进行了比较,验证了数值方法的有效性。数值计算结果与实验结果吻合较好。然后应用SPH方法研究了Rayleigh数为10^2 ~ 10^7、Prandtl数为0.01 ~ 10的水平同心圆环内的自然对流。一般情况下,流动在低瑞利数下是稳定的,但在高瑞利数下是不稳定的。从稳定态到不稳定态的转变瑞利数在低普朗特数情况下比在高普朗特数情况下低。在数值模拟中识别出4种不同的对流状态,即1个羽流的稳定状态(SP1)、1个羽流的不稳定状态(UP 1)、n(n > 1)个羽流的稳定状态(SPN)和n(n > 1)个羽流的不稳定状态(UPN)。SP1和UP 1状态被观察到的所有普朗特数,而SPN和UPN状态仅观察到在Pr = 0.1和0.01。
2017-12-15 physics.flu-dyn
Dynamics of Mixed Convective--Stably-Stratified Fluids
我们通过直接数值模拟研究了在等温无滑移的顶部和底部边界(温度为$T_t$和$T_b$)之间的密度分层流体的动力学机制。流体的热膨胀系数与温度有关,并且选择成使得流体密度在转化温度$T_b>T_i>T_t$处最大。因此,流体的下层是对流不稳定的,而上层是稳定分层的。我们表明,对流的特性变化显着取决于稳定层的分层程度。对于强稳定层结,对流区与对流不稳定的流体部分一致(即$T>T_i$),对流运动由大密度异常的上升和下沉羽流组成,就像典型的瑞利-贝纳德对流一样;内部重力波由对流层中的湍流波动产生,并在上层传播。对于弱稳定分层,我们证明了一个稳定的流体(即与温度$T<T_i$)的大部分,而不是不稳定和夹带的浮力羽从底部边界发出。因此,对流将低密度异常流体的冷斑块与热的向上羽流混合,最终结果是$T_i$等温线在底部边界层内下沉,并且对流是对流主导的。我们提供了一个唯象的描述之间的过渡制度的羽占主导地位的对流和对流占主导地位,通过分析不同的层化强度的数量。我们发现,稳定层对流的效果只减弱,增加分层强度,这意味着稳定层和对流的动力学应研究自洽在广泛的应用。
2017-09-19 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Effects of polymer additives in the bulk of turbulent thermal convection
本研究通过实验发现微量聚合物添加剂可抑制湍流背景涨落、提升温速场相干性以增强湍流热对流主体热输运,还证实存在浓度阈值且添加剂能稳定热边界层。
2015-11-12 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
Mantle Dynamics in Super-Earths: Post-Perovskite Rheology and Self-Regulation of Viscosity
简单的比例表明,超级地球比同等地球大小的行星更有可能经历板块构造。一般而言,粘度和热导率随压力的增加而增加,而热膨胀率降低,导致地幔深部对流活力降低。根据传统的想法,这可能会导致超级地球的地幔深处没有对流。在这里,我们对此进行评估。首先,我们在这里扩展后钙钛矿激活焓的密度泛函理论(DFT)计算到1 TPa的压力。扩散蠕变的激活体积变得非常低,在非常高的压力,但尽管如此,最大的超级地球的粘度沿地幔可能会接近1030 Pa·s的深部地幔。其次,我们使用这些计算值的地幔对流和岩石圈动力学的行星与多达10个地球质量的数值模拟。该模型假设了一个可压缩地幔,包括深度依赖的材料属性和塑性屈服诱导板块构造。结果证实了板块构造的可能性,并显示了一种新的深地幔温度的自我调节。深部地幔不是绝热的;相反,内部加热使温度升高,直到粘度低到足以促进放射性热的对流损失,这导致超绝热温度分布和粘度随深度增加不超过3个数量级,而不管为一个地幔计算的粘度增加。大型超级地球的对流特征是大的上升和小的,随时间变化的下降。如果超级地球在其形成后非常热/熔融,那么即使在数十亿年之后,其深部内部也可能仍然非常热,并且可能基本上熔融有“超级基底岩浆海洋”-一个更大的版本(Labrosse等人,2007年)。
2013-01-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Penetrative rotating magnetoconvection subject to lateral variations in temperature gradients
本文结合计算与理论分析,研究地幔热非均质性和稳定层结下的旋转穿透磁对流,量化有界域约束效应并给出穿透深度闭式表达式。
2024-12-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Heat flux scaling in turbulent Rayleigh-Bénard convection with an imposed longitudinal wind
本文对纵向风扰动下的Rayleigh-Bénard对流进行了数值研究。结果表明,在风的作用下,由于羽状扫掠机制,通过气室的垂直热通量最初减小,当湍流强迫对流超过浮力时,垂直热通量再次增大。因此,努塞尔数是剪切雷诺数的非单调函数。我们提供了一个简单的模型,捕捉良好的精度观察到的所有动态制度。我们希望我们的研究结果可以导致一个更根本的理解之间的复杂的相互作用的平均风和羽流喷射的瑞利-贝纳德现象。
2013-11-19 nlin.CD physics.flu-dyn
Deep learning for surrogate modelling of 2D mantle convection
German Aerospace Center (DLR)(德国航空航天中心);Berlin Institute of Technology(柏林工业大学)
传统上,基于标度律的1D模型已被用于参数化地球、火星、水星和金星等类地行星内部的对流传热岩石,以解决2D或3D中高保真向前运行的计算瓶颈。然而,这些都是有限的物理量,他们可以模拟(例如,深度依赖的材料属性)和预测只有平均量,如平均地幔温度。我们最近表明,使用大量2D模拟训练的前馈神经网络(FNN)可以克服这一限制,并可靠地预测复杂模型的整个1D横向平均温度分布的演变。我们现在扩展了这种方法来预测完整的2D温度场,其中包含更多对流结构形式的信息,如热羽流和冷降流。使用10,525个类火星行星地幔热演化的二维模拟数据集,我们表明深度学习技术可以产生可靠的参数化代理(即仅基于参数预测温度等状态变量的代理)。我们首先使用卷积自动编码器将温度场压缩142倍,然后使用FNN和长短期记忆网络(LSTM)来预测压缩场。平均而言,FNN预测的准确率为99.30%,LSTM预测的准确率为99.22%。LSTM和FNN预测的适当正交分解(POD)表明,尽管平均绝对相对精度较低,但LSTM比FNN更好地捕获了流动动力学。当求和时,FNN预测和LSTM预测的POD系数分别为原始模拟系数的96.51%和97.66%。
2021-11-05 astro-ph.EP cs.LG physics.flu-dyn
Convection-dominated dissolution for single and multiple immersed sessile droplets
我们数值研究单个和多个液滴溶解液滴组成的较轻的液体溶解在一个较密的主机液体。浮力的重要性通过瑞利数Ra来量化,瑞利数Ra是浮力除以粘性阻尼力。在这项研究中,Ra从0.1到400跨越了近40年。我们专注于如何的质量通量,其特征在于舍伍德数Sh,和流动形态取决于Ra。对于单个液滴溶解,我们首先示出了Sh(Ra)标度从恒定值到$Sh\sim Ra^{1/4}$的转变,这证实了Dietrich等人的实验结果(J. Fluid Mech.,vol. 794,2016,pp. 45- 67)。两种不同的制度,即扩散和对流为主的制度,表现出不同的流动形态:当Ra>=10,浮力羽流是清晰可见的,形成鲜明对比的纯扩散情况下,在低Ra。对于多液滴溶解,众所周知的屏蔽效应在低Ra下起作用,使得溶解速率与单液滴情况相比更慢。然而,在高Ra下,对流变得越来越占主导地位,使得集体羽流增强质量通量,并且显著地,多个液滴比单个液滴溶解得更快。这也已经在Laghezza等人的实验中发现(软物质,第12卷,2016年,第12页)。5787- 5796)。我们解释这种增强的形成一个单一的,更大的羽流,而不是几个单独的羽流。此外,存在最佳Ra,在该Ra处增强最大化,因为单个羽流在较大Ra处较窄,这因此阻碍了增强。我们的研究结果表明,在集体液滴溶解,这是合并的羽流,导致非平凡的现象,对比屏蔽效应的新机制。
2019-11-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Scaling of plate-tectonic convection with pseudoplastic rheology
采用假塑性流变学和强温度依赖性粘滞模型模拟热对流,研究了板块-构造对流的标度性。地幔熔融的影响也探讨了额外的深度依赖粘度。热流标度可以构造只有两个参数,内部瑞利数和岩石圈的粘度对比,后者是完全由流变特性。板块构造对流和滞盖对流之间的过渡的临界粘度对比被发现是成正比的内部瑞利数的平方根。在此基础上讨论了地幔温度与地球表面热通量的关系,并证实了从全球能量平衡考虑的地幔温度与地球表面热通量之间的反比关系。在地表水的存在,以减少有效摩擦系数,板块构造的操作建议是似是而非的整个地球历史。
2010-08-27 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Flow Reversal in Low-Prandtl-Number Convection via Lateral Confinement
School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences(中国科学院大学工程科学学院);State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures and School of Aerospace Engineering, Xi’an Jiaotong University(西安交通大学航天航空学院及机械结构强度与振动国家重点实验室)
研究低普朗特数流体中LSC流动反转问题,通过直接数值模拟液态金属对流,发现强横向限制能引发“羽流凝聚”转变,减少热损失,为角涡提供浮力驱动反转,绘制出“反转岛”,确立横向限制为控制参数。
2026-07-27 physics.flu-dyn
Inclined wall plumes in porous media
本文给出了斜壁羽流自然对流的数值解。斜壁羽流是由埋置在绝热板前缘的线热源引起的,线热源具有任意的倾角,并埋置在流体饱和多孔介质中。提出了一种适当的控制边界层方程的变换,并提出了一种非常有效的新的数值解,以获得严格的数值解的变换后的非相似方程在很宽的范围内的倾斜角从垂直到水平。
2014-03-09 physics.flu-dyn
The effect of tilt on turbulent thermal convection for a heated soap bubble
本文采用直接数值模拟(DNS)方法研究了倾斜对赤道加热的半肥皂泡上二维湍流热对流的影响。在DNS中,气泡倾斜一个角度$δ\in[0^{\circ},90^{\circ}]$,Rayleigh数在$Ra\in[3\times10^6, 3\times10^9]$之间变化,Prandlt数固定在$Pr=7$。DNS揭示了两种性质不同的流动状态:动态羽流区(DPR)和稳定羽流区(SPR)。在DPR中,小的动态羽流不断地从赤道上的随机位置出现并在气泡上消散。在SPR中,流动由从气泡下缘上升的单一大而稳定的羽流控制。Nusselt数$Nu$和雷诺数$Re$在这两个区域中是不同的,其中$Nu\propto Ra^{0.3}$用于DPR,而$Nu\propto Ra^{0.24}$用于SPR。关于$Re$,DPR中的缩放取决于$Ra$和$δ$而位于$Re\propto Ra^{0.48}$和$Re\propto Ra^{0.53}$之间,而在SPR中,缩放取决于$δ$而位于$Re\propto Ra^{0.44}$和$Re\propto Ra^{0.45}$之间。($ε_{T^{\prime}}$和$ε_{u^{\prime}}$,的概率密度函数(PDF)也有很大的不同。对于小的波动,归一化的$\logε_{T^{\prime}}$和$\logε_{u^{\prime}}$接近于高斯PDF,但是…
2022-08-05 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
Consequences of high effective Prandtl number on solar differential rotation and convective velocity
观测表明,太阳对流模拟获得的大尺度对流速度可能被高估(对流难题)。一个可行的解决方案可能是小规模发电机,这不能完全解决全球模拟。小尺度的洛伦兹力抑制对流运动和湍流混合的熵之间的上升流和下降流,导致一个大的有效普朗特数($\Pr$)。我们在不同热导率($κ$)的三维全球旋转对流模拟中探索了这一想法,即,在不同的$\Pr$。与以前的非旋转模拟一致,对流速度随着$\Pr$的增加而减小,只要热传导通量可以忽略不计。在低$κ$模拟中,由于低熵羽流的连续沉积,在对流区底部附近形成亚绝热层。我们的低$κ$模拟的最有趣的结果是,对流运动伴随着对流结构的变化,越来越多的小尺度羽流的影响。这些羽流倾向于径向向内传输角动量,从而建立一个反太阳的差异旋转,与太阳旋转轮廓形成鲜明对比。如果这样的低扩散羽流,驱动的辐射表面冷却,在太阳中存在,那么我们的研究结果提出了质疑的想法,一个高效的$\Pr$可能是一个可行的解决方案,太阳对流难题。我们的研究还强调,任何依赖于向下羽流的难题的解决方案必须考虑角动量传输以及热传输。
2018-04-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn
On the thermal effect of porous material in porous media Rayleigh-Bénard convection
本文通过二维数值模拟研究了多孔介质热导率对Rayleigh-Bénard对流全局热输运的影响,发现分离多孔介质的传导效应对总热传递影响很小,Nusselt数仅略微降低。
2023-04-14 physics.flu-dyn
Onset of unsteady horizontal convection in rectangle tank at $Pr=1$
