Predicting convection configurations in coupled fluid-porous systems
自然界中普遍存在的布置是耦合到多孔介质的自由流动流体，例如位于多孔床上方的河流或湖泊。取决于环境条件，热对流可以发生，并且可以被限制在透明流体区域，形成浅对流单元，或者它可以渗透到多孔介质中，形成深单元。在这里，我们结合了三种互补的方法-线性稳定性分析，完全非线性数值模拟和粗粒度模型-以确定导致每种配置的情况。粗粒化模型在小达西数的物理相关限制下给出了深对流和浅对流之间转换的显式公式。在对流发生时，所有三种方法都一致，验证了显式公式的预测能力。数值模拟将这些结果扩展到强非线性区域，揭示了新的混合配置，其中流动表现出从浅对流到深对流的动态转变。这种混合浅到深对流开始于小的，随机的初始数据，通过一个亚稳态的浅状态，并达到深对流的首选稳态的进展。我们构建了一个相图，其中包含来自所有三种方法的信息，并描绘了参数空间中产生每个对流状态的区域。
2022-11-15 physics.flu-dyn
From Rayleigh-Bénard convection to porous-media convection: how porosity affects heat transfer and flow structure
我们进行了数值研究的Rayleigh-Bénard（RB）对流的传热和流动结构（在大多数情况下，规则）多孔介质，这是由圆形，固体障碍物位于一个正方形格子。研究了多孔介质中孔隙度$ϕ$对对流特性的影响，从含$ϕ=1$的传统RB对流（不含障碍物）到含$ϕ$的Darcy型多孔介质对流（0.模拟是在一个单元中进行的单位纵横比，瑞利数$Ra$从$10^5$到$10^{10}$和不同的孔隙率$ϕ$，在一个固定的普朗特数$Pr=4.3$，我们限制自己的二维情况。对于固定的$Ra$，努塞尔数$Nu$被发现作为$ϕ$的函数非单调地变化;即，随着$ϕ$的减小，它首先增大，然后在$ϕ$接近0时减小。$Nu(ϕ)$的非单调行为源于多孔结构对传热的两种竞争效应。一方面，多孔介质中流动的相干性增强，有利于传热;另一方面，由于多孔结构，对流被增强的阻力减慢，导致传热减少。对于固定的$ϕ$，取决于$Ra$，两种不同的传热制度被确定，与不同的有效幂律行为的$Nu$与$Ra$，即，一个陡峭的低$Ra$时，粘度占主导地位，和标准的经典的大$Ra$。当热边界层厚度和孔隙尺度相当时，发生尺度交叉。的多孔结构上的温度和速度波动，对流热通量，和能量耗散率的影响进行了分析，进一步证明了多孔结构的竞争效应，以提高或降低传热。
2020-05-19 physics.flu-dyn
Transient conjugate free convection from a vertical flat plate in a porous medium subjected to a sudden change in surface heat flux
本文用Karman-Pohlhausen方法对多孔介质中竖直平板与边界层自由对流之间的瞬态热交换进行了理论研究。非定常行为是在板的右手侧产生脉冲热通量阶跃后发展起来的。根据板的有限厚度和无厚度分别考虑两种情况。研究了界面温度的时空演化规律。
2015-09-12 physics.flu-dyn
Effect of Vadasz term on the onset of convection in a Darcy-Brinkman anisotropic rotating porous medium in LTNE
本文研究Vadasz惯性项对达西-布林克曼多孔介质中对流起始的影响，证明其促进振荡对流而不影响稳态对流，并分析了旋转与各向异性等因素的作用。
2022-11-29 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
Passive scalar dispersion along porous stratum with natural convection
研究地热梯度引发Rayleigh-Darcy对流的多孔地层中被动标量水平扩散，发现扩散系数在$Ra \gtrsim 2500$时饱和，揭示了低高Ra下主导标量迁移机制的转变，并给出饱和扩散系数的理论比例关系。
2025-04-04 physics.flu-dyn
Comment on Magnetohydrodynamic non-Darcy mixed convection heat transfer from a vertical heated plate embedded in a porous medium with variable porosity, by Dulal Pal
在上面的文章中，作者处理了沿浸没在Darcy Brinkman Forchheimer多孔介质中的垂直平板的边界层流动。多孔介质的孔隙度和渗透率在边界层上是可变的。此外，垂直于板施加具有恒定强度的磁场。板处的流体温度是恒定的并且不同于环境流体的温度。这种温度差产生浮力，并且流动的特征在于混合对流。将边界层流动的偏微分方程转化为常微分方程，然后用龙格-库塔-费尔伯格法求解。结果见两个表格和11幅图。
