Rapidly rotating radiatively driven convection: experimental and numerical validation of the `geostrophic turbulence' scaling predictions
本研究通过实验和直接数值模拟验证了快速旋转辐射驱动热对流在'地转湍流'区域的热传输、温度涨落、流速和流动结构标度预测，证明其是观察地球物理和天体物理扩散无关对流区域的有效实验装置。
2024-10-11 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
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
Dielectrophoretic force-driven convection in annular geometry under Earth's gravity
内容：将径向温度梯度与非均匀径向电场梯度一起施加到限制在垂直圆柱形环中的介电流体，从而引起热电流体动力学对流。目的：确定流动的稳定性，从而确定将稳定的层流自由（自然）对流与热电流体动力学对流分开的边缘稳定性线，确定其流动结构、斑图形成和临界参数。研究方法：结合不同的测量技术，即阴影法和粒子图像测速，以及数值模拟来定性/定量的流动。结果如下：在较宽的瑞利数和电势范围内，我们确定了从稳定的层流自由对流到热电流体动力对流的转变。发现的边际稳定性线证实了线性稳定性分析的结果。第一次转捩后的流动形成垂直排列的静止柱状模结构。我们通过实验确认了线性稳定性分析的临界参数，并在数值上显示了传热的增强。
2020-04-23 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
The asymptotic equivalence of fixed heat flux and fixed temperature thermal boundary conditions for rapidly rotating convection
本文证明在快速旋转对流中，固定热通量与固定温度边界条件在主导阶上渐近等价，只需对热变量重新标度，边界层对内部地转对流无主导影响。
2015-07-26 physics.flu-dyn
On the necessary conditions for bursts of convection within the rapidly rotating cylindrical annulus
在旋转对流系统中经常发现纬向流。这些喷流不仅是由对流驱动的，它们还可以对对流的性质产生深远的影响。在这项工作中，圆柱形的环形几何形状被利用，以进行非线性模拟，寻求产生强大的带状流和多个射流。参数制度扩展到普朗特数是不统一的。多个射流被发现是间隔根据莱茵缩放的纬向流速度的基础上，而不是对流速度。在一定条件下，非线性对流以准周期爆发的形式出现。平均场的稳定性分析进行了一个基本状态，包含两个纬向流和平均温度梯度从非线性模拟。对流增长率波动与这两个平均数量表明，这两个都是必要的，以爆裂现象的发生。
2013-07-24 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
Transitions in rapidly rotating convection driven dynamos
对平面层流中旋转Rayleigh-Bénard对流发电机进行了数值模拟。存在两种不同类型的发电机，它们对磁场的振幅遵循不同的标度律。两者之间的过渡发生在流体动力学均匀的制度，可以归类为快速旋转对流。
2012-11-11 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Bounds on Heat Transport in Rapidly Rotating Rayleigh-Bénard Convection
在快速旋转（小Ekman数$E$）和强热力强迫（大Rayleigh数$Ra$）的限制下，考虑了旋转Rayleigh-Bénard对流中的热输运.分析过程中从一组渐近减少方程旋转约束动力学适当的，这些方程的有效性范围是$Ra \lesssim E^{-8/5}$。利用背景法在无限普朗特数的极限下导出了$Nu \le 20.56Ra^3E^4$热输运的严格界。我们证明，在这个界限的指数不能改善使用分段单调的背景温度分布像这里使用的。对于有限普朗特数也是如此，即$Nu \lesssim Ra^3$是背景方法的该特定设置的最佳上限。在这种情况下，妨碍获得更好边界的特征是从热边界层发出（或进入）的小尺度热羽流的出现。
2014-05-06 physics.flu-dyn
Boundary zonal flows in rapidly rotating turbulent thermal convection
最近，在Zhang et al.（2020）中，发现在细长圆柱形容器中的快速旋转湍流Rayleigh-Bénard对流（RBC）中，（直径与高度的纵横比为$Γ=1/2$），填充小普朗特数流体（$Pr \approx0.8$）时，大尺度环流（LSC）被抑制，边界纬向流（BZF）在侧壁附近发展，其特征在于温度的双峰PDF、气旋性流体运动和流型的反气旋漂移（相对于旋转框架）。对于$Pr < 1$，该BZF携带不成比例的总热传递量（$>60\%$），但对于较大的$Pr$，该BZF相当突然地减小至约$35\%$。在这项工作中，我们表明，BZF是强大的，并出现在快速旋转的湍流红细胞在不同的$Γ$的容器和广泛的$Pr$和$Ra$。对$0.1 \leq Pr \leq 12.3$、$10^7 \leq Ra \leq 5\times10^{9}$、$10^{5} \leq 1/Ek \leq 10^{7}$和$Γ$ = 1/3、1/2、3/4、1和2的直接数值模拟表明，BZF宽度$δ_0$与瑞利数$Ra$和埃克曼数$Ek$成比例，为$δ_0/H \sim Γ^{0} \Pr^{\{-1/4, 0\}} Ra^{1/4} Ek^{2/3}$（${Pr<1, Pr>1}$），漂移频率为$ω/Ω\sim Γ^{0} Pr^{-4/3} Ra Ek^{5/3}$，其中$H$是细胞高度，$Ω$是角旋转速率。…
2021-03-08 physics.flu-dyn
Experimental Investigation of Longitudinal Space-Time Correlations of the Velocity Field in Turbulent Rayleigh-Bénard Convection
利用粒子图像测速技术（PIV）对圆柱湍流瑞利-贝纳德对流单体中速度场的纵向时空互相关联函数$C(r,τ)$进行了实验研究。我们表明，虽然泰勒的冻结流假设在湍流热对流中不成立，但最近提出的湍流剪切流椭圆模型[He & Zhang，\emph{Phys. Rev. E} \textbf{73}，055303（R）（2006）]对整个细胞的当前速度场是有效的，即，测量的$C(r,τ)$的等相关轮廓具有椭圆曲线的形状，因此$C(r,τ)$可以通过$r_E^2=(r-βτ)^2+γ^2τ^2$与$C(r_E,0)$相关，其中$β$和$γ$是两个特征速度。我们进一步表明，拟合的$β$是成比例的平均速度的流动，但值的$γ$大于理论预测。具体来说，我们专注于两个代表性的区域在细胞：细胞的侧壁附近的区域和细胞的中心区域。结果表明，在侧壁附近$β$和$γ$基本相同，而在细胞中心处$β\simeq0$基本相同。
2011-01-19 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
The sensitivity of rapidly rotating Rayleigh--Bénard convection to Ekman pumping
对于普朗特数为$Pr = 1$的流体，研究了无量纲Nusselt数$Nu$对无限大平面层中快速旋转Rayleigh-Bénard对流的Ekman泵送的热传递的依赖性。利用模拟的复合非静力准地转模式（CNH-QGM）和直接数值模拟（DNS）的不可压缩流体方程的联合努力映射了广泛的瑞利数$Ra$ - Ekman数$E$参数空间内的地转制度的旋转对流。两种方法中$E = 10^{-7}$处$Nu$-$Ra$关系的确证，以及DNS覆盖的较高$E$和渐近模型覆盖的较低$E$，允许该范围的传热结果。对于无应力边界，关系式$Nu-1 \propto (Ra E^{4/3} )^α $对所有$E \leq 10^{-7}$都具有$α= 3/2$的无耗散标度。这是直接关系到一个地转湍流内部节流的热输送提供给热边界层。对于无滑移边界，非地转粘性边界层的存在及其相关的Ekman泵在$Nu(E,Ra)$参数空间中产生更复杂的二维表面。对于$E<10^{-7}$，结果表明表面可以表示为$Nu-1 \propto (1+ P(E)) (Ra E^{4/3} )^{3/2}$，表明无耗散标度律通过乘性前因子$(1+ P(E))$被Ekman泵浦增强，其中$P(E) \approx 5.97 E^{1/8}$。对于$E<10^{-7}$，地转湍流内部仍然是快速旋转的瑞利-贝纳德对流的通量瓶颈。对于$E\sim10…
2017-04-15 physics.flu-dyn
Scaling regimes in rapidly rotating thermal convection at extreme Rayleigh numbers
本研究通过极端参数下的旋转Rayleigh–Bénard对流直接数值模拟，验证了地转湍流的无扩散标度律，并发现随超临界参数降低，地转区间会发生传热标度律的转变。
2023-04-28 physics.flu-dyn
Subcritical dynamos in rapidly-rotating planar convection
我们研究发电机行动使用数值模拟的平面Boussinesq对流在快速旋转（低埃克曼数，Ek），专注于亚临界发电机行动，其中发电机是持续的瑞利数，Ra，低于临界瑞利数的开始对流，Ra $_c$。这些解决方案是通过首先调查超临界制度，其中发电机能够产生一个大规模的磁场，显着影响对流运动，与相关的Elsasser数的顺序Ek $^{1/3}$。亚临界的解决方案，然后通过跟踪这个解决方案分支到亚临界状态，采取超临界解决方案，然后逐渐降低相应的瑞利数。我们发现，减少埃克曼数导致的Ra/Ra $_c$的亚临界范围的扩展，下降到最佳值的Ek $=10^{-5}$。对于磁普朗特数为1阶的情况，当小尺度对流驱动的发电机产生相对较强的大尺度磁场时，在较低的Ekman数下出现的大尺度模阻碍了亚临界性。大规模模式无法维持发电机的行动导致间歇性的行为，似乎抑制亚临界。亚临界解也对磁雷诺数（或等效地，磁普朗特数，Pm）的值敏感，因为磁雷诺数大于70的值需要产生发电机动作，但是大的值导致能够将系统推离亚临界分支太远并且朝向平凡传导状态的波动。
2020-11-12 physics.flu-dyn
Collapse of Coherent Large Scale Flow in Strongly Turbulent Liquid Metal Convection
在高湍流度液态金属对流实验中，直接测量了Rayleigh数在$4 \times 10^5$和$\leq 5 \times 10^9$之间变化，Prandt数在$0.025~\leq~Pr~\leq ~0.033$之间变化时的大尺度流动结构以及湍流的热量和动量传递。我们的测量是在两个圆柱形样品的纵横比$Γ=$直径/高度$= 0.5$和1填充的共晶合金GaInSn。通过17个超声多普勒测速传感器检测不同平面中沿其束线的速度分布来重建三维流动模式，揭示了$Γ= 0.5$的大尺度循环的相干性的明显故障。因此，热量和动量传递的标度律继承了对纵横比的依赖性。我们表明，这种故障的连贯性是伴随着减少的雷诺数$Re$。当液态金属流动在$Γ=0.5$处达到$Ra\gtrsim 2\times 10^8$且相干大尺度流动完全崩溃时，幂律$Nu\propto Ra^β$的标度指数$β$从$β=0.221$到0.124穿过\FIN{eventually}。
2022-01-21 physics.flu-dyn
Double-diffusive convection and baroclinic instability in a differentially heated and initially stratified rotating system: the barostrat instability
在实验室中研究了具有初始制备的稳定的垂直盐度剖面的充水差热旋转环。基于二维水平粒子图像测速（PIV）数据，和红外摄像机可视化，我们描述了斜压不稳定的外观和特点，在这个原始配置。首先，我们表明，当盐度剖面是线性的，并限制在两个非分层层之间的顶部和底部，只有两个单独的浅流体层可以不稳定。这些不稳定层出现在罐的顶部和底部附近，在它们之间有一个分层的静止区。因此，这种实验室安排是特别有趣的模拟地球物理或天体物理的情况下，分层的地区往往并列对流。然后，对于更一般的，但稳定的初始密度分布，统计措施被引入到量化的程度斜压不稳定在给定的深度，并分析这种深度依赖性和垂直盐度剖面之间的连接。我们发现，虽然稳定层结的存在通常会阻碍全深度翻转，双扩散对流可以产生发展的多细胞横向对流在浅层，随后多层斜压不稳定。因此，我们的结论是，通过减少流动的特征垂直尺度，分层甚至可能在局部意义上增强气旋和反气旋涡旋的形成（因此，混合）。
2016-04-27 physics.flu-dyn
Pattern selection and restricted vortex dynamics by spatial periodic forcing in rapidly rotating Rayleigh-Bénard convection
模式形成与外部强加的对称性是普遍存在的性质，但很少研究。我们提出的实验研究斑图形成和选择的空间周期性强迫在快速旋转对流。我们观察到对称的对流模式的形式，经常涡格子附近的不稳定性发病时，外部强迫的周期性设置接近的内在涡间距。我们发现，新的模式出现作为一个动力学过程的不完善的分歧，可以很好地描述了一个金斯堡-朗道模型。随着浮力强度的增加，外部强迫的影响减弱，对流涡从静止状态演变为受限制的最终随机运动。
2022-01-24 physics.flu-dyn physics.geo-ph
The cross-over from viscous to inertial lengthscales in rapidly-rotating convection
本研究通过数值模拟发现，快速旋转对流中黏性主导到惯性主导的过渡发生在惯性尺度约等于黏性尺度时，表明无磁场核心对流由惯性尺度主导。
2025-02-27 astro-ph.EP physics.flu-dyn
A single-camera, 3D scanning velocimetry system for quantifying active particle aggregations
一个三维（3D）扫描测速系统的开发，以量化的三维配置的颗粒及其周围的体积，三分量的速度场。该方法使用平移激光片来快速扫描通过感兴趣的体积，并顺序地照射包含接种在流体中的示踪剂和包括感兴趣的聚集体的颗粒的流的切片。这些图像切片由单个高速相机捕获，编码图像时间序列内的第三空间维度的信息。在以前的实施扫描系统已经开发的体积流量量化或3D对象重建，我们评估的可行性，同时完成这些任务与一个单一的相机，可以简化数据收集和分析。该系统的能力，其特点是使用毫米级卤虫（卤虫）诱导垂直迁移的研究。识别和重建的个别游泳机构和迁移聚集内的三维轨迹，实现了目前研究的最大数量密度，$8 \, \times\,10^5$动物每$\textrm{m}^3$。这个数密度与以前类似迁移的深度平均2D测量的密度相当。相应的流速测量表明，该技术是能够解决的三维速度场和周围的游泳聚集。在这些动物数量密度下，观察到迁移诱导的相干流。这些流量测量的准确性在$Re_D = 50$的自由射流单独研究中得到了证实。
2021-02-11 physics.flu-dyn
Global regularity for a rapidly rotating constrained convection model of tall columnar structure with weak dissipation
我们研究一个三维流体模型，描述发生在高大的柱状结构的快速旋转对流。这个模式的目的是研究气旋和反气旋的相干结构。证明了在弱耗散项正则化的条件下，该模型强解的整体存在性、唯一性、对初值的连续依赖性和大时间行为。
2018-10-08 math.AP physics.ao-ph 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
Bubble-induced convection and flow-instability in a soft reactor
本文研究水箱内局部大气泡诱导的对流及其随瑞利数从层流向扰动态的转变，结合理论分析与3D-PTV实验验证平均环流规律，服务于软混合器设计。
2023-12-16 physics.flu-dyn
Experimental study of the convection in a thin cylindrical gas layer with imposed bottom and top fluxes and imposed side temperature
本文通过数值模拟与实验研究薄圆柱气体层对流，将通量瑞利数范围扩展两个数量级，确立水平速度标度律，并实验证实径向分支漂移图案及其角向漂移频率和方位角波数随瑞利数的变化，强调分支图案对预测壁面热通量涨落和核安全的重要性。
2025-03-12 physics.flu-dyn
Experiments on rapidly rotating convection: the role of the Prandtl number
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
研究快速旋转对流中普朗特数对努斯塞特数的影响，发现Pr增加导致Nu显著降低。
2025-11-27 physics.flu-dyn
Experimental investigation of turbulence and turbulent thermal diffusion in strongly inhomogeneous and anisotropic forced convection
Ben-Gurion University of the Negev（内盖夫本-古里安大学）
本研究通过实验探讨强不均匀和各向异性对流中湍流及湍流热扩散特性，发现温度梯度与粒子数密度分布存在反相关关系。
2025-10-13 physics.flu-dyn
Extreme vorticity events in turbulent Rayleigh-Bénard convection from stereoscopic measurements and reservoir computing
利用体视粒子图像速度场（PIV）技术对空气中瑞利-贝纳德对流湍流体区的离面涡量分量$ω_z$的高幅值事件进行了分析。瑞利数${\rm Ra}$从$1.7 \times 10^4$到$5.1 \times 10^5$不等。实验研究与$ω_z$和个体速度导数$\partial u_i/\partial x_j$的长期时间序列的综合统计分析有关。一个统计收敛导数矩的顺序为6证明。在相同的参数范围内，我们的结果与已有的高分辨率直接数值模拟结果吻合得很好，包括出现在相应概率密度函数远指数尾的极端涡度事件。实验证实了对流中速度导数统计量从高斯分布到非高斯分布的转变。实验数据被用来训练水库计算模型，递归神经网络的一个实现，再现高度间歇性的实验时间序列的涡度，从而重建极端的平面外涡度事件。在使用高分辨率PIV数据训练模型之后，机器学习模型在重建阶段使用稀疏种子、连续可用且不可见的测量数据运行。重建质量的部分观测的稀疏性的依赖性也被记录。我们的后者的结果铺平了道路，机器学习-辅助实验分析的小尺度湍流的时间序列缺失的速度导数可以提供生成算法。
2022-03-14 physics.flu-dyn
Rapidly rotating internally heated convection: bounds on long-time averages
Institute for Geophysics, ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院地球物理研究所）
研究快速旋转和内部加热对流的长时间行为，推导了渐近简化模型，证明了平均温度和垂直对流热传输的界值，揭示了旋转对流的独特特性。
2026-09-22 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Flow regimes of Rayleigh-Bénard convection in a vertical magnetic field
研究了垂直静磁场对液态金属Rayleigh-Bénard对流流动结构和动量、热量整体输运特性的影响。实验是在一个圆柱形对流单元的单位纵横比，填充合金GaInSn在低普朗特数$\mathit{Pr}=0.029$。使用多个超声多普勒测速传感器和热电偶，在由$10^6 \le \mathit{Ra} \le 6\times 10^7$的Rayleigh数和$\mathit{Ha} \le 1000$的Hartmann数跨越的参数范围内，系统地探测了大尺度速度结构随磁场强度增加的变化。我们同时进行的多探头温度和速度测量演示了大尺度环流是如何受到不断增加的磁场强度（或哈特曼数）的影响。在液态金属中诱导的洛伦兹力首先在低$\mathit{Ha}$下抑制大尺度循环的振荡，然后将单辊结构转变为由中间$\mathit{Ha}$的多个向上和向下流动组成的细胞状大尺度图案，在最后将任何流体运动排出最高可达$\mathit{Ha}$处的本体之前，壁对流，甚至持续低于Ehrasekhar的线性不稳定阈值。因此，我们的研究实验证明了壁模在受限磁对流的存在。在很大的哈特曼数范围内，流体动量的稳定减小几乎不影响传递热量的大小。我们扩展的实验全球运输分析动量转移，包括哈特曼数的雷诺数的依赖。
2020-02-18 physics.flu-dyn
Equatorially Trapped Convection in a Rapidly Rotating Shallow Shell
最近发现的行星卫星上的地下海洋和他们所产生的兴趣的动机，我们探讨在快速旋转限制$\mathrm{E}\ll1$，其中$\mathrm{E}$是埃克曼数的无量纲间隙宽度$\varepsilon^2\ll 1$的浅球壳的对流。我们采用直接数值模拟（DNS）的Boussinesq方程计算的本地热通量$\mathrm{Nu}(λ)$作为纬度$λ$的函数，并使用结果来表征在低纬度对流的捕获，在赤道周围。我们发现，这些结果定量再现的渐近精确的非静力赤道$β$平面对流模型在一个更温和的计算成本比DNS。当$\varepsilon\downarrow 0$和$\mathrm{E}\sim\varepsilon$的热力强迫为中等时，我们确定捕获参数$β=\varepsilon \mathrm{E}^{-1}$为控制对流活力和纬度范围的关键参数。该模型为非线性研究提供了一种新的理论范式。
2018-04-26 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Inverse cascade and symmetry breaking in rapidly-rotating Boussinesq convection
在本文中，我们提出了快速旋转的Rayleigh-Bénard对流的数值模拟在Boussinesq近似与无应力边界条件。在适度低的Rossby数和大的瑞利数，我们表明，一个大规模的深度不变的流动形成，让人想起在二维流动中观察到的凝聚态。我们发现，大尺度环流与所谓的涡旋或慢模式的强迫旋转湍流有许多相似之处。我们的研究表明，在一个固定的旋转速率的大规模的旋涡只观察到一个有限的范围内的瑞利数，作为准二维性质的流动消失在非常高的瑞利数。我们观察到缓慢的涡合并事件，并发现一个非本地的逆级联的能量，除了与快速小尺度湍流运动的规则的直接级联。最后，我们表明，气旋结构是占主导地位的小尺度湍流和这种对称性破缺持续在大尺度涡旋运动。
2014-08-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Subcritical thermal convection of liquid metals in a rapidly rotating sphere
行星核心由液态金属（低普朗特数$Pr$）组成，当核心冷却时会对流。在这里，我们研究非线性对流旋转（低埃克曼数$Ek$）行星核心使用全三维直接数值模拟。在临界热力强迫（瑞利数$Ra$）附近，对流开始为热罗斯贝波，但随着$Ra$的增加，这种状态被平流主导的状态所取代。在中等旋转下，这些状态（这里分别称为弱分支和强分支）是平滑连接的。随着行星核心旋转速度的加快，平滑过渡被滞后循环和亚临界状态所取代，直到弱分支完全消失，强分支在$Ek < 10^{-6}$的湍流状态中开始。在这里，即使热力强迫下降到远低于对流的线性开始（本研究中的$Ra=0.7Ra_{crit}$），强分支仍然存在。我们强调的重要性，雷諾应力，这是需要对流生存低于线性发病。此外，在强分支中，Péclet数始终在10以上。我们还注意到，存在一个强大的纬向流，但不重要的对流状态。我们的研究表明，在行星内部相关的快速旋转的渐近制度，热对流的液态金属在一个球体通过亚临界分岔开始。
2017-08-24 physics.flu-dyn physics.geo-ph
On the inverse cascade and flow speed scaling behavior in rapidly rotating Rayleigh-Bénard convection
旋转Rayleigh-Bénard对流的数值研究与使用的渐近模型，捕捉快速旋转，小埃克曼数限制，$Ek \rightarrow 0$。普朗特数（$Pr$）和渐近定标瑞利数（$\widetilde{Ra} = Ra Ek^{4/3}$，其中$Ra$是典型的瑞利数）是系统变化的.对于足够强的对流，逆动能级联导致深度不变的大尺度涡旋（LSV）的形成。相对于动能，我们发现从对流为主的状态过渡到LSV为主的状态在渐近约化（小尺度）雷诺数$\widetilde{Re} \approx 6$为所有调查值的$Pr$。深度平均动能与对流动能的比值在$\widetilde{Re} \approx 24$处达到最大值，然后随着$\widetilde{Ra}$的增加而减小。LSV的相对动能的减少与对流相关性随瑞利数增加而减少有关。对流流速的标度行为进行了研究，虽然在瑞利数和普朗特数的有限范围内观察到$\widetilde{Re} \sim \widetilde{Ra}/Pr$形式的线性标度，但在$\widetilde{Ra}$的最高可访问值处观察到与此标度的明显偏离。控制方程中存在的力的计算表明，粘性力与浮力的比率是$\widetilde{Ra}$的递增函数，在所研究的参数范围内接近1。
2020-03-03 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Thermal convection in compressible gas with spanwise rotation
本研究数值模拟了可压缩气体在展向旋转下的热对流，发现漂移模式使非弹性近似失效，并对比了二维与三维对流特性。
2023-07-26 physics.flu-dyn
Rapidly rotating plane layer convection with zonal flow
本文研究快速旋转层中热成风作用下对流与斜压不稳定性的起始及过渡，通过渐近分析与数值解揭示长波长模态最先失稳，并指出地核斜压不稳定性可能驱动发电机。
2011-11-01 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Connections between Non-Rotating, Slowly Rotating, and Rapidly Rotating Turbulent Convection Transport Scalings
浮力驱动的对流很可能是宇宙中湍流运动的主要驱动力，因此被物理学家，工程师，天文学家和天体物理学家广泛研究。也许并不奇怪，这些不同的社区以不同的方式讨论总的对流行为，通常没有显着的串扰存在于他们之间。在这里，我们试图在这些社区之间建立联系。我们这样做是通过进行一组基本规模的估计，热量和流体动量输送应如何表现在非旋转，缓慢旋转和快速旋转浮力驱动的对流环境。我们发现，缓慢和快速旋转缩放可以通过一个参数，所谓的对流Rossby数$\RoC$，无耗散参数测量浮力驱动相对于旋转的重要性相互关联。此外，我们映射之间的非通量为基础的和通量为基础的，浮力驱动的缩放使用不同的群体。在这样做的过程中，这些缩放显示出不同社区的方法之间存在清晰的联系，并且一些看似不同的缩放实际上是彼此同义的。
2020-09-07 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Flow reversals in thermally driven turbulence
我们通过粒子图像测速流动可视化和直接数值模拟（DNS）的基本Boussinesq方程在一个（准）二维，矩形几何的纵横比为1的瑞利-Bénard对流的大尺度流动的逆转进行分析。对于中等普朗特数有一个对角大规模的对流辊和两个较小的二次辊在两个剩余的角落对角相对。这些角流卷对于大规模的风向逆转起着至关重要的作用：由于羽流从边界层分离，角流卷的动能增加，因此尺寸也增加，直到它们接管主要的大规模对角流，从而导致逆转。基于这种机制，我们确定了一个典型的时间尺度的逆转。我们绘制了瑞利数与普朗特数相空间，发现反转的发生非常敏感地依赖于这些参数。
2011-09-30 physics.flu-dyn
Reynolds number scaling and energy spectra in geostrophic convection
本文使用立体粒子图像测速技术研究了地转状态下旋转Rayleigh-Bénard对流的雷诺数标度与能谱，发现VAC和CIA力平衡标度均匹配，且随Ek减小趋于无扩散标度，能谱揭示了四极涡旋与三维湍流特征。
2022-12-21 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
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
Large-scale vortices in rapidly rotating Rayleigh-Bénard convection
利用数值模拟的快速旋转Boussinesq对流在一个笛卡尔框，我们研究了长寿命的，大规模的，深度不变的相干结构的形成。这些结构，其中包括集中的旋风，增长到水平的大小的盒子，与速度显着大于对流运动。我们改变旋转速率，热驱动和纵横比，以确定这些大尺度涡（LSV）的存在域。我们发现，需要两个条件，为他们的形成。第一，瑞利数，热驱动的一个度量，必须是它在对流线性开始时的值的几倍;这对应于雷诺数，基于对流速度和盒深度$\gtrsim 100$。第二，对流结构的旋转约束必须很强。这就需要根据对流速度和水平对流尺度$\lesssim 0.15$计算当地的Rossby数。某些波数在光谱空间中被人为抑制的模拟表明，LSV是由小尺度、深度相关的对流运动的相互作用产生的。LSV的存在显著降低了对流热传输的效率。
2014-12-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Asymptotic Behavior of Heat Transport for a Class of Exact Solutions in Rotating Rayleigh-Bénard Convection
快速旋转Rayleigh-Bénard对流的非静力准地转近似允许一类精确的“单模”解。这些解决方案对应于稳定的层流对流与一个可分离的结构组成的一个水平的平面形状，其特征在于由一个单一的波数乘以一个垂直的振幅分布，后者作为一个非线性边值问题的解决方案。与这些解决方案相关的热输运的制度，研究强热强迫（大约化瑞利数$\widetilde{Ra}$）。它表明，努塞尔数$Nu$，对流传热效率的无量纲措施，这类解决方案是有界的$Nu\gtrsim \widetilde{Ra}^{3/2}$，独立的普朗特数，在大的限制减少瑞利数。匹配上界仅包括对数校正，显示估计的准确性。竖向结构的非线性边值问题的数值解与解析界一致。
2014-08-16 physics.flu-dyn
Zonal flow scaling in rapidly-rotating compressible convection
木星和土星的表面风主要是纬向风。每颗行星都表现出强烈的赤道气流，两侧是高纬度的多个交替的纬向风。这些流动的渗透深度长期以来一直存在争议，仍然是一个未解决的问题。以前的旋转对流模型获得了多个高纬度带状喷流，与巨行星上的喷流相当，假设不可压缩（Boussinesq）流体，这对气体巨行星来说是不现实的。后来的可压缩旋转对流模型只得到了很少的高纬度急流，这些急流不适合于标度分析。在这里，我们提出了3-D数值模拟的可压缩对流在快速旋转球壳。为了探索高纬度纬向喷流的形成和缩放，我们考虑具有强径向密度变化和Ekman数范围的模型，同时保持土星的纬向流Rossby数特征。所有的模拟结果都显示出切向圆柱体外有一个很强的近赤道喷流。在低埃克曼数时，切向圆柱体内的每个半球中形成几个交替的射流。为了分析我们的数值模型和木星和土星的射流缩放，我们扩展莱茵缩放的基础上的地形$β$参数，这是以前适用于不可压缩流体的球壳，可压缩流体。喷流宽度预测的修改后的莱茵河长度被认为是在相对较好的协议与我们的数值模式的结果和云跟踪观测木星和土星。
2014-03-26 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Bounds for rotating convection at infinite Prandtl number from semidefinite programs
数值计算了无限普朗特数下无滑移和无应力边界条件下旋转对流的极向和环向动能和热输运边界。在此计算中调用的约束是线性或二次的问题变量，并导致制定一个半定规划。在泰勒数固定的情况下，边界定性地表现为瑞利数的函数，与有界的量相同。当Rayleigh数小于对流发生的临界Rayleigh数时，边界为零;当Rayleigh数大于对流发生的临界Rayleigh数时，边界随Rayleigh数的增加而迅速增大;当Rayleigh数较大时，边界随Rayleigh数的增加而缓慢增大。如果瑞利数的依赖关系近似的幂律，一个获得更大的指数从边界上的努塞尔数瑞利数刚开始比从实际的努塞尔数依赖已知的大，但有限的普朗特数。线性不稳定模式的波长在对流开始出现作为一个相关的长度尺度的界限。
2022-08-28 physics.flu-dyn
Impact of domain anisotropy on the inverse cascade in geostrophic turbulent convection
研究了区域各向异性对快速旋转Rayleigh-Bénard对流（RRBC）地转湍流区逆级联的影响。在水平方向具有方形截面的周期性畴中，存在充满畴的偶极态。对于矩形周期域的Kolmogorov流组成的周期性阵列的交替单向射流与嵌入式涡观察，连同一个潜在的弱曲折横向射流。在由外部施加的小振幅噪声驱动的弱耗散二维流中以及在经典流体静力学地转湍流中发生的类似转变是无粘能量守恒和位涡拟能的结果，并且可以使用统计力学考虑来理解。RRBC代表了一个重要的三维系统，只有一个无粘不变量，但表现出大尺度结构驱动的内在产生的波动。
2017-11-06 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
Supergravitational turbulent thermal convection
高瑞利数对流湍流在许多自然现象和工业中普遍存在，例如大气环流、海洋流动、行星流体核心中的流动以及能量产生。在这项工作中，我们提出了一种新的方法来提高瑞利数热对流，利用离心加速和快速旋转的圆柱环，以达到60倍地球重力的有效重力。我们发现，在该政权的科里奥利效应是强的，Nusselt数与瑞利数的标度指数超过三分之一，一旦瑞利数是足够大的。对流卷沿反方向旋转，标志着纬向气流的出现。目前的研究结果开辟了一个新的途径，探索高瑞利数湍流热对流，并将提高地球物理和天体物理流动和其他强旋转系统的流动动力学和传热过程的理解。
2022-01-04 physics.flu-dyn
Competing forces in liquid metal electrodes and batteries
液态金属电池被提出用于低成本电网规模的能量存储。在它们的操作期间，固体金属间相通常在阴极中形成并且已知限制电池的容量。液体电极中的流体流动可以增强质量传递并减少局部金属间化合物的形成，并且可以通过仔细选择电池电连接的位置和拓扑来促进流体流动。在这方面，我们研究了四种现象，驱动流：瑞利-贝纳德对流，内部加热对流，电涡流，旋流，在实验和模拟。在实验中，我们使用超声多普勒测速仪（UDV）来测量160°C下共晶PbBi电极中的流动，并受到所有四种现象的影响。在数值模拟中，我们将这些现象隔离开来，并使用OpenFOAM分别进行模拟。通过UDV梁模型的模拟速度与实验比较，我们发现所有这四种现象都可以增强LMB中的传质。我们解释了流动方向，描述了如何相互作用的现象，并提出了无量纲的数字估计它们的相互关联。电气连接的简要讨论总结了我们工作的工程意义。
2017-11-06 physics.flu-dyn
Measured multiple flow states in turbulent thermal convection with aspect ratio 10
Northwestern Polytechnical University（西北工业大学）；Taihang national laboratory（太行实验室）
研究在大长宽比腔中测量湍流热对流的多种流动状态，发现滚柱数量影响全局传输，普朗特数变化导致流动结构转变。
2026-02-20 physics.flu-dyn
Role of natural convection in the dissolution of sessile droplets
本研究探究小尺寸长链醇固着液滴在水中的溶解过程，分离扩散与对流贡献，通过实验测得对流区普适标度关系及转变瑞利数，明确了浮力驱动对流对溶解的作用规律。
2016-05-24 physics.flu-dyn
Thermal boundary condition studies in large aspect ratio Rayleigh-Bénard convection
本研究联合实验与数值模拟，分析热边界条件对大长宽比Rayleigh-Bénard对流的影响，发现实验流动结构尺寸介于理想化均匀温度与恒定热通量条件之间，并揭示了非对称边界条件增加反向传热概率的机制。
2023-02-27 physics.flu-dyn
