Reentrant and Whirling Hexagons in Non-Boussinesq convection
我们回顾了最近的计算结果的六边形图案在非Boussinesq对流。对于足够强的依赖性的流体参数的温度,我们发现再入稳定的六边形,即在发病附近的六边形图案变得不稳定的轧辊通常,他们再次成为稳定的强非线性制度。如果对流装置绕垂直轴旋转,则从六边形到滚动的过渡被霍普夫分叉到旋转六边形所取代。对于弱的非Boussinesq效应,它们显示由二维复杂的Ginzburg-Landau方程描述的类型的缺陷混沌。当非Boussinesq效应较强时,Hopf分岔变为亚临界,涡动振幅出现局部猝发,涡动振幅与六边形晶格(小)变形的耦合变得重要。对于更强的非Boussinesq效应,这种耦合打破了六边形晶格和强烈的无序状态,其特征在于涡动和晶格缺陷。
2007-03-06 nlin.PS physics.flu-dyn
Reentrant Hexagons in non-Boussinesq Convection
虽然众所周知,非Boussinesq六边形对流模式在接近阈值时是稳定的(即对于瑞利数$R \approx R_c$),但人们常常认为,对于略高的瑞利数,它们总是不稳定的。使用{ \em不可压缩}纳维-斯托克斯方程的参数对应的水作为工作流体,我们进行了充分的数值稳定性分析的六边形在强非线性政权($ε\equiv R-R_c/R_c=\mathcal{O}(1)$)。我们发现六边形的“重入”行为,即随着$ε$的增加,它们可以失去稳定性,而{ \it重新获得}稳定性。当$ε$值低至$ε=0.2$时,可能会出现这种情况。我们确定了两个因素有助于再入:i)六边形可以与最近在非线性区域中甚至在Boussinesq对流中已经确定的六边形吸引子接触(Assenheimer & Steinberg(1996); Clever & Busse(1996))和ii)非Boussinesq效应随着$ε$的增加而增加。使用圆形容器的直接模拟,我们表明,重入六边形可以占上风,甚至有利于对流的竞争稳定辊的形式的侧壁条件。对于足够强的非Boussinesq效应六边形变得稳定,甚至在整个$ε$范围内考虑,$0 \le ε\le 1.5$。
2005-04-27 nlin.PS physics.flu-dyn
Penta-hepta defect chaos in a model for rotating hexagonal convection
在旋转非Boussinesq对流与平均流量的模型中,我们确定了一个制度的时空混沌是基于一个六边形的平面形状,并持续由{ \it诱导成核}的位错五-hepta缺陷。缺陷数量的概率分布函数基本上偏离通常观察到的泊松型分布。这意味着在密度依赖的形式的缺陷的产生和湮灭率之间的强相关性。我们从分布函数和直接从缺陷动态中提取这些速率。
2002-09-19 nlin.CD physics.flu-dyn
Non-Boussinesq Convection at Low Prandtl Numbers: Hexagons and Spiral Defect Chaos
本文研究了普朗特数在$Pr\simeq 1$附近的纯气体(CO $_2$和SF $_6$)和含$Pr=0.17$的HPDMATHABMM-H2混合气体中非Boussinesq对流的稳定性和动力学。针对强非线性区域,我们采用Galerkin稳定性分析和直接数值模拟的纳维-斯托克斯方程。对于$Pr \simeq 1$和中间的非Boussinesq效应,我们发现再入稳定的六边形作为瑞利数的增加。对于较强的非Boussinesq效应的六边形不表现出任何振幅不稳定性滚动。表面上,这个结果与实验观察到的从六边形到卷形的转变相矛盾。我们解决这个矛盾,包括侧壁的影响。非Boussinesq效应修改较大的瑞利数观察到的螺旋缺陷混沌。对于SF $_6$中的对流,我们发现非Boussinesq效应强烈地增加了小的、紧凑的对流胞的数量,并与之一起增强了模式的胞状特征。在H $_2$ -ε中,接近阈值时,我们发现相反的是一种增强的倾向于卷状结构。在这两种情况下,螺旋和目标状部件的数量减少。我们量化这些影响,使用最近开发的诊断模式的几何特性。
2006-02-06 nlin.PS physics.flu-dyn
Large-scale Vortices in Rapidly Rotating Rayleigh-Bénard Convection at Small Prandtl number
木星和土星大气层中的一个显著特征是大尺度涡旋的出现。然而,这些大尺度涡旋的维持机制仍不清楚。一种可能的机制是,这些大规模的旋涡是由旋转对流驱动的。在这里,我们提出了快速旋转的瑞利-贝纳德对流在小普朗特数$Pr=0.1$(接近木星和土星的湍流普朗特数)的数值模拟结果。在模拟过程中,我们发现了四种不同的流态:多个小涡、大尺度气旋和反气旋共存、大尺度气旋和湍流。大尺度涡的形成需要满足两个条件:垂直雷诺数大($Re_{z}\ge 400$),Rossby数小($Ro\leq 0.4$)。当$Ro$减小到小于0.4时,首先出现大尺度气旋。当$Ro$进一步减小到小于0.1时,出现了共存的大尺度反气旋。本文研究了快速旋转对流中的传热问题。结果表明,反气旋区的换热比气旋区的换热更有效。此外,我们还发现,随着旋转速率的增加,对流通量输送的2D效应增强,3D效应减弱。我们发现,纵横比的临界Rossby数的大尺度涡的出现有影响。我们的研究结果为理解气体巨星中大尺度涡旋的动力学提供了有益的见解。