2014-04-21 physics.flu-dyn
Double multiple-relaxation-time lattice Boltzmann model for solid-liquid phase change with natural convection in porous media
本文提出了一种双多重弛豫时间格子Boltzmann模型，用于模拟多孔介质中的瞬态固液相变问题。该模型采用两种不同的多弛豫时间格子Boltzmann方程，一种用于流场，另一种用于具有非线性潜热源项的温度场。该模型基于广义非达西公式，通过焓法确定液相分数来跟踪固液相变界面。通过对半无限空间中的传导熔化、半无限角落中的凝固和填充多孔介质的方形空腔中的对流熔化的数值模拟，验证了该模型的有效性。数值结果表明，该模型对多孔介质中的瞬态固液相变问题的模拟是有效和准确的。
2015-03-29 physics.flu-dyn
Convection in a coupled fluid-porous media system
我们进行线性和非线性的热对流的稳定性分析的流体覆盖饱和多孔介质。我们使用一个耦合系统，分别用纳维-斯托克斯方程和达西方程控制自由流动和多孔区域。在Lions界面条件（指定流体-介质界面上的法向力平衡）中引入动态压力项，允许在通常不合作的非线性平流项上约束能量，从而实现新的非线性稳定性结果。在某些制度，非线性稳定阈值同意密切的线性，我们量化的差异存在。然后，我们比较稳定阈值的切向界面条件的几个常见的变种，使用数值和渐近的小达西数限制。最后，我们调查之间的过渡完全对流和流体为主的对流，使用数值和启发式理论。这种启发式理论的基础上比较在每个域中的瑞利数的比率，其相应的临界值，它被证明是同意合理以及关于如何过渡取决于深度比，达西数，和热扩散率比的数值。
2019-07-05 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
Nonlinear convection stagnation point heat transfer and MHD fluid flow in porous medium towards a permeable shrinking sheet
本文研究了磁流体粘性不可压缩流体在垂直收缩平板上的驻点换热及相应的流动特性。所考虑的片被假定为可渗透的，并受到附加的驻点，以控制在边界层中产生的涡。该片材被放置在具有指定形式的渗透性的流体饱和多孔介质的右侧。由于设想的密度和温度之间的非线性关系，实现了流场中的非线性对流波。采用相似变换对非线性对流边界层流动的控制方程进行建模和简化。采用隐式有限差分格式，也被称为凯勒盒法求解的数值解。通过图形和表格的相关参数的问题的速度和温度分布，表面摩擦和传热率的影响，并定性地讨论。研究表明，磁场、多孔介质渗透率和非线性对流参数之间的相互作用大大提高了解的范围，从而支持了它们对维持边界层流动的控制。
2015-11-19 physics.flu-dyn
Effects of Pore-scale on the Macroscopic Properties of Natural Convection in Porous Media
多孔介质中的自然对流是深部咸水层长期储存CO2的基本过程。通常情况下，多孔介质中的传质的细节推断从体积平均Darcy-Oberbeck-Boussinesq（DOB）方程的数值解，即使这些方程不考虑多孔介质的微观特性。根据DOB方程，多孔介质中的自然对流由瑞利数唯一决定。然而，与实验相反，DOB模拟产生了舍伍德数与瑞利数（Ra）的线性标度（Ra>> 1，300）。在这里，我们进行直接数值模拟（DNS），完全解决孔隙内的流场。我们表明，边界层厚度是由孔径，而不是瑞利数，如前所述。大羽流和原始羽流的尺寸随着孔隙尺寸的增大而增大.我们的DNS结果表现出非线性缩放的舍伍德数在高孔隙度，并为相同的瑞利数，较高的舍伍德数预测DNS在较低的孔隙度。结果表明，舍伍德数的尺度依赖于孔隙率和孔隙尺度参数，这与实验研究结果一致。
2021-04-27 physics.flu-dyn
Rayleigh fractionation in high-Rayleigh-number solutal convection in porous media
本文研究了两组分在混合气体和饱和对流多孔层之间的分馏。地质二氧化碳（CO $_2$）存储的动机，我们假设对流仅由第一个组件的溶解浓度驱动，而第二个作为示踪剂与扩散性增加。在高瑞利数对流的直接数值模拟表明，分区的组件，在一般情况下，不遵循瑞利分馏的趋势，因为通常假设。最初，示踪剂扩散率的增加也会增加其通量，因为扩散性边界层更深地渗透到流动中。然而，对于$D_2\geq 10\, D_1$，其中$D_1$和$D_2$分别是CO $_2$和示踪剂在水中的扩散系数，示踪剂在上升和下降羽流之间的横向泄漏降低了示踪剂通量。组分之间的瑞利分馏仅在两种气体的溶解度和气体中的初始浓度差异非常大的情况下实现。
2018-01-09 physics.flu-dyn
Scale Collapse of Vortices at Porous-Fluid Interfaces
North Carolina State University（北卡罗来纳州立大学）