对矩形槽内的水平对流进行了数值模拟。在高瑞利数下,流动是不稳定的。结果表明,$Ra$存在一个从定常解到周期解的Hopf分支,在$Pr=1$处得到了中间烟流强迫的临界Rayleigh数$Ra_c$为$Ra_c=5.5377\times 10^8$,比以前得到的数值大得多.此外,不稳定扰动总是从中心射流产生的,这意味着不稳定的开始是由于速度剪切(剪切不稳定性),而不是热动力学(热不稳定性)。最后,Paparella和Young的[J.Fluid Mech.466(2002)205]关于流动不稳定的第一个假设被数值证明,即中间羽流强迫可以导致流动不稳定。
2008-04-15 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Boundary layer structure in turbulent Rayleigh-Bénard convection in a slim box
在Rayleigh-Bénard湍流中,不同区域的平均温度分布呈现对数规律。然而,热羽流如何与温度的对数律相关以及速度剖面如何随压力梯度变化还没有完全了解。在这里,我们进行了三维模拟的瑞利-贝纳德湍流在一个细长的盒子没有前壁和后壁的纵横比,$L:D:H=1:1/6:1$,在瑞利数$Ra=[1\times10^8, 1\times10^{10}]$普朗特数$Pr=0.7$。尽管在粘性边界层中既没有看到Prandtl-Blasius-Pohlhausen型也没有看到对数律,但She等人(She,2017)提出的应力长度的双层函数$\ell_u^+\approx \ell_0^+(z^+)^{3/2}\left[1+\left({z^+}/{z_{sub}^+}\right)^4\right]^{1/4}$成功地量化了速度分布。与此相反,在羽流喷射区域的温度分布是对数的所有模拟的情况下,被归因于热羽流的排放。温度对数定律的系数$A$可以通过热应力长度$\ell^*_θ$和热边界层$z^*_{sub}$和$z^*_{buf}$的厚度的组合来描述,即$A\simeq z^*_{sub}/\left(\ell^*_{θ0}{z^*_{buf}}^{3/2}\right)$。逆压梯度使风向转向,使热羽流在喷流区聚集,从而使温度廓线服从对数律。本模拟的努塞尔数标度和局部热通量与以前的结果是一致的封…
2019-01-23 physics.flu-dyn
Radial boundary layer structure and Nusselt number in Rayleigh-Benard convection
本文对长径比为1/2、Pr=0.7的圆柱形单胞内的三维Rayleigh-Benard对流进行了直接数值模拟。它们跨越了从$2\times 10^6$到$2 \times10^{11}$的50年Ra。在网格间距为$\sim$的Kolmogorov尺度下,良好的数值分辨率是精确计算努塞尔数的关键,计算结果与Niemela等人的实验数据吻合较好,Nature,404,837(2000).在欠分辨模拟中,热(冷)羽流比完全分辨情况下从底部(顶部)板行进得更远,因为靠近侧壁(网格单元最大的地方)的热耗散是不够的。我们比较了完全解决的热边界层配置文件与普朗特-Blasius配置文件。我们发现,边界层的配置文件是更接近普朗特Blasius配置文件在圆柱轴比接近侧壁,由于在该地区的上升羽流。
2009-05-04 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
Particle Re-Suspension in Two-Phase Dispersed Rayleigh-Bénard Convection
本文通过颗粒分辨数值模拟研究Rayleigh-Bénard对流中的颗粒再悬浮机制,发现底部水平流场将颗粒聚集成沙丘并使来流偏转产生垂直速度分量,从而将颗粒夹带进入上升羽流,并指出该过程无法用点颗粒模型模拟。
2024-10-03 physics.flu-dyn
Wall-sheared thermal convection: heat transfer enhancement and turbulence relaminarization
本研究通过在二维和三维Rayleigh-Bénard单元中施加三种壁面剪切,发现增加壁面剪切强度可增强传热效率并引发湍流再层化,且层流态因形成更稳定的对流通道而具有比湍流态更高的传热效率。
2023-03-31 physics.flu-dyn
Disentangle plume-induced anisotropy in the velocity field in buoyancy-driven turbulence
本文提出了一种消除湍流速度场中悬崖结构所产生的各向异性的方法,并在湍流Rayleigh-Bénard(RB)对流系统中进行了检验。研究发现,在RB系统中,速度场中的悬崖结构是由热羽流产生的。这些悬崖结构引起的不对称的速度增量,这导致我们考虑的正和负的速度结构函数(VSF)。正速度增量不包括悬崖结构,而负速度增量包括悬崖结构。我们的研究结果表明,正VSFs的标度指数与均匀和各向同性湍流(HIT)的预测非常一致,而负VSFs的标度指数在热羽流丰富的地方与HIT的预期存在显着偏差。这些结果表明,正负VSF可以用来定量研究悬崖结构在速度场中的作用,并有效地解开由这些结构引起的相关各向异性。
2011-02-01 physics.flu-dyn
Transition to the ultimate regime in two-dimensional Rayleigh-Bénard convection
自Kraichnan [Phys. Fluids 5,1374(1962)]的开创性工作以来,可能过渡到所谓的极限状态(其中体层和边界层都是湍流)一直是热对流中的一个突出问题。然而,这种转变何时发生,以及当地的流动如何引起它还没有完全理解。在这里,通过进行Rayleigh-Bénard湍流的二维模拟,涵盖60年的瑞利数Ra到$10^{14}$的普朗特数Pr $=1$,第一次在数值模拟中,我们发现过渡到最终的制度,即在$\textrm{Ra}^*=10^{13}$。我们揭示了热羽流的排放如何增强全球热传输,导致努塞尔数的增加比经典的Malkus标度$\textrm{Nu} \sim \textrm{Ra}^{1/3}$ [Proc. R. Soc. London A 225,196(1954)]。在转捩区以外,平均速度分布是对数分布,表明存在紊流边界层。与此相反,温度分布仅局部对数,即在羽流发射的区域内,并且局部努塞尔数具有有效缩放$\textrm{Nu} \sim \textrm{Ra}^{0.38}$,对应于最终制度中的有效缩放。
2018-04-11 physics.flu-dyn
SPH modeling of natural convection around a heated horizontal cylinder: A comparison with experiments
对低Rayleigh数($1.18\leq {\rm Ra}\leq 242$)下的水平薄圆柱形热源在填充甘油的细长封闭体中产生的对流进行了实验和数值光滑粒子流体动力学(SPH)分析。实验和SPH计算都是针对源和周围流体之间的正($0.1\leqΔT\leq 10$ K)和负($-10\leqΔT\leq -0.1$ K)温差进行的。在所有情况下,都会形成一对稳定的反向旋转涡流,伴随着$ΔT>0$源上方的垂直上升流羽流和$ΔT<0$源下方的垂直下降流。最大流速总是出现在上升/下降羽流中。SPH的预测被认为是可以接受的,以及与根均方误差的速度分布的顺序为$\sim 10^{-5}$ m s $^{-1}$的实验观测相匹配。SPH方法能够揭示流动现象的细节特征,这一事实证明了该方法的正确性。
2020-12-11 physics.flu-dyn
Thermal boundary layer structure in low-Prandtl-number turbulent convection
本文通过在二维方箱中直接数值模拟瑞利数($Ra$)到$10^9$的Rayleigh-Bénard对流,研究了Prandtl数($Pr$)为0.021时热边界层的结构.在流动中的大规模流通分为三个不同的区域的水平板,我们观察到,当地的热BL厚度在羽流喷射区域大于那些在羽流的影响和剪切为主的地区。此外,局部BL宽度随着$Ra^{-β(x)}$减小,其中$β(x)$取决于板处的位置。我们发现,$β(x)$在冲击区和剪切区几乎相同,并且小于弹射区。因此,当地的BL宽度减少更快地在喷射区域比那些在剪切和冲击区域,我们估计,热BL结构将是均匀的整个水平板$Ra \geq 8 \times 10^{12}$在我们的低$Pr$对流。我们比较的热BL公司在不同的位置在板与普朗特-Blasius-Pohlhausen(PBP)的配置文件,并发现偏差无处不在的所有瑞利数。然而,如Zhou \& Xia({ \it Phys. Rev. Lett.},vol.104,2010,104301),与剪切和冲击区域中所有瑞利数的PBP分布很好地一致,而它们在喷射区域中仍然偏离。我们还发现,尽管随着$Ra$的增加波动越来越大,但低$Pr$对流中的热边界层是过渡性的,尚未完全湍流。
2021-01-08 physics.flu-dyn
Convective regimes of internally heated steady thermal convection of temperature-dependent viscous fluid
本文通过二维稳态解和时间演化计算,研究了内部加热且粘性随温度变化的流体热对流状态,识别出介于活动盖层与停滞盖层之间的缓慢盖层状态,并揭示了努塞尔数标度律及大瑞利数下稳态解失稳的机制。
2025-08-22 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Flow reorganization and transport enhancement in two-dimensional horizontal convection near a density extremum
School of Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学海洋与土木工程学院);Zhejiang Key Laboratory of Industrial Intelligence and Digital Twin, Eastern Institute of Technology(浙江工业智能与数字孪生重点实验室,东方理工学院);Ningbo Key Laboratory of Advanced Manufacturing Simulation, Eastern Institute of Technology(宁波先进制造仿真重点实验室,东方理工学院);Department of Aeronautical and Aviation Engineering, The Hong Kong Polytechnic University(香港理工大学航空及航天工程系)
通过二维直接数值模拟,研究了非线性状态方程(水的密度极值)对水平对流的影响,发现极端-非线性情形下大尺度流从双胞结构重组为单滚环,热输运标度律从Rossby标度增强至Nu~Ra^{1/4}至Ra^{1/3},并由额外势能传递项解释。
2026-10-06 physics.flu-dyn
Accelerating the discovery of steady-states of planetary interior dynamics with machine learning
Institute of Planetary Research, German Aerospace Center (DLR)(德国航空航天中心行星研究所);Helmholtz-Zentrum Hereon(亥姆霍兹中心盖斯特哈赫特)
本文提出用机器学习预测地幔对流稳态温度剖面以初始化数值模拟,仅需少量训练样本即可将达到稳态所需时间步数减少中位数3.75倍,且无预测误差、推理开销极小。
2024-08-30 astro-ph.EP cs.AI cs.LG
Dynamic of plumes and scaling during the melting of a Phase Change Material heated from below
我们确定和描述的主要动态制度发生在熔融过程中的PCM正十八烷在水平层的几个尺寸从下面加热。该配置允许覆盖液体PCM相上的宽范围的有效瑞利数,高达$\sim 10^9$,而不改变任何外部参数控制。我们确定了四个不同的制度,随着时间的推移:(i)导电制度,(ii)线性制度,(iii)粗化制度和(iv)湍流制度。前两个政权出现在所有域的大小。然而,第三和第四政权需要一个最小的固体/液体界面的发展,我们只观察到足够大的域。在二次不稳定性迫使热羽流粗化之后,发生了向湍流的过渡。每一种熔化状态都产生了一个独特的固体/液体前沿,表征了熔化过程的内部状态。我们观察到,熔化过程的大部分幅度都受幂律的支配,尽管不是所有的。因此,羽流的数量、作为时间函数的瑞利数的某些区域、初级和次级不稳定性后的羽流数量、热力学和动力学边界层都遵循简单的幂律。特别是,我们发现,努塞尔数的尺度与瑞利数为$Nu \sim Ra^{0.29}$在湍流区,与瑞利-贝纳德对流的理论和实验表明,指数$2/7$。
2017-11-21 physics.flu-dyn
The large-scale footprint in small-scale Rayleigh-Bénard turbulence
已知湍流对流系统会引起显著的大尺度环流。同时,“背景”(或“小尺度”)湍流也是高度相关的,例如,携带大部分流动中的大部分热传输。在这里,我们研究如何小尺度湍流是相互关联的大尺度流动组织的Rayleigh-Bénard对流。我们的研究结果是基于数值模拟在瑞利数$Ra = 10^8$在一个大的纵横比($Γ=32$)的细胞,以确保一个独特的规模分离。我们提取当地的小尺度湍流的幅度和波数,并发现这些量与大尺度信号的大尺度变化的显着相关性。最值得注意的是,我们发现更强的温度波动和增加的小规模运输(在全球努塞尔数$Nu$的$10\%$的顺序)在羽流影响区域和相反的趋势,在羽流排放对应。这涉及到壁距离达到$2δ_θ$(热边界层厚度)。当地波数一般被认为是更高的羽流发射侧相比,影响之一。第二个独立的方法,通过条件平均值证实了这些发现,并产生额外的洞察到小规模的属性的大规模变化。我们的研究结果对小尺度湍流的建模具有一定的意义。
2020-11-29 physics.flu-dyn