2021-09-29 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
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
Internally heated porous convection: an idealised model for Enceladus' hydrothermal activity
最近的行星数据和地球物理模型表明,土星的卫星之一土卫二的冰壳下正在进行水热活动。根据这些模型,卫星多孔岩石内核中的热液流是由潮汐变形驱动的,潮汐变形导致耗散和体积内部加热。尽管在土卫二内部建模方面做出了努力,但仍然缺乏对内部加热多孔对流和水热活动的系统理解,甚至是基本的比例定律。在这篇文章中,使用内部加热多孔介质的理想化模型,我们探索数值和理论上的流动,发展接近和远离对流的发生。特别是,我们量化的热传输效率的对流,以及典型的程度和强度的热通量异常创建的多孔层的顶部。通过我们理想化的模型,我们得出了简单而普遍的规律,这些规律可以控制冰冷卫星海洋中的温度和热液速度。在未来,这些定律可以帮助更好地约束土卫二和其他冰冷卫星内部的模型。
2020-06-22 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Semi-convection in rotating spherical shells: flows, layers and dynamos
CNRS(法国国家科学研究中心)
通过直接数值模拟研究旋转球壳几何中的半对流不稳定性,发现流动自组织形成密度阶梯和分层结构,并产生类行星的偶极磁场。
2026-07-24 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Low-Prandtl-number Bénard-Marangoni convection in a vertical magnetic field
通过直接数值模拟研究了均匀磁场对表面张力驱动的Bénard对流的影响。在矩形域中的周期性的水平边界条件和自由滑动条件下使用伪谱傅立叶-切比雪夫离散计算的流量。忽略自由表面的变形。二维和三维流动计算要么消失或小普朗特数,这是典型的液态金属。该文件的主要重点是定性比较的流动状态与非磁性的情况下,和与可能的近取消的非线性和压力项的动量方程的二维辊的影响。在三维的情况下,从一个固定的六边形图案在对流的发病三维时间依赖性对流的过渡进行了探索,通过一系列的模拟在零普朗特数。
2009-06-30 physics.flu-dyn
Statistical state dynamics based theory for the formation and equilibration of Saturn's north polar jet
在大气湍流中,具有大部分流动动能的相干射流是常见的。在气态行星中,这些喷流由小尺度对流激发的非相干湍流维持。大尺度相干波有时会与喷流共存,一个突出的例子是土星的六边形北极喷流(NPJ)。形成和维持这种动荡状态的机制仍然难以捉摸。湍流的相干行星尺度分量产生,并通过与非相干小尺度湍流分量的相互作用来维持。通过采用统计状态动力学(SSD)模型,获得了理论上的理解射流/波/湍流共存制度的动力学。在这里,一个二阶封闭实现的两层β-平面SSD是用来开发一个理论,占的结构和动力学的NPJ。在弱喷流阻尼极限的SSD平衡的渐近分析预测与NPJ观测一致的通用喷流结构。这个渐近理论还预测了突出射流扰动的波数(6)。用该模型对射流/波/湍流区动力学进行的分析表明,射流的形成受$β$的有效值控制;获得了与观测相符的该参数的所需值。由于这是一个强大的预测,它被视为一个间接的观察,深极向倾斜的稳定层下面的NPJ。所需的斜率是从NPJ结构的观测中获得的,维持射流所需的小尺度湍流激发也是如此。观测到的喷流结构,然后预测的理论是波六扰动。这种波,这是确定与平衡射流的最不稳定的模式,被证明是主要负责与所观察到的结构和振幅的射流平衡。
2017-08-09 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Deep model simulation of polar vortices in gas giant atmospheres
卡西尼号和朱诺号探测器在土星和木星的极地地区发现了大型连贯的气旋漩涡,这与低纬度地区看到的东西带状喷流结构形成了鲜明的对比。争论的焦点是喷流是浅的,还是延伸到行星包络线的更深处。最近的实验和观测表明,深对流模式的相关性,以成功地解释喷流结构和气旋相干涡远离极地地区最近已经模拟,包括一个额外的分层浅层。在这里,我们提出了新的对流模型能够产生长寿命的极涡。使用模拟参数相关的巨大的行星大气,我们发现流动制度,是在与地转湍流(GT)理论在旋转对流形成大规模的相干结构,通过一个高档的能量转移完全三维的。我们的模拟生成的极地特征在质量上与朱诺号和卡西尼号所看到的相似:它们与木星上看到的气旋涡旋结构相匹配;或者可以解释存在一个向下延伸到低纬度的强烈极地涡旋,具有显着的螺旋形态和土星上看到的六边形图案。我们的研究结果表明,这些漩涡可以在行星内部深处产生。区分这两个极流制度的过渡描述,解释在不同的力平衡方面,并与以前的浅大气模型,其特点是极涡动力学在巨行星。此外,热传输性能的调查确认最近的标度律的背景下,减少模型的GT。