研究显示多孔介质通过几何约束强制孔尺度主导的湍流，无论外部扰动如何。
2026-08-25 physics.flu-dyn
Vortices of Electro-osmotic Flow in Heterogeneous Porous Media
传统的多孔介质中电动力学输运模型是基于均匀化的材料性质，忽略了微观波动的宏观影响。这种观点不仅是为了方便，而且还受到预期的无旋电渗流，成比例的电场，均匀带电的表面（或恒定的zeta电位）在薄双层的限制。在这里，我们表明，多孔介质的固有的非均匀性通常会导致宏观涡模式，对流输送和混合有重要的意义。这些旋涡流起源于压力驱动和电渗流之间的竞争，其大小的特点是由相关长度的不均匀性的渗透性或表面电荷。涡流的出现是由一个单一的无量纲控制参数，定义为一个典型的电渗速度的总平均速度的比率。
2020-03-12 physics.flu-dyn
Roll convection of binary fluid mixtures in porous media
本文用Galerkin方法研究了底部加热的流体层与多孔介质的Rayleigh-Bénard系统中理想直辊的非线性状态。应用Oberbeck-Boussinesq近似，研究了具有正分离比的二元混合物，并与单组分流体进行了比较。除了二元混合物的流线在所谓的Soret区变形之外，我们的滚转对流结构性质的结果定性地类似于没有多孔介质的Rayleigh-Bénard系统中的情况。流线的变形是由达西方程来描述的动量输运。除了辊的属性，他们对任意微扰的稳定性进行了研究。我们计算稳定气球的纯流体的情况下，以及广泛的参数范围内的路易斯数和分离比是典型的二元气体和流体的混合物。研究发现，轧辊的稳定区域受横辊、锯齿形和一种与横辊机制相关的新型振荡失稳机制的限制。
2009-11-05 physics.flu-dyn
A Unified Numerical Framework for Turbulent Convection and Phase-Change Dynamics in Coupled Fluid-Porous Systems
Peking University（北京大学）
本文提出一种统一的数值框架，用于模拟耦合流-多孔介质系统中的湍流对流和相变过程，验证了其在复杂多相传输中的可靠性。
2026-01-27 physics.flu-dyn
Solutal convection in porous media: Comparison between boundary conditions of constant concentration and constant flux
我们数值研究溶质对流多孔介质中，驱动溶解的二氧化碳（CO2）到水中-一种有效的机制，CO2存储在含盐含水层。溶解与自由相CO2缓慢扩散到下面的水相，然后通过密度驱动的对流混合的CO2在整个水饱和层。我们研究了单一水相区CO2对流的流体动力学。在地层顶部的两种不同的边界条件之间进行比较：（i）恒定的、最大的CO2水相浓度，和（ii）恒定的、低的CO2注入速率，使得所有CO2立即溶解并且系统保持在单相。后一种模型被发现涉及到一个非线性演化的CO2组合物和相关的水相密度，这取决于地层渗透率。我们在一个封闭的域中模拟水-CO2混合物的完全非线性相行为，考虑溶解和流体的可压缩性，并放松常见的Boussinesq近似。我们发现了新的流动制度，并提出了全球性的传播，混合和溶解通量在二维和三维介质中的边界条件的特征的定量标度关系。我们还重新审视了舍伍德数（Sh）与瑞利数（Ra）的标度行为，这在多孔介质对流中一直存在争议。在1，500<Ra<135，000范围内对溶质对流的测量表明，在定浓度情况下，经典的线性标度Sh ~ Ra是渐近的。同样的线性标度恢复恒定通量模型问题。
2018-09-06 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
Forced convection in a fluid saturated anisotropic porous channel with isoflux boundaries
充分发展的强迫对流通道中充满多孔材料界定的两个不可渗透的墙壁受到恒定的热通量。我们考虑Brinkman-Forchhimer方程来控制多孔介质中的流动，该方程考虑了惯性项的存在。我们假设多孔介质是各向异性的，渗透率沿各个方向都是变化的，相应地，渗透率将是一个矩阵，在动量方程中表现为半正定矩阵。多孔介质的各向异性性质由各向异性比率和角度表征。由于动量方程中存在非线性二次项，我们用数值方法得到了速度、温度和努塞尔数。分析了各向异性渗透率比和各向异性角对流体力学和传热的影响。我们看到努塞尔数随各向异性比和各向异性角而显著改变。本文对Brinkman-Forchhimer扩展的Darcy动量方程中渗透率矩阵的引入进行了新的分析。据作者所知，这是第一次尝试分析对应于Brinkman-Forchhimer扩展达西模型的一般各向异性。
2019-06-07 physics.flu-dyn
PyDDC: An Eulerian-Lagrangian simulator for density driven convection of $\mathrm{CO_2}$--brine systems in saturated porous media
PyDDC是一种基于拉格朗日粒子追踪的模拟器，用于求解饱和多孔介质中CO2-盐水系统的密度驱动对流，具有各向异性弥散和无数值伪影的优势，并集成相平衡模型以研究不同条件下的动力学。
2024-07-21 physics.flu-dyn
Global sensitivity analysis of natural convection in porous enclosure: Effect of thermal dispersion, anisotropic permeability and heterogeneity
本文将全局灵敏度分析（GSA）和不确定性量化（UQ）方法应用于多孔方腔内自然对流（NC）问题。该问题被广泛用于提供多孔介质中流体流动和传热过程的物理见解。然而，它引入了几个参数，其值通常是不确定的。我们在这里探索的效果不完善的知识的系统参数和它们的可变性的模型感兴趣的数量（QoIs）特征的NC机制。为此，我们使用GSA结合多项式混沌展开（PCE）的方法。特别地，使用Sobol敏感性指数执行GSA。此外，通过使用PCE作为原始计算模型的替代物执行UQ，获得评估流动和传热的QOI的概率分布。结果表明，温度分布主要受纵向热弥散系数的控制。平均努塞尔数的变化受瑞利数和横向色散系数的控制。速度场主要对瑞利数和渗透率各向异性比敏感。非均匀性对腔内的换热影响较小，但对流型影响较大。在这项工作中提出的方法允许进行深入的分析，以提供相关的信息，在多孔介质中的NC问题的解释在低计算成本。
2017-04-28 physics.flu-dyn
Transport scaling in porous media convection
本文基于Grossmann-Lohse理论思想，将热耗散分解为边界层与体区贡献，推导出多孔介质对流中努塞尔数随瑞利-达西数的标度律，并解释了二维与三维输运差异，模型与数值模拟高度吻合。
2024-05-24 physics.flu-dyn
Modelling friction and heat transfer in turbulent forced convection over porous lattices
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）；Gran Sasso Science Institute（格兰萨索科学研究所）
本研究通过直接数值模拟，提出用Forchheimer系数替代粗糙度高度，将粗糙壁理论扩展至多孔表面，推导出摩擦系数与斯坦顿数公式，验证多孔基底可有效增强湍流传热。
2026-09-22 physics.flu-dyn
Reduced modeling of porous media convection in a minimal flow unit at large Rayleigh number
直接数值模拟（DNS）表明，在大的值的瑞利数（$Ra$）在多孔介质中的对流自组织成窄间距的柱状流，与更复杂的时空功能被限制在边界层附近的顶部和底部的墙壁。在这一调查中的高$Ra$多孔介质对流的最小流动单元，提出了两个简化的建模策略，利用这些特定的流动特性。这两种方法都利用了分解的思想，因为流动在不同区域表现出不同的动力学：小尺度的细胞运动通常局限于上壁和下壁附近的热和涡度边界层内，而在内部，流动表现出持久的大尺度结构，只有少数低（水平）波数傅立叶模式是活跃的。因此，在第一种策略中，域被分解为两个近壁区域和一个内部区域。我们的研究结果证实，抑制内部高波数模式的流动的基本结构特征和传输特性的影响可以忽略不计。在第二种策略中，通过使用Galerkin投影到从能量稳定性和上限理论得出的完全\emph{a priori}本征基上来构建混合简化模型，从而扩展了由Chini \emph{et al.}（\emph{Physica~D}，第240卷，2011年，第100页）开发的模型简化策略。241- 248）到大$Ra$。结果表明，近壁面上限本征模态可以经济地表征极薄热边界层内的小尺度滚动。相对于DNS，混合算法能够在计算效率上增加一个数量级，而精度只有适度的损失。
2018-03-09 physics.flu-dyn
Convective mixing in porous media: A review of Darcy, pore-scale and Hele-Shaw studies
本文综述了多孔介质中对流混合的Darcy、孔隙尺度和Hele-Shaw研究，重点分析重流体层溶解行为，揭示有限尺寸效应的关键作用，并展望未来研究方向。
2023-12-10 physics.flu-dyn
Multiple-relaxation-time lattice Boltzmann model for simulating double-diffusive convection in fluid-saturated porous media
多孔介质中的双扩散对流是自然界中普遍存在的现象，在工程应用中得到了广泛的关注。本文提出了一种多弛豫时间格子Boltzmann模型，用于模拟多孔介质中典型单元体积尺度下的双扩散对流。MRT-LB模型是在三重分布函数方法的框架下构建的：速度场、温度场和浓度场分别由三个不同的MRT-LB方程求解。目前的模式有两个显著特点。首先，对温度和浓度分布的平衡矩进行了修正，使有效热扩散率和热容比以及有效质量扩散率和孔隙率解耦。这个特性在实际应用中非常有用。其次，在温度场和浓度场的MRT-LB方程中加入源项，恢复宏观温度场和浓度场方程。数值试验表明，该模型是模拟多孔介质双扩散对流的一种准确、有效的数值方法。
2017-08-28 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Thermal convection in a linearly viscous fluid overlying a bidisperse porous medium
双分散多孔介质是具有两个孔隙度尺度的介质。有通常的孔称为大孔，但也有裂缝或裂缝的骨架，从而产生微孔。在这篇文章中，我们开发和分析的热对流模型，其中一层粘性不可压缩流体覆盖在一层双分散多孔介质。必须注意的是，在流体和多孔材料的界面处的边界条件，这方面进行了研究。这种情况是在从下面加热的层中，在适当的条件下，发现双峰中性曲线，这些曲线取决于流体层的深度$d$与多孔层的深度$d_m$之比${\hat d}$。我们发现，有一个临界值的${\hat d}$，使低于此值对流运动开始在多孔层，而对于${\hat d}$高于此值的对流不稳定开始在流体层。
2021-10-23 math.AP 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
Inverse centrifugal effect induced by collective motion of vortices in rotating turbulent convection
当流体系统经受强旋转时，预期离心流体运动，即，较重（较轻）的流体从（朝向）旋转轴向外（向内）移动。在这里，我们证明，无论是实验和数值模拟，存在一个意想不到的向外运动的温暖和较轻的旋涡旋转湍流对流。当离心浮力足够强，在涡度场中引起涡破裂时，这种异常涡运动发生在快速旋转下，即，冷反气旋的涡度大于暖气旋。我们表明，通过流体动力学相互作用的人口稠密的旋涡可以自聚集成相干集群，并表现出集体运动在这种流动制度。有趣的是，在一个集群内的涡速度波动的相关性是无标度的，与相关长度约为30%的集群长度。这种长程相关导致气旋的集体向外运动。我们的研究为自然界中广泛存在的涡旋动力学提供了新的认识。
2020-10-29 physics.flu-dyn
Free convection over a non-isothermal axisymmetric body immersed in a porous medium saturated with an electrically conducting non-Newtonian fluid
研究了在横向磁场作用下非等温轴对称体上的磁流体动力学（MHD）自由对流问题。该主体被嵌入用导电非牛顿幂律流体饱和的多孔介质中。为了得到相似解，假设流体的粘度随温度指数衰减。定性结果示出了一个垂直平板，水平圆柱和球体。
2013-09-30 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Convection in porous media with dispersion
通过在二维Rayleigh-Darcy域中进行直接数值模拟，研究了弥散对多孔介质中对流的影响。控制方程的标度分析表明，该系统的动力学不仅由基于分子扩散的经典Rayleigh-Darcy数、$Ra_m$和畴纵横比控制，而且还由另外两个无量纲参数控制：色散瑞利数$Ra_d = H/α_t$和色散率比$r = α_l/α_t$，其中$H$是畴高，$α_t$和$α_l$分别是横向和纵向色散率。对于$Δ= Ra_d/Ra_m > O(1)$，机械弥散的影响很小;然而，对于$Δ\ll 1$，流型由$Ra_d$控制，而对于大的$Ra_m$，对流通量为$F\sim Ra_m$，但具有对$Ra_d$具有非单调依赖性的前因子。我们的DNS结果还表明，机械弥散的增加，即减少$Ra_d$，将粗糙的对流模式，通过增加烟羽间距。此外，固有的各向异性的机械分散打破了柱状结构的巨型羽在大$Ra_m$，如果$Ra_d < 5000$。这导致了减少对流通量的扇流几何形状。
2018-03-04 physics.flu-dyn
What We Can Learn From DNS of Turbulence in Porous Media: Modeling Turbulent Flow in Composite Porous/Fluid Domains
North Carolina State University（北卡罗来纳州立大学）
基于多孔介质DNS发现湍流尺度受孔隙限制，提出复合多孔/流体域湍流模型，强调界面粗糙度对换热影响大于多孔区湍流。
2026-09-24 physics.flu-dyn
Enhanced and reduced solute transport and flow strength in salt finger convection in porous media
本研究基于格子玻尔兹曼方法数值模拟多孔介质非达西流态下的盐指对流，发现孔隙率减小会先增强后减弱溶质输运，并对流动强度产生复杂影响，为工程中被动控制溶质输运提供了重要参考。
2023-04-08 physics.flu-dyn
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
Pore-scale investigation on natural convection melting in a square cavity with gradient porous media
School of Mathematics and Physics, China University of Geosciences（中国地质大学数学与物理学院）
该研究通过孔隙尺度格子玻尔兹曼方法模拟梯度多孔介质中PCM熔化，发现梯度结构增强自然对流、缩短熔化时间，且瑞利数临界值决定正负梯度的优劣，小颗粒直径利于传热。
2021-05-01 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
Anomalous vortex motion induced by asymmetric vorticity distribution in rapidly rotating thermal convection
在旋转Rayleigh-Bénard对流中，柱状涡以随机方式水平平流。当存在离心浮力时，涡流表现出径向运动，可以通过Langevin型随机模型来解释。令人惊讶的是，在离心占主导地位的流动制度，这是众所周知的离心效应相反，观察到的旋风异常向外运动。我们将这种现象解释为离心浮力引起的涡的数量和涡度的破缺。因此，气旋服从强反气旋主导的集体涡旋运动。我们的研究为广泛存在于许多自然系统中的涡旋运动提供了新的认识。
2019-07-09 physics.flu-dyn
Convection can enhance the capacitive charging of porous electrodes
Technical University of Darmstadt（达姆施塔特工业大学）；Max Planck Institute for Polymer Research（马克斯·普朗克聚合物研究所）；Norwegian University of Life Sciences（挪威生命科学大学）
本研究通过模拟发现，电对流能显著加快多孔电极的电容充电过程，尤其在细长孔隙和特定阈值电压下具有重要影响。
2025-12-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The effects of Vadasz term, anisotropy and rotation on bi-disperse convection
本文研究了考虑Vadasz项的均匀旋转、水平各向同性双分散多孔介质中热对流的发生。通过线性不稳定性分析，它已被证明，Vadasz项允许通过振荡状态对流的开始，但不影响对流通过静止运动。
2021-03-08 physics.flu-dyn
Finite-sample-size effects on convection in mushy layers
我们报告的理论和实验研究的流动不稳定性负责的糊状层模式的对流和形成的烟囱，排水渠道没有固体，在稳态固化的氯化铵水溶液。在一定的增长条件下，没有流动的稳定的糊状层增长状态对于对流的开始是不稳定的，导致烟囱的形成。我们提出的制度图，以量化的状态作为初始液体浓度的函数的流动，多孔介质的瑞利数，和样品的宽度。对于一个给定的液体浓度，增加多孔介质的瑞利数和样品的宽度导致系统从一个稳定的状态，没有流动到一个不同的状态与烟囱的形成。浓度比的降低使系统不稳定，并促进烟囱的形成。随着初始液体浓度的增加，对流和烟囱的形成发生在较大的多孔介质瑞利数的值，但烟囱形成的临界单元宽度是远远不敏感的液体浓度。在最高液体浓度下，实验中没有出现对流的糊层模式。多个烟囱的形成和这些国家之间的形态转变进行了讨论。实验结果进行解释，在以前的理论分析有限振幅对流与烟囱，与一个单一的值的mushy层的渗透性与本研究中考虑的液体浓度一致。
2012-01-10 physics.flu-dyn
Onset of transient convection in a porous medium with an embedded low-permeability layer
用于CO $_2$封存的深层盐水层通常由几层渗透性不同的沉积地层组成。在这项工作中，一个非单调的，垂直变化的渗透率剖面对流不稳定的发病的影响进行了理论研究，使用线性稳定性分析。起始时间取决于渗透率曲线和浓度扰动峰位置之间的相互作用，超过该峰CO $_2$的浓度衰减。薄的低渗透率层可以加速或延迟对流不稳定性的开始时间，这取决于渗透率变化的性质-渗透率转变是平滑的还是分层的、瑞利数（Ra）以及渗透率变化（$\hat{a}$）相对于扰动峰（$\hat{a}_{c^{*}}$）的位置，对于均质系统，扰动峰（$\hat{a}_{c^{*}}$）与$\hat{a}_{c^{*}}\approx 14Ra^{-1}$成比例。然而，当低渗透层接近具有足够大Ra（$\hat{a}_{c^{*}} \ll \hat{a}$）的介质的下边界时，低渗透层对起始时间没有影响。这种非平凡的依赖性突出了忽略小的空间范围的地质特征的含义，表明CO $_2$存储站点的详细表征的重要性。
2021-09-25 physics.flu-dyn
Dynamics of convective carbon dioxide dissolution in a closed porous media system
受CO2（CO $_2$）地质封存的影响，近年来许多研究对多孔介质中溶质对流的流体动力学进行了研究。在这里，我们研究对流溶解CO $_2$在一个封闭的系统中，在气体中的压力下降对流进行。这引入了负反馈，其甚至在盐水变得饱和之前降低对流溶解速率。我们分析的情况下，理想气体的溶解度由亨利定律，在非常低和非常高的瑞利数的限制。该系统中的平衡态由无量纲溶解容量$Π$确定，该容量给出了可溶解到下层盐水中的气体的分数。用$Π>0$对纯扩散问题进行了解析近似，结果表明扩散基态不再是自相似的，扩散传质随时间迅速下降。在高瑞利数的直接数值模拟表明，没有恒定的通量制度存在的$Π> 0$，然而，量$F/C_s^2$保持不变，其中$F$是溶解通量和$C_s$是溶解浓度在顶部的域。本文建立了简单的数学模型，用以预测封闭系统中高瑞利数对流的$C_s$和$F$的演化。限制封闭系统中对流的负反馈可以解释自然CO $_2$积累在千年时间尺度上的持续性。
2018-01-08 physics.flu-dyn
Multiple-relaxation-time lattice Boltzmann model for convection heat transfer in porous media under local thermal non-equilibrium condition
本文提出了一种适用于局部热非平衡条件下多孔介质对流换热的多重弛豫时间格子Boltzmann模型。该模型是在三分布函数方法的框架内构建的：两个基于温度的MRT-LB方程提出的流体和固体相的温度场，除了MRT-LB方程的密度分布函数的速度场描述的广义非达西模型。通过在基于温度的MRT-LB方程中加入源项，将热非平衡效应纳入模型。此外，在引入源项时考虑了离散晶格效应。考虑热非平衡效应的源项简单，模型保留了标准LB方法的固有特征。数值计算结果表明，该模型可以作为一种精确有效的数值方法来研究LTNE条件下多孔介质中的对流换热。
2016-10-15 cond-mat.soft physics.comp-ph 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
Mixing across fluid interfaces compressed by convective flow in porous media
本文研究了多孔介质中存在对流时的混合问题。对流的特征在于形成涡流和停滞点，其中流体界面被拉伸和压缩以增强混合。我们分析了在不同的情况下，使用界面变形模型的混合动力学的行为。我们表明，标量耗散率，这是有关的溶解通量，控制界面过程，特别是界面压缩和扩散之间的平衡，这取决于流场配置。我们考虑了复杂性不断增加的不同情况。首先，我们分析了双回旋合成速度场。第二，瑞利-贝纳德不稳定性（Horton-Rogers-Lapwood问题），其中驻点位于固定界面。随着瑞利数的增加，该系统经历了从扩散控制混合到混沌对流的转变。最后，瑞利-泰勒不稳定性与移动界面，其中混合经历三个不同的制度：扩散，对流为主，对流关闭。界面压缩模型正确地预测了系统的行为。它显示了压缩率对扩散的依赖性如何解释标量耗散率的标度行为的变化。该模型表明，滞止点之间的相互作用和速度场的相关结构也是负责制度之间的过渡。我们还显示了溶解通量和混合状态的系统之间的行为的差异。我们观察到，而溶解通量与瑞利数减少，系统变得更加均匀。也就是说，通过减少扩散来增强混合。这一观察结果可以通过不稳定模式的影响来解释。
2017-12-01 physics.flu-dyn
Optimal Prandtl number for heat transfer in rotating Rayleigh-Benard convection
在瑞利数Ra = 10^8的情况下，给出了湍流旋转瑞利-贝纳德对流中传热随普朗特数（Pr）和罗斯比数（Ro）变化的数值数据。当Ro固定时，相对于非旋转值的传热增强显示出作为Pr的函数的最大值。该最大值是由于当Pr变得太小或太大时Ekman泵送的效率降低。当Pr变小时，即对于大的热扩散率，由垂直涡流携带的热量在单元的中间扩散，并且Ekman泵送因此变得效率较低。对于较高的Pr，热边界层（BL）比动力学BL薄，因此Ekman涡不会到达热BL。这意味着被吸入垂直涡流的流体比较低Pr的流体更冷，这限制了向上热传递的效率。
2009-12-04 physics.flu-dyn
Data Assimilation algorithm for 3D Bénard convection in porous media employing only temperature measurements
在本文中，我们提出了一个连续数据同化（降尺度）算法的Bénard对流在多孔介质中使用粗网格测量的温度。在该算法中，我们将观测值作为一个反馈（轻推）项的发展方程的温度。我们表明，在适当的选择下的轻推参数和网格的大小，并假设所观察到的数据是无误差的，所提出的算法的解决方案收敛在一个指数的速度，渐近时间，唯一的精确未知的参考解的原始系统，与所观察到的（有限维投影）温度数据。此外，我们注意到，在观测测量不是无误差的情况下，可以根据测量中的误差来估计算法的解与系统的精确参考解之间的误差。
2015-10-08 math.AP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Compressibility effect on Darcy porous convection
完全不可压缩材料在自然界中并不存在，但它是几种介质的有用近似，这些介质可以在非等温过程中变形，但体积变化非常小。本文在广义拟热不可压缩流体中对Darcy-Bénard问题进行了线性分析，引入了一个描述流体可压缩性的因子$β$，它在不稳定性结果中起着重要作用。特别是，在Oberbeck-Boussinesq近似，一个更现实的本构方程的流体密度，以获得更多的热力学一致的不稳定性的结果。通过线性不稳定性分析的传导解决方案，临界Rayleigh-Darcy数对流的开始被确定为一个无量纲参数$\widehatβ$的压缩因子$β$成比例的函数，证明$\widehatβ$增强对流运动的开始。
2022-10-14 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Flow morphology and patterns in porous media convection: A persistent homology analysis
TU Wien（维也纳工业大学）；University of Twente（特温特大学）；Sapienza Università di Roma（罗马第一大学）；New Jersey Institute of Technology（新泽理工学院）
利用持续同调拓扑数据分析方法，量化多孔介质对流中的复杂流动模式，并关联热传输速率与流动结构演化。
2026-06-16 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Pore-scale statistics of temperature and thermal energy dissipation rate in turbulent porous convection
本文通过高分辨率直接数值模拟研究二维多孔瑞利-贝纳德对流中温度与热能耗散率的孔隙尺度统计特性，揭示不可渗透固体多孔基质对羽流动力学、温度涨落及耗散间歇性的影响，并指出其在地球物理和能源环境工程中的潜在应用。
2023-09-19 physics.comp-ph 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
Mixed convection and onset of instability due to asymmetric wall heat fluxes in a porous channel
本文研究水平多孔通道在非对称均匀壁面热流作用下混合对流的失稳起始，通过特征值问题、打靶法和大波长渐近展开，揭示了Péclet数、Rayleigh数及热流非对称比对临界失稳条件的影响。
2025-08-21 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Tornado-Like Vortices in the Quasi-Cyclostrophic Regime of Coriolis-Centrifugal Convection
圆柱形区域中的科里奥利离心对流（C $^3$）构成了龙卷风风暴的理想模式，其中旋转圆柱体代表超级单体雷暴的中气旋。我们提出了一套C $^3$直接数值模拟，分析了离心浮力对龙卷风状涡（TLVs）形成的影响。TLV是自洽产生的流动是在准旋（QC）制度。这要求弗劳德数大于半径与高度的纵横比$Fr \gtrsim γ$。我们发现，TLVs共享许多功能与现实的龙卷风，如方位角速度剖面，加剧的涡旋强度，螺旋度特性。此外，我们分析了机械底部边界条件对TLV形成的影响，发现如果没有离心浮力，则静止表面上方的旋转流体柱不会产生TLV。相比之下，当存在离心浮力时，在具有任何底部边界条件的QC状态下生成TLV。我们的模拟带来了洞察自然超级单体雷暴系统，确定属性，决定是否成为龙卷风或保持非龙卷风。我们的$Fr \gtrsim γ$预测在维度上意味着一个临界中气旋角旋转速率为$\widetildeΩ_{mc} \gtrsim \sqrt{g/H_{mc}}$。以典型的中气旋高度$H_{mc}\approx 12$ km为例，对于离心浮力主导的准旋转龙卷风生成，这转化为$\widetildeΩ_{mc}\gtrsim 3~\times~10^{-2}$ s $^{-1}$。模拟TLV的形成发生在离心浮力时间尺度$τ_{cb}$上的所有高度。这意味着自然龙卷风的形成时间约为1分钟，高度不变，与最近的观测估计一致…
2021-03-01 physics.flu-dyn
