A Compressible High-Order Unstructured Spectral Difference Code for Stratified Convection in Rotating Spherical Shells
我们提出了一个新的和强大的可压缩高阶非结构谱差分（CHORUS）代码模拟热对流和相关的流体动力学在恒星和行星的内部。计算几何被视为旋转球壳充满分层气体。在非结构网格上，采用一种稳健高效的高阶谱差分方法（SDM）对流体动力学方程进行离散。谱差分法的计算模板是紧凑的，有利于并行处理。CHORUS在本文中报告的所有测试用例中都展示了出色的并行性能，在NCAR的黄石高性能计算集群上扩展到12，000个核心。通过定义木星和太阳中的全球对流的两个基准案例来验证代码。CHORUS的计算结果与ASH程序的计算结果进行了比较，两者吻合良好，CHORUS程序为模拟诸如多尺度太阳对流、核心对流以及快速旋转扁圆恒星中的对流等各种现象创造了新的机会。
2015-03-06 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.comp-ph
Classical 1/3 Nusselt number scaling in highly turbulent compressible convection
本文通过MacCormack-TVD有限差分方法模拟可压缩湍流对流，首次将二维模拟推至Ra=10^16，发现体流绝热温降导致Re∝Ra^{1/2}，并验证了经典1/3努塞尔数标度律。
2025-02-03 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Validity of Sound-Proof Approaches in Rapidly-Rotating Compressible Convection: Marginal Stability vs. Turbulence
滞弹性近似的有效性最近在低普朗特数流体中的快速旋转可压缩对流区域中受到质疑（Calkins等人，2015）。鉴于广泛的使用和高计算效率的隔音方法在这个天体物理学相关的制度，本文澄清了安全应用的条件。另一种伪不可压缩近似的潜力进行了研究，这在相反的滞弹性近似是从来没有预锻打破预测的边缘稳定点。然而，它的准确性，降低接近的参数对应的滞弹性方法，这是发生时，该域的声音穿越时间超过旋转时间尺度，即旋转马赫数大于1。关于超临界的情况下，这是自然的特点是较小的旋转马赫数，我们发现，滞弹性近似不显示非物理行为。随着瑞利数的增加，线性化滞弹性方程计算的增长率收敛于相应的完全可压缩值。同样，我们的完全非线性湍流模拟，与我们的完全可压缩和滞弹性模型，并在一个高度超临界，旋转，可压缩，低普朗特数制度进行了良好的协议。然而，该非线性测试示例仅针对0.14的中等低对流Rossby数。
2017-09-21 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Comparison of two- and three-dimensional compressible convection in a pre-main sequence star
扩展我们最近的研究二维恒星对流到3D，我们比较三维流体动力学模拟相同的设置了二维模拟，一个现实的前主序星。我们比较了与对流有关的统计量，包括：平均速度，涡度，局部拟能和对流区下的穿透深度。这些统计数据是在恒星对流区的静止、稳态可压缩对流过程中产生的。我们的模拟与MUSIC代码证实了共同的结果，即恒星对流的二维模拟有一个更高的幅度的平均速度比三维模拟。边界条件和球壳的范围可以影响对流速度的大小和变化。2D和3D速度之间的差异取决于这些背景点;在我们的模拟中，这可能会产生与模拟维度导致的差异一样大的影响。然而，在我们的二维和三维模拟中，对流边界附近的径向速度是相当的。平均局部拟能的流量是较低的二维模拟比三维模拟，表明不同的形状和结构的三维恒星对流。我们使用我们最近研究中提出的模型（Pratt et al. 2017）对对流区以下的对流渗透深度进行了统计分析。在这里，我们分析了三维模拟中的对流渗透，并将结果与相同设置的2D模拟进行比较。在3D中，穿透深度与从2D模拟计算的穿透深度一样大。
2020-03-10 astro-ph.SR physics.flu-dyn
A playground for compressible natural convection with a nearly uniform density
为了理解可压缩对流的基本普遍特征，人们希望从传输特性的空间变化中解开压缩的真正后果。在目前的工作中，我们考虑一个非常特殊的状态方程，其中熵是完全依赖于密度，使近等熵流体域是近等容的。在这类状态方程中，存在热绝热梯度，并且可压缩对流的关键性质仍然存在，即其粘性耗散所涉及的大部分热能的能力，其量级为良好命名的耗散数。在一系列的滞弹性近似下，在无限普朗特数的假设下，控制参数的数量可以减少到两个，瑞利数和耗散数。这个框架被提出作为一个操场可压缩对流，一个机会来扩展的Oberbeck-Boussinesq方程的稳定性，分叉或确定的湍流传热的上限的理论分析的巨大语料库。在这里，在一个二维的几何形状，我们集中在结构上的向上和向下的羽流取决于耗散数，热通量依赖于耗散数和耗散对流热通量的比率。对于耗散数的顺序统一，在大的瑞利数的限制，耗散成为相关的熵热通量在每个深度，使垂直耗散的配置文件可以预测，因此，总的比例耗散对流热通量。
2022-11-21 nlin.CD physics.flu-dyn
Data driven non-equilibrium moist phase exchanges for atmospheric convection within a discontinuous Galerkin model of the compressible Euler equations
Bureau of Meteorology（澳大利亚气象局）；Mathematical Sciences Institute, Australian National University（澳大利亚国立大学数学科学研究所）
研究利用神经网络学习大气对流中三相质量交换，在热和机械平衡假设下制定损失函数，将其以热力学一致方式用于二维垂直切片间断伽辽金模型模拟亚公里分辨率对流三相云形成，并与基于物理表示的结果比较。
2026-08-31 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Internally heated and fully compressible convection: flow morphology and scaling laws
本研究通过二维和三维笛卡尔流体动力学模拟，探究内部均匀加热驱动的完全可压缩对流，明确流速、湍流的调控方式，揭示流动分布特征并得到与不可压缩研究一致的热输运标度律，为理解天体物理对流提供支撑。
2023-10-23 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Compressible turbulent convection at very high Rayleigh numbers
本文利用 MacCormack-TVD 有限差分法模拟了极高 Rayleigh 数下的可压缩湍流对流，发现 Nusselt 数遵循经典标度而非终极区标度，且体温度与密度分布及压力梯度表现出与 RBC 显著不同的特征。
2024-11-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Prandtl number dependence of compressible convection: Flow statistics and convective energy transport
（节略）背景：运动粘度与热扩散率之比，即普朗特数，在恒星对流区远小于1。目的：研究对流和能量输送的统计特性与普朗特数的关系。方法：采用笛卡尔坐标系下的三维对流数值模拟。对流区（CZ）嵌入在两个稳定分层层之间。统计和传输特性的上升和下降流分别进行了研究。结果：均方根速度随普朗特数的减小而增大。同时，下降流的填充因子减小，并导致在较低的普朗特数下更强的下降流，以及对普朗特数的过冲的强烈依赖。速度功率谱不显示显着的变化作为普朗特数的函数。在最高雷诺数的速度功率谱是兼容的Bolgiano-Obukhov $k^{-11/5}$标度。水平平均对流能通量（$\overline{F}_{\rm conv}$）与CZ内的普朗特数无关。然而，在低（高）普朗特数下，上升流（下降流）对对流通量的贡献占主导地位。这些结果与低普朗特数区域的瑞利-贝纳德对流相似，在低普朗特数区域，对流是剧烈湍流的，但在传输能量方面效率低下。结论：目前的结果表明对流超冲和能量通量的普朗特数的强烈依赖。天体物理对流的数值模拟经常使用单位普朗特数。目前的结果表明，这可能会导致误导性的结果，天体物理学相关的低普朗特数制度是定性不同的参数制度，在典型的模拟探索。
2021-05-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Compressible turbulent convection: The role of temperature-dependent thermal conductivity and dynamic viscosity
本研究通过两组三维直接数值模拟，探讨了温度依赖的热导率和动力粘度对超越非弹性极限的完全可压缩湍流对流动力学的影响，发现材料参数的温度依赖性会引起统计量的系统性定量变化，并显著改变湍流动量与热传递效率。
2024-05-23 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Small-scale dynamo action in rotating compressible convection
我们研究发电机行动在对流层的导电，可压缩流体，旋转的垂直轴。在上、下边界面上，磁场采用理想导电边界条件。两个不同层次的热分层被认为是。如果磁扩散率足够小，对流就像一个小型发电机。使用定义的磁雷诺数$R_M$是基于水平积分尺度和水平平均速度在中层的域，我们发现，旋转倾向于减少$R_M$的临界值以上的发电机行动观察。在旋转计算中，增加层内的热分层水平不会显著改变$R_M$的临界值，但它确实会导致非旋转情况下该临界值的降低。在磁雷诺数的最高可计算值处，发电机的饱和水平在所有情况下都是相似的，平均磁能密度在平均动能密度的4%和9%之间。为了进一步了解旋转和非旋转对流之间的差异，我们量化的拉伸性能的每个流通过测量李雅普诺夫指数。在远离边界的地方，由于流动而引起的拉伸率在旋转情况下比在相应的非旋转计算中对深度的依赖要小得多。它还表明，旋转的影响显着降低的磁能量耗散在层的下部。我们还研究了发电机的饱和机制的某些方面。
2011-10-03 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Regimes of thermo-compositional convection and related dynamos in rotating spherical shells
地球和行星内部的对流和磁场产生是由热梯度和成分梯度驱动的。本文对快速旋转球壳中充满不可压缩双组分导电流体的有限振幅双扩散对流和发电机作用进行了数值模拟。在最近的线性分析中确定了四种不同的旋转双扩散对流状态（Silva等人，2019年，地球物理学。占星术。流体动力学，doi：10.1080/03091929.2019.1640875）在不稳定开始后持续存在，而其状态转换仍然是突然的。在半对流和指状制度的特征流速是小的相比，在热和成分为主的翻转制度，而纬向流仍然很弱，除了热为主的所有制度。成分占主导地位的翻转对流表现出显着较窄的方位角结构相比，所有其他制度，而差分旋转成为占主导地位的流动成分，在热为主的情况下，驱动增加。发电机作用发生在除了指进对流以外的所有区域。虽然发电机坚持在半对流制度，他们是非常小的流量强度和非常弱的差分旋转在这个制度，使极向到环向场转换成问题。发电机在热占主导地位的制度，包括振荡的偶极，四极和多极的情况下，类似于从早期的参数研究。发电机的成分占主导地位的制度表现出柔和的时间变化，并保持主要是由于弱纬向流在这个制度的偶极。这些结果大大增强了我们对行星核心流和磁场的主要驱动因素的理解。
2020-04-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Upward Overshooting in Turbulent Compressible Convection. I.Effects of the relative stability parameter, the Prandtl number, and the Péclet number
在本文中，我们研究了向上过冲的三维数值模拟。我们发现，上述对流稳定区可以分为三个层：热调节层（混合熵和物质），湍流耗散层（混合物质，但不混合熵），和热耗散层（既不混合熵也不混合物质）。湍流耗散层通过垂直速度相关的第一和第二零点与热调节层和热耗散层分离。模拟结果与一维湍流雷诺应力模型的预测结果吻合较好。首先，层结构相似。第二，热调整层的上边界接近温度扰动的峰值。第三，在湍流耗散层的上边界处的Péclet数接近于1。此外，我们还研究了超调距离对相对稳定性参数$S$、普朗特数$\rm Pr$和Péclet数$\rm Pe$的标度关系. $S$上的缩放不是唯一的。趋势是超调距离随着$S$而减小。在$\rm Pr$上的拟合表明，过冲距离随着$\rm Pr$的增加而增加。在$\rm Pe$上的拟合表明，超调距离随着$\rm Pe$而减小。最后计算了湍流耗散层厚度与热调节层厚度的比值。该比率几乎保持不变，约为2.4。
2019-11-16 astro-ph.SR 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
Compressible Turbulence: Multi-fractal Scaling in the Transition to the Dissipative Regime
考虑了充分发展的可压缩湍流向耗散状态转变时的多重分形标度。由于粘性效应，多重分形幂律标度行为在非常小的长度尺度上崩溃。然而，压缩性的影响被发现扩展单尺度多重分形制度进一步进入耗散范围。在最终的压缩极限，由于冲击波是适当的耗散结构，单标度制度被发现确实延伸到所有的方式进入全粘性制度。这一结果似乎与可压缩流体中涡旋拉伸更强从而推迟粘性干预的物理事实一致。随后产生的可压缩流体中的增强的速度梯度似乎提供了一个基本的物理基础，以前的结果表明，充分发展的可压缩湍流是有效的耗散比不可压缩的对应。
2010-01-07 physics.flu-dyn
Approaching the Asymptotic Regime of Rapidly Rotating Convection: Boundary Layers vs Interior Dynamics
结合直接数值模拟（DNS）、实验室实验和渐近模拟的结果，研究了快速旋转的Rayleigh-Bénard对流。渐近理论提供了一个很好的描述低，但有限的Rossby数的散装动力学。然而，大偏差的渐近预测传热缩放被发现，实验室实验和DNS始终产生比预期大得多的努塞尔数。这些偏差被追溯到动态活跃的埃克曼边界层，这被证明是发挥不可分割的一部分，在控制传热，即使埃克曼数小到$10^{-7}$。通过添加一个分析参数化的Ekman运输模拟使用无应力边界条件，我们表明，热传递跳跃的值广泛兼容的渐近理论的状态，强烈增加热传递，在良好的定量协议与无滑移DNS和兼容的实验数据。最后，类似于非旋转对流，我们发现没有单一的标度行为，而是多个定义良好的动力学制度存在于快速旋转对流系统。
2014-09-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Onset of thermal convection in a horizontal layer of granular gas
本文应用Navier-Stokes颗粒流体动力学方法研究了水平无限大颗粒气体层中热对流的阈值。对流阈值的依赖性，在粒子碰撞的非弹性，弗劳德和努森numbers.A简单的必要条件，制定在史瓦西准则，众所周知的（可压缩）经典流体的热对流。对流细胞的形态在发病时确定。当弗劳德数很大时，弗劳德数就不存在了。当弗劳德数趋于零时，对流不稳定性转变为最近发现的相分离不稳定性。
2002-12-06 cond-mat.soft nlin.PS physics.flu-dyn
Subcritical behaviour in double diffusive convection within the diffusive regime
我们进行二维和三维模拟双扩散对流的扩散制度，其中流体流动是由一个不稳定的温度梯度和稳定的分层盐度梯度驱动。我们研究了热通量、雷诺数和流动结构如何随密度比$Λ$而变化，密度比是由盐度梯度引起的浮力与由温度梯度引起的浮力之比。当$Λ$从零开始增加时，流动首先在流动结构和热输运方面与纯瑞利-贝纳德（RB）对流相似。Baines和Gill的线性稳定性分析（J. Fluid Mech.，第37卷，1969年，第37页。289-306）已经估计了临界密度比$Λ_c$，高于该密度比流动变得稳定。然而，在这里，我们表明，通过使用大尺度环流作为初始条件（而不是线性稳定性分析中假设的线性剖面），当$Λ> Λ_c$，即，在相同的控制参数下的状态共存。即使密度比变为临界值$Λ_c$的数千倍，与纯传导情况相比，仍然存在具有强烈增强的传热性质的对流。我们揭示了相应的流动结构，并发现一个不稳定的分层区域夹在两个稳定分层层。我们的结果表明，DDC的初始条件的重要性，在扩散制度，特别是在一个大的密度比的情况下，这发生在高纬度海洋地区。
2020-03-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Regime crossover in Rayleigh-Benard convection with mixed boundary conditions
我们数值模拟三维Rayleigh-Bénard对流，从下面加热和从上面冷却的流体层中的流动，具有不均匀的温度边界条件，以探索最近文献中描述的两种不同的制度。我们固定无量纲温差，即~将瑞利数转换为$Ra=10^8$，并在$1$和$100$之间改变普朗特数。通过在顶板上引入条带绝热边界条件，并使顶板表面仅为$50\%$导热，修正了传热、平均温度分布和底层流动特性。我们发现两个制度：当图案波长是小的，流几乎不受条纹。传热减少，但仍是未修改的情况下的一大部分，和底层的流动只是略有修改。当图案的波长是大的，热传递饱和到约三分之二的未修改的问题的值，在散装的温度大幅增加，并在垂直于条纹的方向上的速度波动增强。两种状态之间的过渡发生在两个板之间的距离附近的图案波长处，不同的量在略微不同的波长值处过渡。这种转变是大约普朗特数无关，即使在长波长区的统计略有不同。
2020-07-20 physics.flu-dyn physics.geo-ph
An experimental study on the heat transport in porous media convection
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
通过3D打印晶格结构实验，研究多孔介质对流在宽Rayleigh-Darcy数和Darcy数范围内的热输运，揭示从Rayleigh-Darcy行为到Rayleigh-Bénard行为的五个过渡阶段，并绘制Ra-Da相图。
2026-06-04 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Onset of double-diffusive convection in near-critical gas mixtures
在热力学临界点附近，二元流体的物理性质表现出很大的变化，响应于小的温度和浓度差，其对双扩散对流的发病的影响在这里报道。垂直对称性被破坏，不规则的渗透不稳定性发生，猫眼图案被确定在指进区和振荡区，分别。定义了一个新的参数Θ，用以表征物性变化对流场的影响。通过数值模拟可以看出，具有恒定物理性质的Boussinesq近似具有有限的适用性，并且具有可变性质和密度的Boussinesq方程将描述所看到的所有特征。这一结论是基于与完全可压缩，变属性系统的比较。
2019-03-23 physics.flu-dyn
Towards DNS of the Ultimate Regime of Rayleigh--Bénard Convection
在这篇文章中，我们简要介绍了湍流热对流的问题，特别是在其过渡到最终制度和直接数值模拟这种流动所需的分辨率要求。
2020-05-14 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
Reply to "Absence of Evidence for the Ultimate Regime in Two-Dimensional Rayleigh-Bénard Convection"
依赖Doering等人在Phys. Rev. Lett. 123，259401（2019）
2019-12-20 physics.flu-dyn
Development of methods for thermo-hydraulic simulation of nuclear reactors and similar systems in normal working conditions and in transient processes
本报告的目的是介绍为了满足内盖夫本古里安大学（BGU）机械工程系硕士学位的要求而进行的最终项目。该项目包括研究具有高温差和复杂几何形状的自然对流可压缩流的理论研究。研究动机来自Soreq核中心建立的长期研究，调查和模拟反应堆堆芯中存在的稳态和瞬态多相流状态。该项目的主要目标是开发一种全面的数值方法，该方法能够使用计算流体动力学（CFD）的标准技术-基于压力的求解算法和浸入边界法，对具有高温差和复杂几何形状的自然对流可压缩流进行理论建模。本报告载有：- 一个全面的文献综述调查方法的模拟自然对流和浸没边界的方法。- 所进行研究的目标的扩展大纲。- 一个全面的物理模型，包括控制方程、定义、本构关系和量纲分析。- 通过与文献中可用的不可压缩和非Bossinesq可压缩流的相应独立数值数据进行有利比较进行的验证研究，没有复杂的几何形状。- 在本研究中获得的结果和以前的研究结果之间的比较低的温差和复杂的几何形状的配置。- 高温差复杂几何构型的求解与分析。- 总结、结论和对今后可能开展的工作的建议。
2022-12-27 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 Discrete Immersed Boundary Method for the numerical simulation of heat transfer in compressible flows
本文提出了一种离散强迫浸没边界法（IBM）来数值模拟包含热交换的高速流动问题。流场由可压缩纳维-斯托克斯方程控制，该方程通过使用开源库OpenFOAM求解。数值求解器被修改，包括源项的动量方程和能量方程，占浸没体的存在。该方法是验证一些基准测试案例处理强制对流问题和移动浸没机构。所得结果与文献中提供的数据非常吻合。通过研究不同壁温的加热球的三维高马赫绕流，进一步评估了该方法。即使对于这种更复杂的测试情况下，该方法提供了一个准确的热场和速度场的表示。
2023-01-23 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
Temperature Separation in a Vortex Tube and convection driven by vorticity
本文研究涡流管中温度梯度偏离绝热梯度的原因，提出涡量可像温度一样影响可压缩流体微团的压力与密度，并揭示高涡量气体脱离壁面后在轴线附近经多次碰撞实现温度分离的机制。
2024-02-28 astro-ph.GA 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
Absence of Evidence for the Ultimate Regime in Two-Dimensional Rayleigh-Bénard Convection
本工作与{ \em Phys. Rev. Lett.}中的工作等效。{ \bf 123}，259401（2019），但是，《物理评论快报》禁止引用Zhu等人发表的分析中的另外两点，在{ \em Phys. Rev. Lett.} { \bf 123}，259402（2019）.
2019-12-16 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
Roughness-facilitated local 1/2 scaling does not imply the onset of the ultimate regime of thermal convection
在热对流中，粗糙度通常被用作增强热传输的手段，用努塞尔数表示。然而，对于努塞尔数与瑞利数标度指数（$\mathrm{Nu} \sim \mathrm{Ra}^β$）是增加还是保持不变，还没有达成共识。在这里，我们数值研究湍流Rayleigh-Bénard对流粗糙板在二维，直到$\mathrm{Ra}=10^{12}$。改变高度和波长的粗糙度元素超过200个组合，我们揭示了两个普遍制度的存在。在第一个区域，局部有效标度指数可以达到1/2。然而，这不能被解释为达到了先前研究中所建议的所谓的极限状态，因为$\mathrm{Ra}$的进一步增加导致了第二种状态，在这种状态下，缩放饱和回到接近平滑情况的值。与直觉相反，从第一状态到第二状态的过渡对应于体和边界层流之间的竞争：从体主导状态回到经典的边界层控制状态。我们的研究清楚地表明，当地的$1/2$标度并不表示渐近最终热对流的发病。
2017-04-17 physics.flu-dyn
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
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
Limiting regimes of turbulent horizontal convection. Part II : Large Prandtl numbers
水平对流（HC）在大瑞利数和普朗特数，实验研究的制度高达7个数量级的瑞利数比以前实现的。为了达到瑞利高达$10^{17}$，水平密度梯度是使用差分溶质对流产生的差分输入的盐和淡水控制扩散在一个新的实验中，水的零净质量通量是通过渗透膜确保。这种设置允许通过仔细控制通过膜交换的盐水的量来精确测量溶质对流中的努塞尔数。在瑞利数的五个数量级以上的密度和速度的组合测量表明，流动从Beardsley和Festa制度过渡到Chiu-Webster等人的制度，并在Shishkina等人的范围内框架目前的结果。以及同伴纸理论。特别是，我们表明，即使是大普朗特数，流通最终集群下的强迫水平边界离开分层核心没有运动。最后，以前的政权图相结合的结果在高普朗特数，结果在低普朗特数的同伴纸，连同以前的结果从文献中延伸。这项工作设置了一个新的图片跨越6个数量级的普朗特数和16个数量级的瑞利数的水平对流的过渡景观。
2020-04-30 physics.flu-dyn
Transition to the ultimate regime in a radiatively driven convection experiment
我们报告在辐射驱动的对流实验中，在一个可调的加热长度$\ell$在附近的罐的底部的流体得到加热的热传输的两个制度之间的过渡。第一个区域类似于标准瑞利-贝纳德实验中观察到的区域，努塞尔数$Nu$通过幂律$Nu \sim Ra^{1/3}$与瑞利数$Ra$相关。第二个区域对应于热对流的“最终”或混合长度标度区域，其中$Nu$随着$Ra$的平方根而变化。这两种结垢机制的证据已经在Lepot等人（Proc.Nat.Acad. Sci. U S A，{ \bf 115}，36，2018），我们现在详细研究系统如何从一个过渡到另一个。我们提出了一个简单的模型描述辐射驱动的对流混合长度制度。\corr{It leads to the scaling relation $Nu \sim \frac{\ell}{H} Pr^{1/2} Ra^{1/2}$,}，其中$H$是单元的高度，从而允许我们推导出系统从一种状态过渡到另一种状态时的$Ra$和$Nu$的值。这些预测得到了不同$Ra$和$\ell$收集的实验数据的证实。\corr，我们的结论是，在大$Ra$时，边界层修正可以持续地修改$Nu$的普朗特数依赖性。
2020-10-21 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
Weakly non-Boussinesq convection in a gaseous spherical shell
我们通过使用Boussinesq形式[1]运行3D直接数值模拟来研究与球壳中弱可压缩对流相关的动力学。受天体物理学问题的启发，我们假设存在有限绝热温度梯度$\nabla T_{\rm{ad}}$，并对温度采用混合边界条件，内边界固定通量，外边界固定温度。这种设置本质上比具有固定温度边界条件的平行板之间的液体中的瑞利-贝纳德对流的更标准的情况更不对称。有大量的不对称的条件下，可以导致对流的性质发生巨大的变化，我们证明，这是在这里的情况。流动可以成为压力-而不是浮力-主导，导致异常的热传输的上升流。与直觉相反，背景温度梯度$\nabla\bar{T}$可以形成亚绝热层（其中$\boldsymbol{g}\cdot\nabla\bar{T}<\boldsymbol{g}\cdot\nabla T_{\rm{ad}}$，其中$\boldsymbol{g}$是重力），尽管对流在穿过壳层的每个点处都保持活跃。这表明了高度的非局部性。
2017-07-07 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Flow organization and heat transfer in turbulent wall sheared thermal convection
我们进行直接数值模拟壁面剪切瑞利-贝纳德（RB）对流瑞利数$Ra=10^8$，普朗特数单位，壁面剪切雷诺数高达$Re_w=10000$。使用Monin-Obukhov长度$L_{MO}$，我们确定了三种不同的流动状态，浮力为主的制度（$L_{MO} \lesssim λ_θ$ ;与$λ_θ$的热边界层厚度），过渡制度（$0.5H \gtrsim L_{MO} \gtrsim λ_θ$ ;与$H$域的高度），和剪切为主的制度（$L_{MO} \gtrsim 0.5H$）。在浮力占主导地位的政权的流动动力学是类似的湍流热对流。过渡状态的特征在于随着剪切力的增加而逐渐伸长的辊。在剪切为主的制度的流动包括非常大规模的曲折卷，类似于传统的库埃特流中发现的。作为这些不同的流动状态的结果，对于固定的$Ra$并且随着剪切的增加，由于热辊的破碎，热传递首先降低，然后在剪切主导的状态开始时增加。对于$L_{MO} \gtrsim 0.5H$，努塞尔数$Nu$有效地缩放为$Nu \sim Ra^α$，其中$α\ll 1/3$，而我们发现$α\simeq 0.31$处于浮力主导的状态。在过渡区的有效标度指数是$α> 1/3$，但在这个区域的温度和速度的轮廓还不是对数，从而表明瞬态动力学，而不是热对流的最终制度。
2019-09-23 physics.flu-dyn
Scale-dependent force balance governs transition to the geostrophic regime in liquid metal rotating convection
State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures and School of Aerospace, Xi’an Jiaotong University（西安交通大学航天学院机械结构强度与振动国家重点实验室）；Center for Complex Flows and Soft Matter Research and Department of Mechanics and Aerospace Engineering, Southern University of Science and Technology（南方科技大学力学与航空航天工程系复杂流动与软物质研究中心）；Research Institute of Intelligent Complex Systems, Fudan University（复旦大学智能复杂系统研究院）；Department of Physics, Southern University of Science and Technology（南方科技大学物理系）
通过实验和数值模拟，发现低普朗特数液态金属旋转对流中，大尺度环流被抑制并产生特征水平尺度ℓ，基于ℓ的浮力-科里奥利力平衡而非边界层交叉控制进入地转状态的转变，并导致热输运标度偏离边界层预测。
2026-06-03 physics.flu-dyn
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
Logarithmic temperature profiles in the ultimate regime of thermal convection
我们报告的理论，对数温度分布在非常强烈的发展中的热对流的Rayleigh-Benard细胞的几何形状与纵横比1，并讨论了最近测得的配置文件的最终状态非常大的瑞利数流的协议程度。计算了对数剖面的参数，并与实测值进行了比较。它们的物理解释以及它们对径向位置的依赖进行了讨论。
2012-08-13 nlin.CD 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 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
Convection driven by internal heat sources and sinks: heat transport beyond the mixing-length or "ultimate" scaling regime
最近的实验表明，由内部热源和热汇驱动的热对流表现出混合长度，或“最终”，缩放制度：努塞尔数$Nu$（无量纲热通量）增加的瑞利数$Ra$（无量纲内部温差）的平方根。虽然对于标准的瑞利-贝纳德对流这个标度制度被证明是一个严格的上限的努塞尔数，我们表明，这是不是这样的对流驱动的内部源和汇。也就是说，我们引入了一个渐近展开，以获得稳定的非线性解决方案的限制大$Ra_Q$，瑞利数的基础上的强度的热源。我们说明了这一过程为一个简单的正弦热源，并表明它实现了热传输增强超出混合长度标度制度：$Nu$线性增加与$Ra$在这个分支的解决方案。使用严格的上限理论，我们证明了缩放制度$Nu \sim Ra$的渐近解对应于最大化的热通量受到简单的动力学约束，到一个无量纲的前因子。二维数值模拟不仅证实了正弦源的解析解，而且更令人惊讶的是，它们表明它是稳定的，并且实际上是由系统达到最高的$Ra_Q$数值研究实现的，其热传输效率的数量级高于标准混合长度估计。
2020-10-22 physics.flu-dyn
Temperature fluctuations in the Ultimate Regime of Convection
近十年前，基于在非常高的瑞利数下的全球传热测量，已经报道了一种新的湍流对流状态。我们从能量流本身内部来检验这个“终极机制”的签名。探针尺寸修正的系统研究表明，流量内的早期温度测量值被改变了过大的温度计尺寸，但不是根据文献中提出的理论模型。使用一个比以前使用的小一个数量级的探针，我们发现的证据表明，过渡到最终制度确实是伴随着一个明确的变化，在统计的温度波动的流动。
2009-05-17 physics.class-ph physics.flu-dyn
Radiative heating achieves the ultimate regime of thermal convection
光或辐射的吸收驱动恒星、超新星、冰冻湖泊和地幔内部的湍流对流。在这些背景下，实验室和数值研究的目标是确定内部温度梯度和由湍流输送的热通量之间的关系。这是湍流对流的本构律，将输入到这种自然流动的大尺度模型中。然而，与自然流动的辐射加热相反，实验室实验集中在由加热和冷却板驱动的对流上：热传输受到板附近的边界层的严格限制，这阻止了地球物理和天体物理流动演化模型中使用的混合长度标度律的实现。因此，在实验室实验中测得的标度律与例如，在恒星演化模型中。在这里，我们提供的实验和数值证据表明，辐射驱动的对流自发实现混合长度缩放制度，也被称为“最终”制度的热对流。这构成了对这种湍流对流状态的第一次清晰观察。因此，我们的研究弥合了自然流动模型和实验室实验之间的差距。它开辟了一个实验途径的先验确定的本构关系，以实施到模型的地球物理和天体物理流量，而不是经验适合这些本构关系的稀缺的观测数据。
2021-01-07 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Toroidal and poloidal energy in rotating Rayleigh-Bénard convection
本文研究了普朗特数为$Pr = 0.8$的流体在纵横比为$Γ= 1/2$的圆柱形胞腔中的旋转Rayleigh-Bénard对流。对瑞利数范围$10^5 \leq Ra \leq 10^9$和逆Rossby数范围$0 \leq 1/Ro \leq 20$进行了直接数值模拟。我们提出了一种方法来捕捉政权过渡的基础上分解的速度场成环形和极向部分。我们确定了四种不同的制度。首先，只要环向能量$e_{tor}$不受旋转影响并且保持等于非旋转情况下的环向能量$e^0_{tor}$，就会出现浮力主导的状态。第二，旋转影响的制度，开始于旋转速率，其中$e_{tor} > e^0_{tor}$和结束于一个关键的逆罗斯比数$1/Ro_{cr}$，这是由环向和极向能量，$e_{tor} = e_{pol}$的平衡确定。第三，旋转占主导地位的制度，其中的环向能量$e_{tor}$大于两者，$e_{pol}$和$e^0_{tor}$。第四，地转湍流制度的高旋转率的环形能量下降到非旋转对流的值以下。
2014-04-30 physics.flu-dyn
Rayleigh-Darcy convection in a porous layer: A comparison of near-critical and normal fluid phases
研究了多孔介质层内流体在热力学临界点附近的重力驱动对流（瑞利-达西对流）。温度略高于临界温度的流体是单组分流体。分析了描述均匀孔隙率下固体基质中变物性高可压缩流体相的流体动力学模型。近临界流体被假定为范德华气体。在Oberbeck-Boussinesq近似适用的密度和热力学系数的小变化的限制下，获得了分层效应下的关键相似准则的相关关系。这些关系将模型参数（出现在无量纲控制方程中的Rayleigh-Darcy数和Prandtl数）与相似准则（实际上表征对流的真实Rayleigh-Darcy数和Prandtl数）联系起来。在Oberbeck-Boussinesq近似有效的条件下，数值模拟了稳定阈值附近的稳态Rayleigh-Darcy对流。一组解决方案进行了分析，使用的相关关系，导致在一个普遍的依赖性的校正努塞尔数的真实瑞利-达西数描述的一条曲线。将近临界流体的对流与正常流体的对流进行了比较。在边界处的温度差对应于对流开始，并取决于史瓦西和瑞利准则进行了分析。在临界点附近，临界温差与固体基体无关，仅由流体相的临界绝热温度梯度决定。
2010-01-25 physics.flu-dyn
Complex bifurcations in Bénard-Marangoni convection
我们研究了二维情况下由不可压缩流体的纳维-斯托克斯方程定义的具有马兰戈尼边界条件的系统的动力学。我们表明，更复杂的分叉可以出现在这个系统中的某一非线性温度分布相比，在经典的Rayleigh-Bénard和Bénard-Marangoni系统的简单的线性垂直温度分布的分叉。在Bénard-Marangoni对流方面，所获得的数学结果使我们理解了自由液体表面的复杂空间模式，这可以由该表面的复杂温度分布或化学浓度引起。此外，我们讨论了一些可能的应用结果的湍流理论和气候科学。
2016-08-17 math-ph math.MP nlin.CD
On the triggering of the Ultimate Regime of convection
Rayleigh-Bénard单元是探索高度湍流极限下自然对流定律的最简单系统之一。然而，在非常高的瑞利数（Ra > 1 E12）和一阶普朗特数，实验分为两类：一些证据急剧增强的传热，而其他人没有。这种明显分歧的根源目前尚不清楚。这一令人困惑的情况促使人们系统地研究了具有增强传热的制度的触发，最初被称为对流的“终极制度”。高精度的传热测量已经在具有各种纵横比和不同特性的对流单元中进行，例如改变边界条件或在流动中插入障碍物。两个控制参数，瑞利数和普朗特数已被独立地改变，以解开它们的相对影响。在其他结果中，发现i）如果考虑普朗特数的小差异，则达到非常高的$Ra$的大多数实验没有不一致，ii）转变不是由电池中存在的大尺度环流直接触发的，iii）电池的侧壁对转变具有显著影响。总结了该极限区的特点，并与R.对流渐近状态的Kraichnan预测。
2012-02-03 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Natural convection with mixed insulating and conducting boundary conditions: low and high Rayleigh numbers regimes
本文研究了二维自然对流在非齐次边界条件下的稳定性和动态特性。特别是，我们考虑一个Rayleigh-Bènard（RB）细胞，其中的水平顶部边界包含一个周期性的序列交替的热绝缘和传导补丁，我们研究的全球热交换的异质模式的影响，无论是在低和高瑞利数。在低瑞利数，我们确定数值过渡的制度，其特征在于存在的小对流细胞定位在非均匀边界的发病散装对流卷跨越整个域。当边界图案长度与单元垂直尺寸相比很小时，这种过渡也被解析地控制在极限中。在较高的瑞利数，我们使用基于格子玻尔兹曼方法的数值模拟来评估边界不均匀性对完全湍流状态的影响，直到$Ra \sim 10^{10}$。
2014-03-13 physics.flu-dyn
Absence of Evidence for the 'Ultimate' State of Turbulent Rayleigh-Bénard Convection
He等人[Physical Review Letters 108，024502（2012）]声称他们的实验达到了湍流瑞利-贝纳德对流的“终极”状态，但他们的数据并不合理。
2020-05-07 physics.flu-dyn