2020-09-23 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Seeing the invisible: convection cells revealed with thermal imaging
本研究针对Bénard对流图案肉眼不可见的问题,提出利用热成像技术直接观测该现象并获取定量信息,同时设计了适配相关物理实验课程的简易实验方案。
2023-06-13 physics.flu-dyn
Polygonal micro-whirlpools induced in ferrofluids
本文报道了在垂直磁场作用下,用带有光涡旋的激光束照射铁磁流体薄层,观察到多边形磁池。这种结构在土星大气中发现六角形风暴后引起了人们的注意。我们的多边形漩涡池是通过使用全息光镊在微尺度(漩涡直径小于20微米)的封闭系统(没有自由表面)中创建的。通过改变磁场强度或光学涡旋拓扑荷的值来改变多边形的形状。
2015-04-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Wave propagation in semi-convective regions of giant planets
最近对木星和土星的观测表明,重元素可能在气体包层中被稀释,提供了一种成分梯度,可以稳定普通的对流,并在这些行星的核心附近产生稳定的分层层。该区域可能由具有阶梯状密度分布的半对流层组成,由于双扩散对流,该半对流层具有由薄的稳定分层界面分隔的多个对流区。这些层可能对波的传播和潮汐耗散有重要影响,但尚未充分探讨。我们分析了这些层对巨行星内部波传播和传输的影响,扩展了本地笛卡尔模型中的先前工作。我们采用一个简化的全球Boussinesq行星模型,我们探讨了内波在非旋转球体。我们首先研究的自由模式的区域包含半对流层。然后,我们分析通过这样的区域的内波的传输。自由模式强烈地依赖于阶梯特性,并且由具有内部和界面重力波样行为的模式组成。我们确定这些波的频移作为步骤的数量的函数,以探索它们探测行星内部结构的潜力。我们还发现,波的传输是强烈的影响存在的楼梯。非常大波长的波可以有效地传输,但小尺度波只有在与自由模式之一共振时才能传输。因此,对于非谐振模式,芯的有效尺寸更大。
2020-03-05 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Tidal dissipation in stably stratified and semi-convective regions of rotating giant planets: incorporating Coriolis forces
本研究建立纳入科里奥利力的球形布西涅斯克模型,发现旋转巨行星的稳定分层流体核可显著增强惯性波与重惯性波的潮汐耗散,足以解释土星卫星迁移率,对系外巨行星潮汐演化也有重要意义。
2023-11-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Characterizing the spatial pattern of solar supergranulation using the bispectrum
上下文超颗粒的空间功率谱并不能完全表征湍流对流的基本物理特性。例如,它没有描述水平流发散中的非高斯性。目标。我们的目标是统计特征的空间格局的太阳超颗粒超出功率谱。下一阶统计量是双谱。它测量三个傅立叶分量的相关性,并与基础物理中的非线性有关。方法.我们估计的双谱的超颗粒水平表面的发散图,获得使用本地相关跟踪(LCT)和时间-距离日震学(TD)从一年的数据从日震和磁成像仪上的太阳动力学天文台从2010年5月开始。结果我们发现显着的非零和一致的估计的双谱。最强的非线性是目前的三个耦合波矢在超颗粒尺度。这些波矢量与正六边形中的波矢量相同,正六边形用于太阳对流的分析研究。在这些傅立叶分量,双谱是积极的,符合数据中的正偏度和超颗粒优先组成的流出包围的流入网络。我们使用的双谱生成合成发散图是非常相似的数据由一个模型,由一个高斯项和一个较弱的二次非线性分量。因此,我们估计的分数的方差在发散图的非线性组件的顺序为4- 6%。结论.我们建议,双谱分析是有用的理解太阳湍流对流,例如比较观测和数值模型的超颗粒流。该分析也可用于生成合成流场。
2020-02-19 astro-ph.SR nlin.PS physics.flu-dyn
Three-dimensional Electro-convective Vortices in Cross-flow
研究了有无横流条件下单极电荷注入平行电极间流动的三维电流体动力学(EHD)不稳定性。采用格子玻尔兹曼方法(LBM)和双弛豫时间(TRT)模型研究了流型。在没有横流的情况下,基态解是流体静力学的,并且电场是一维的。在强电荷注入和高电瑞利数的情况下,系统表现出电对流涡旋。在不同扰动模式(如滚动模式、正方形模式和六边形模式)的扰动下,流动模式按照最不稳定模式发展。利用瞬态数值解的动力学模式分解(DMD)研究了增长率和不稳定模式。横向流动与电对流涡的相互作用导致了流态的变化。当横流速度大于阈值时,展向结构被抑制;然而,横流不影响流向图案。用DMD分析了跃迁的动力学过程。3D到2D转变中的滞后的特征在于无量纲参数Y,动量方程中库仑力与粘性项的比率。从3D到2D结构的变化增强了对流,其特征是电努塞尔数显着增加。
2019-08-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph