Convection-driven kinematic dynamos at low Rossby and magnetic Prandtl numbers
大多数大尺度行星磁场被认为是由低罗斯贝数对流的低磁性普朗特数流体。在这里,运动发电机行动的渐近,快速旋转发电机模型的平面层几何形状,本质上是低磁普朗特数的影响。的热普朗特数和瑞利数的变化来说明流态的根本变化,从层流细胞对流地转湍流中存在的逆能量级联。对流产生发电机的效率降低,由临界磁雷诺数的增加确定,观察到的浮力强迫增加。这种降低的效率可能是由于与所产生的流动的日益无序的状态相关联的相关性的损失以及局部增强磁扩散的边界层行为。我们发现,空间特性的$α$,从而大规模的磁场,是依赖于只有微弱的变化,在流动行为。然而,我们的研究结果仅限于线性,运动发电机政权,未来的模拟,包括洛伦兹力,因此有必要评估这一结果的鲁棒性。与大尺度磁场相反,小尺度磁场的行为直接取决于小尺度对流场,因此表现出与小尺度对流场的显著变化。
2016-07-28 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
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
Heat transfer enhancement and reduction by poylmer additives in turbulent Rayleigh Benard convection
这封信证实了存在的传热增强(HTE)和减少(HTR)在湍流自然对流与聚合物添加剂。热膨胀系数和高温气冷比是由Benzi等人数值预测的。(PRL,104,024502,2010),但Ahlers和Nikolaenko(PRL,104,034503,2010)在湍流自然对流中的实验仅观察到HTR。使用直接数值模拟的自然对流,本研究调和较早的数值和实验工作的基础上的聚合物长度的聚合物动力学在拉伸流动中的主导作用。
2010-09-02 physics.flu-dyn
Spectral Modeling of Rotating Turbulent Flows
我们测试了旋转湍流的亚网格尺度谱模型对直接数值模拟。泰勒-格林强迫在大尺度的特殊情况下被认为是,一种配置,模仿两个反向旋转的磁盘之间的流动,经常在实验室中使用。我们进行计算中存在的适度旋转下降到Rossby数为0.03,可以在地球大气和海洋中遇到的。我们提供了几个经典的措施的各向异性程度的小规模的研究中的流量,并得出结论,各向同性模型可能足以在中等Rossby数。先前开发的模型(Baerenzung等人,E 77,046303(2008)),其结合了动态地取决于能谱的惯性指数的涡流粘度以及涡流噪声。我们表明,该模型再现令人满意的所有大规模的直接数值模拟的性能高达雷诺数的顺序为10000和长时间后发病的逆级联的能量在低Rossby数。
2008-12-10 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
Large-scale mean patterns in turbulent convection
大尺度模式,这是众所周知的从螺旋缺陷混沌制度的热对流在瑞利数$Ra < 10^4$,继续存在于三维数值模拟中的湍流瑞利-贝纳德对流扩展圆柱细胞的纵横比$Γ=50$和$Ra>10^5$。当湍流场在时间上被平均时,它们就暴露出来了,从而消除了湍流波动。我们应用Boussinesq封闭估计湍流粘度和扩散系数,分别。由此产生的湍流瑞利数$Ra_{\ast}$,描述对流的平均模式,确实是在螺旋缺陷混沌范围。湍流普朗特数小于普朗特数$0.7 \le Pr\le 10$的$0.2\le Pr_{\ast}\le 0.4$。最后,我们证明,这些平均流模式是强大的附加有限振幅侧壁强迫时,在流动中的湍流波动的水平是足够高的。
2015-06-04 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
Boundary layer evolution in turbulent Rayleigh-Benard convection
我们提出了一个流体动力学的视频,说明了在边界层在湍流瑞利-贝纳德对流的速度场的动态。数据由直接数值模拟得到。
2012-09-28 physics.flu-dyn
Extreme-value statistics from Lagrangian convex hull analysis for homogeneous turbulent Boussinesq convection and MHD convection
本文研究了拉格朗日示踪剂的凸壳在分析不同各向异性湍流输运特性中的应用。在统计均匀和稳态Navier-Stokes湍流,中性流体Boussinesq对流,MHD Boussinesq对流的直接数值模拟与拉格朗日对色散的比较表明,凸包统计捕获的渐近色散行为的一大群被动示踪粒子。此外,凸包分析提供了关于示踪剂子系综的附加信息,这些示踪剂平均以极值统计和流动各向异性的形式经由凸包的几何性质最有效地分散。我们使用凸壳表面的几何形状来研究湍流对流中发生的各向异性。应用极值理论,我们证明了凸壳顶点的最大平方扩张是由一个经典的极值分布,Gumbel分布很好地描述。在湍流对流期间,间歇性对流羽流增长并加速拉格朗日示踪剂的分散。凸壳分析产生的信息,补充标准拉格朗日分析的相干湍流结构及其影响的全球统计的流动。
2017-05-07 physics.flu-dyn
Rayleigh-Benard convection in a nonuniformly rotating electrically conductive medium in an external spiral magnetic field
研究了螺旋磁场中导电流体非均匀旋转层中对流流动的稳定性。磁对流的固定和振荡模式被认为取决于角旋转速度(Rossby数$\textrm{Ro}$)和外部方位磁场(磁Rossby数$\textrm{Rb}$)的轮廓上的轮廓。利用Galerkin方法得到了Lorentz型方程的非线性动力系统。对这些方程的数值分析表明,对流的混沌行为的存在。找到了混沌运动发生的判据,它取决于对流参数:Rayleigh $\textrm{Ra}$、Kerrasekhar $\textrm{Q}$、Taylor $\textrm{Ta}$的无量纲数和外方位磁场的Rossby磁数$\textrm{Rb}=-1$,Rayleigh $(\textrm{Ro}=-1)$和Kepler $(\textrm{Ro}=-3/4)$的角速度分布。
2019-05-14 nlin.CD physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Identification of inertial modes in the solar convection zone
对太阳中的全球声波(p模式)的观测是揭示其内部结构和动力学的关键。一种不同类型的波,被称为部门Rossby模式,已被观察和识别,这可能打开大门,以探测内部过程,是无法通过p模式日震学。另一组波,出现逆行传播,赤道反对称涡波,也被观察到,但他们的识别仍然难以捉摸。在这里,通过一个数值模型实施的特征值问题,我们提供的证据支持这些波的识别为一类惯性本征模式,不同的Rossby模式类,径向速度相当于水平的对流区深处,但仍然很小的水平速度相比,对表面。我们还建议,在最近的观测数据中可能存在的Tesseral-like Rossby模式的签名。
2022-07-01 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Effect of a polymer additive on heat transport in turbulent Rayleigh-Bénard convection
测量的热传输,表示为努塞尔数$Nu$,报告的湍流瑞利-贝纳德对流的水含有高达120 ppm的聚-[环氧乙烷]的分子量为$4\times10^6$克/摩尔。在瑞利数范围内,$ 5\times 10^9 \alt Ra \alt 7 \times 10^{10}$ $Nu$比纯水小10%。
2009-10-19 physics.flu-dyn
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
Large eddy simulations of turbulent thermal convection using renormalized viscosity and thermal diffusivity
本文利用重整化粘滞系数和热扩散系数建立了一个亚网格湍流热对流大涡模拟模型。对于大涡模拟,我们将$ν_\mathrm{ren} \propto Π_u^{1/3} (π/Δ)^{-1/3}$添加到运动粘度中;这里$Π_u$是湍流动能通量,$Δ$是网格间距。在我们的模型中,湍流普朗特数是1。我们在$128^3$网格上进行了湍流热对流的大涡模拟,并将结果与$512^3$网格上的直接数值模拟(DNS)进行了比较。在动能和熵的演化、速度场和温度场的谱和通量以及温度等值面等方面,LES和DNS的结果有很好的一致性。我们还显示了我们的LES模拟热对流在非常高的瑞利数的能力,并展示了一些结果$\mathrm{Ra=10^{18}}$。
2018-06-15 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
Energy analysis of 2D electro-thermo-hydrodynamic turbulent convection
Union College(联合学院);Harbin Institute of Technology(哈尔滨工业大学)
本文通过高保真度谱求解器和深度学习方法,研究二维电热流体湍流对流中能量和涡量的动态行为及相干结构。
2026-03-01 physics.flu-dyn
Effect of Microscale Turbulent Structures Dynamics on Forced Convection in Turbulent Porous Media Flow
Department of Mechanical and Aerospace Engineering, North Carolina State University(北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系)
该研究采用大涡模拟(LES)探究雷诺数300下多孔介质流动,明确微涡对对流换热的影响,发现其与涡脱压力不稳定性相关,还分析了二次流动不稳定性的作用,为优化多孔介质几何提供依据。
2026-08-21 physics.flu-dyn
Thermal Boundary Layer Equation for Turbulent Rayleigh-Benard Convection
本文提出了一个新的考虑湍流脉动影响的湍流Rayleigh-Benard对流的热边界层方程。这些波动被忽略在现有的方程,这是基于稳态和层流假设。利用这个新方程,我们解析地导出了两种极限下的平均温度分布:(a)Pr>1,Pr~1和(b)Pr>>1。这两个理论预测与我们的直接数值模拟的结果非常一致,分别为Pr=4.38(水)和Pr=2547.9(甘油)。
2015-01-15 physics.flu-dyn
Flow reversals in turbulent convection via vortex reconnections
我们采用详细的数值模拟,探讨在二维湍流对流的流动逆转的机制。我们发现,逆转发生通过涡重联的两个吸引角辊具有相同的符号的涡,从而导致重大重组的流动。由于这种流动重新配置,在反向过程中观察到热传输的大波动。利用大尺度模态定量分析了反转过程中的流动形态。使用这些工具,我们还表明了为什么流动逆转发生在有限范围内的瑞利和普兰特数。
2012-07-18 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
Problems of Astrophysical Turbulent Convection: Thermal convection in a layer without boundaries
从下面加热的流体层中的热对流通常在实验上实现,并且在理论上用固定边界处理,在固定边界上规定温度和速度场的条件。附在上下边界上的热和速度边界层在很大程度上决定了高瑞利数时湍流对流的性质。固定边界在热对流的自然实现中常常是不存在的。本文研究了在稳定分层流体层中,在等尺寸冷源下方的平面热源驱动下的对流特性。非均匀边界不影响对流流动,因为它们与活跃对流层被几乎静止的稳定分层区域隔开。对流发生在内部不稳定分层区域的平均温度梯度是反向的。但是,在较高的对流振幅下,反向的水平平均温度梯度的区域消失,使得平均温度的垂直导数不再改变其符号。
2011-02-05 physics.flu-dyn
Helical velocity fluctuations and large-scale circulation in turbulent thermal convection
结果表明,螺旋度动力学占主导地位的频谱分布的湍流热对流中的速度波动在中等和大值的瑞利数(分布混沌和标度分别)。湍流Rayleigh-Bénard对流中的大尺度环流(风)对螺旋度动力学特别敏感,其混沌反转可以与平均螺旋度符号的反转(反射对称性的长期遍历恢复)相关联。实验室的实验和测量结果在自由大气对流已被用来支持的理论考虑的基础上的绝热不变性的螺旋度分布的二阶矩。在此背景下,地磁场偶极子的变化和逆转也进行了讨论,并与数值模拟和观测数据的结果已经建立了良好的协议。
2020-04-28 physics.flu-dyn
Two-Scalar Turbulent Rayleigh-Benard Convection: Numerical Simulations and Unifying Theory
我们进行直接数值模拟湍流瑞利-贝纳德(RB)对流,同时驱动的两个标量分量(说,温度和盐浓度)具有不同的分子扩散系数,并测量各自的通量和雷诺数。为了解释这些结果,我们推广了传统RB对流的Grossmann-Lohse理论~(Grossmann and Lohse,J. Fluid Mech.,407,27-56; Phys. Rev. Lett.,86,3316-3319; Stevens等人,流体力学杂志,730,295-308)到这两个标量湍流对流。我们的数值结果表明,广义理论可以成功地预测的两个标量的通量和雷诺数的整体趋势。事实上,对于这里探讨的大多数参数,该理论甚至可以以良好的精度预测通量和雷诺数的绝对值。目前的研究扩展了Grossmann-Lohse理论在浮力驱动对流领域的通用性。
2017-12-15 physics.flu-dyn
Crossover of the relative heat transport contributions of plume ejecting and impacting zones in turbulent Rayleigh-Bénard convection
湍流热对流的特点是形成大尺度结构和强烈的空间不均匀性。本文研究了大尺度羽流喷射与羽流影响区在湍流瑞利-贝纳德对流中的相对热输运贡献。基于直接数值模拟的二维(2-D)的问题,我们表明存在一个交叉的壁热传输从最初的影响为主,最终喷射为主的瑞利数为$Ra\approx 3 \times 10^{11}$。这与在较低Ra的3-D对流中观察到的趋势一致,因此我们预计在那里也会发生类似的交叉。我们确定了一个湍流混合区的发展,连接到热羽流排放,作为交叉的主要机制。混合区逐渐垂直和水平延伸,因此对整个热传递变得越来越占主导地位。
2021-04-08 physics.flu-dyn
Near isotropic behaviour of turbulent thermal convection
本文采用直接数值模拟的方法研究了三维盒内湍流对流的各向异性。我们计算各向异性参数$A = u_\perp^{2}/(2u_{\parallel}^{2})$,其中$u_{\perp}$和$u_{\parallel}$是垂直和平行于浮力方向的速度分量,壳和环谱,以及壳到壳的能量转移。我们观察到,流动几乎是各向同性的普朗特数$\mathrm{Pr} \approx 1$,但各向异性增加与普朗特数。因此,对于$\mathrm{Pr}=\infty$、$A \approx 0.3$,即使在极端情况下,各向异性也不是非常显著。我们还观察到,$u_{\parallel}$通过压力向$u_{\perp}$提供能量。通过对壳-壳能量传递的计算表明,湍流对流中的能量传递是局部的、向前的,类似于流体动力学湍流。这些结果与Kumar等人观测到的Kolmogorov谱一致。[Phys. Rev. E { \bf 90},023016(2014)]中描述的湍流对流。
2016-11-28 physics.flu-dyn
Limitations of estimating turbulent convection velocities from PIV
本文讨论了用粒子图像测速技术(PIV)测定湍流对流速度的方法。湍流对流速度是感兴趣的,因为它们可以用来映射到空间的时间信息。对流速度可以用几种不同的方法定义。一种方法是使用具有时间分离的两个信号的相位谱。获得每波数的对流速度涉及确定空间谱。PIV数据在空间分辨率和样品长度方面受到限制。研究了空间分辨率和频率分辨率截断的影响,以及空间滤波和测量噪声的影响。这些问题进行了研究,通过使用合成的数据集,通过创建速度-时间数据与强加的频谱。从验证的结果表明,当应用一个汉明窗口之前,确定的相位谱,有一个可用的波数范围内的对流速度可以确定。模拟的流动演变,进出测量平面的运动,和测量噪声表明,这些结果在对流速度的传播使用当前的方法。尽管存在这种扩散,但最可能的计算对流速度与施加的对流速度一致。用$Re_τ\approx 2700$对湍流边界层进行了相谱分析,结果表明,对流速度存在一定的范围,最可几对流速度等于当地的平均速度。
2013-11-25 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
Thermal Waves and Heat Transfer Efficiency Enhancement in Harmonically Modulated Turbulent Thermal Convection
我们研究了瑞利数为4 E8 < Ra <2 E12的40年的湍流瑞利-贝纳德对流,同时对我们圆柱形单元的板的温度进行谐波调制。我们探测的流动放置在细胞内部的温度传感器和嵌入在高导电铜板和检测热波传播调制频率在大部分的对流。我们证实了最近的数值预测[PRL 125,154502(2020)]的努塞尔数的显着增强,并报告其依赖于板的温度调制的频率和幅度。
2021-10-19 physics.flu-dyn
Thermal behaviour of settling heavy inertial particles in turbulent natural convection
University of Torino(都灵大学)
本研究通过直接数值模拟,探讨了湍流热对流中沉降重惯性粒子的动力学与热行为,量化了动态和热惯性效应,并揭示了粒子速度与温度波动与流体变量的相关性及沉降与优先集中的相互作用。
2026-09-25 physics.flu-dyn
Multiple states in turbulent large-aspect ratio thermal convection: What determines the number of convection rolls?
最近的研究结果表明,壁边界湍流可以采取不同的统计稳定的湍流状态,不同的传输特性,即使是非常相同的值的控制参数。系统的状态取决于初始条件。本文以无滑移平板和水平周期性边界条件为模型系统,分析了大纵横比($Γ$)二维湍流Rayleigh-Bénard流中的多态性。我们确定对流卷的数量$n$,它们的平均纵横比$Γ_r = Γ/n$,以及相应的流动传输特性(即,Nusselt数$Nu$),作为控制参数Rayleigh($Ra$)和Prandtl数的函数。发现$Nu \sim Ra^β$中的有效标度指数$β$依赖于实现的状态,从而依赖于$Γ_r$,对于较小的$Γ_r$具有较大的值。利用推广的Friedrichs不等式,我们证明了椭圆不稳定性和粘性阻尼决定了可实现湍流态的$Γ_r$窗口。理论结果与我们的数值计算结果$2/3 \le Γ_r \le 4/3$非常吻合,其中较低的阈值接近较大的$Ra$。最后,我们表明,框架$Γ_r$的理论方法也适用于自由滑移边界条件。
2020-05-10 physics.flu-dyn
A model for the large-scale circulation in turbulent Rayleigh-Benard convection
本文提出了一个湍流瑞利-贝纳德对流的大尺度环流动力学模式。它由两个随机常微分方程的纳维-斯托克斯方程,每个LSC的强度和方位角的方向。随机力在现象上代表了湍流涨落对LSC的作用。在没有可调参数的情况下,该模型产生了一个曲折的LSC,偶尔会旋转,并且每天发生几次更罕见的停止-与实验只有大约两个因素的差异。与实验结果一样,LSC取向变化的分布对于终止是均匀的,对于旋转是幂律的。
2006-12-13 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
Rare fluctuations and large-scale circulation cessations in turbulent convection
在湍流Rayleigh-Benard对流中,大尺度环流(LSC)在几乎垂直的平面内发展,并由从不稳定的热边界层分离的上升和下降的羽流维持。LSC振幅的罕见但大的波动可能导致LSC的灭绝(停止事件),然后是另一个具有不同(随机)方位角取向的LSC的重新出现。我们扩展以前的模型的LSC动力学包括动量和热扩散的方位角平面,并计算的振幅和方位角的概率分布的尾巴。我们的分析结果与实验数据非常吻合。
2011-06-19 physics.flu-dyn
Describing the Heat Transport of Turbulent Rayleigh--Bénard Convection by POD methods
Rayleigh-Bénard对流是由浮力引起的封闭在两个水平板之间的流体运动,是研究热对流的理想设置。我们通过计算数值数据的正交分解(POD)来分析板之间传输最多热量的模式。而不是通常的POD anastomosis找到最好的描述能量的模式,我们提出了一种方法,这是最佳的描述热传输。由此,我们可以确定对对流单体中的热传输和相干结构有主要影响的模式。我们还表明,在低维预测的数值对流数据,新开发的模式执行一致优于标准模式。然后,我们使用这种方法来分析的主要模式,三维对流在圆柱形容器以及二维对流与不同的瑞利数和不同的纵横比。
2015-10-23 physics.flu-dyn
Transition to three dimensional flow in thermal convection with spanwise rotation
本文通过直接数值模拟研究了旋转矢量和重力相互垂直的旋转矩形胞内的Rayleigh-Bénard对流。流动是二维附近的对流与对流辊的边界的旋转轴平行对齐的发病。当Rayleigh数足够大时,流动对三维扰动变得不稳定,三维扰动改变了热输运和动能与Rayleigh数的标度。导致不稳定性的机制被确定为椭圆不稳定性。在转捩处,基于流动动能的Reynolds数和Rossby数$\mathrm{Re}$和$\mathrm{Ro}$在小的$\mathrm{Ro}$处与$\mathrm{Re} \propto \mathrm{Ro}^{-2}$相关,具有与几何形状相关的前因子。
2022-05-11 physics.flu-dyn
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
Spectra and probability distributions of thermal flux in turbulent Rayleigh-Bénard convection
本文给出了有和无均匀旋转的瑞利-贝纳德对流中湍流热通量$\mathrm{H}(k)$的谱。频谱$\mathrm{H}(k)$随波数$k$缩放为$\sim k^{-2}$。标度指数几乎与泰勒数$\mathrm{Ta}$和普朗特数$\mathrm{Pr}$无关,因为约化瑞利数$r$($ > 10^3$)的值较高。然而,对于较小的$r$值($<10^3$),指数取决于$\mathrm{Ta}$和$\mathrm{Pr}$。局地热通量的概率分布函数为非高斯分布,具有指数尾。
2016-05-02 physics.flu-dyn
Prandtl-Blasius temperature and velocity boundary layer profiles in turbulent Rayleigh-Bénard convection
在Rayleigh数范围$10^8\lesssim Ra\lesssim3\times10^{11}$和Prandtl数范围$0.7\lesssim Pr\lesssim5.4$内,对水平导热平板附近湍流Rayleigh-Bénard对流的速度和温度分布进行了数值和实验研究.结果表明,温度和速度分布与经典的Prandtl-Blasius层流边界层分布吻合得很好,如果将它们分别在随瞬时温度和速度边界层厚度波动的动力学参考系中重新采样的话.
2010-02-06 physics.flu-dyn
On scaling laws in turbulent magnetohydrodynamic Rayleigh-Benard convection
我们调用磁边界层和磁瑞利数的概念,并使用在体和边界层的磁能量耗散率导出一些标度律表示如何Nusselt数依赖于磁瑞利数,普朗特数和磁普朗特数的湍流磁流体动力学Rayleigh-Benard对流在均匀垂直磁场的存在下的简单情况。
2008-02-12 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
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 and spatial intermittency of thermal dissipation in turbulent convection
我们推导出的比例关系的热耗散率在散装和边界层中,大普朗特数(Pr)对流。利用直接数值模拟的瑞利-贝纳德对流,我们表明,在散装的热耗散被抑制相比,被动标量耗散。我们进一步表明,在边界层中的耗散占主导地位,在散装为中等和大Pr。热耗散率的概率分布函数,无论是在散装和边界层,拉伸指数,类似于被动标量耗散。
2019-07-17 physics.flu-dyn
Similarity model for corner roll in turbulent Rayleigh-Benard convection
Rayleigh-Bénard(RB)对流中的角滚(CR)是角部热传输和对流流动行为的主要原因。对$10^8<Ra<5\times10^9$的三维直接数值模拟结果表明,CR具有良好的相似性和多层结构。利用同伦理论和结构系综动力学理论,构造了一个流函数。该模型对角辊$Re_{cr}\sim Ra^{1/4}$的雷诺数进行了定标。CR尺度$r = 0.77 Ra^{-0.085}$的缩放表明风引起的强近壁剪切,并提供了高$Ra$时“极限状态”的概率。
2018-09-02 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
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
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
Origin of the Temperature Oscillation in Turbulent Thermal Convection
本文对圆柱形Rayleigh-Bénard对流单体中低频温度振荡的三维空间结构进行了实验研究。研究发现,热羽流不是周期性地从顶板和底板发射,而是随机和连续的。我们进一步发现,温度场的振荡并不起源于边界层,而是热的上升流体和冷的下降流体的水平运动被整体流场的扭转和晃动运动调制的结果。
2008-11-18 physics.flu-dyn
Search for the "ultimate state" in turbulent Rayleigh-Bénard convection
测量的努塞尔数$Nu$和温度变化$ΔT_b$在体相流体中的圆柱形样品的湍流瑞利-贝纳德对流。它们涵盖了瑞利数范围$10^{9} \alt Ra \alt 3\times 10^{14}$,使用He(普朗特数$Pr = 0.67$)、N $_2$($Pr = 0.72$)和SF $_6$($Pr = 0.79$至0.84),压力高达15 bar,接近环境温度。样品的高度为$L=2.24$ m,直径为$D = 1.12$ m,位于德国哥廷根的马克斯·普朗克动力学和自组织研究所的一个新的高压对流设施(HPCF)中。这些数据并没有显示出向Chavanne等人报告的"极限状态"的转变,并且与Niemela等人的测量结果一致。
2009-04-16 physics.flu-dyn
Frequency spectra of turbulent thermal convection with uniform rotation
通过对低普朗特数流体中绕垂直轴均匀旋转的Rayleigh-Bénard湍流对流($\mathrm{Pr} < 0.6$)的直接数值模拟,计算了熵和动能的频谱以及热通量的功率谱.对对流Rossby数$\mathrm{Ro} \ge 0.2$进行了模拟。这些全球数量的时间波动显示两个标度制度:(i)$ω^{-2}$在较高频率的所有值的$\mathrm{Ro}$和(ii)$ω^{-γ_1}$在中频与$γ_1 \approx 4$的$\mathrm{Ro} > 1$,而$4 < γ_1 < 6.6$的$0.2 \le \mathrm{Ro} < 1$。
2014-11-03 physics.flu-dyn
Prediction of temperature distribution in turbulent Rayleigh-Benard convection
本文提出了一个关于Rayleigh-Benard对流(RBC)中垂直平均温度剖面(MTP)的定量理论,它解释了Ahlers等人最近对对数律的实验和数值观测。(Phys. Rev. Lett.,2012年)。多层模型制定和量化,其预测同意DNS和实验数据的瑞利数(Ra)超过七十年。特别地,热缓冲层遵循1/7比例,如先前假定的混合区(Procaccia等人,Phys.Rev.A,1991),并且产生Ra依赖的对数定律常数。基于目前对体MTP的多层量化,提出了一种新的Nu(Ra)依赖性参数化。
2014-01-09 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
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
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