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
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
Layer coupling between solutal and thermal convection in liquid metal batteries
十多年来，液态金属电池（LMB）的主要目的是提供经济的固定能量存储。LMB具有两个由熔盐电解质隔开的液态金属电极，在高温下作为简单的浓差电池工作。因此，有效的传质是其经济运行的基本前提。理解这些机制不能局限于单层级别。有了这个动机，溶质和热驱动流的影响进行了研究，以及细胞的三个液体层之间的流动耦合。结果表明，溶质对流最先出现，热对流出现较晚。虽然溶质流的存在取决于操作模式（充电或放电），但热对流的发生取决于几何形状（层的厚度）。层之间的流动现象的耦合是有趣的：虽然热对流被限制在其起源区域，即电解质，溶质对流能够驱动正极和电解质中的流动。
2022-02-07 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
Thermal interaction between free convection and forced convection along a vertical conducting wall
本文从理论上研究了不同温度下垂直有限壁面上强迫对流与自由对流的耦合换热。壁面内的热传导是横向的，在壁面两侧形成逆流的边界层。通过非相似变换，将问题的控制方程及其相应的边界条件转化为无量纲形式。这些所得的方程与多个奇点数值求解使用一个非常有效的奇异摄动方法。研究了阻力参数和普朗特数对传热特性的影响。
2015-09-12 physics.flu-dyn
Zero-gravity convection in a closed duct as the realization of a thermal machine
ISAC-CNR（意大利国家研究委员会大气科学研究研究所）；INFN, Sez. Cagliari（意大利国家核物理研究所卡利亚里分部）
本文研究零重力下壁面加热的静止简单流体的对流可能性，发现低普朗特数流体在几何不均匀性满足条件时可形成稳定循环态，且定量解释了纯体积效应无法单独诱导常规流体零重力对流的原因。
2026-08-24 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
Thermal convection in a liquid metal battery
利用数值模型分析了液态金属电池中热对流的产生，该电池是最近提出的一种有前途的短期能量存储问题的解决方案。结果表明，在充放电过程中，电解液焦耳热引起的对流是不可避免的。它存在于尺寸大于几厘米的实验室原型中，并且应该在更大规模的电池中变得更强。该现象需要进一步研究，鉴于其积极的（反应物的混合增强）和消极的（效率损失和可能的操作中断，由于流动引起的变形的电解质层）的影响。
2015-07-29 physics.flu-dyn
Realizing the ultimate scaling of the convection turbulence by spatially decoupling the thermal and viscous boundary layers
湍流对流在许多自然环境中起着至关重要的作用，从地球海洋、地幔和外核到各种天体物理系统。对于这种具有极强热驱动的流动，提出了热流和速度的极限标度。尽管有许多实验和数值研究，最终制度的结论性观察尚未达成。在这里，我们表明，最终的缩放可以完美地实现一旦热边界层是完全解耦的粘性边界层，并位于湍流体内部。热通量可以大大提高一个数量级。我们的结果提供了具体的证据，当整个热边界层嵌入在湍流区，这可能是在许多自然对流系统的情况下，最终状态的外观。
2021-01-17 physics.flu-dyn
Rayleigh-Bénard thermal convection perturbed by a horizontal heat flux
在Rayleigh-Bénard对流中，已经发现通过流体的热量与所施加的温差具有幂律依赖性。改变这种依赖性，无论是增强还是降低流体的传热能力，在许多科学和实际应用中都是重要的。在这里，我们提出了一种简单的方法来控制瑞利-贝纳德对流的垂直传热通过注入热量通过一个横向侧的流体域和提取相同数量的热量从相对侧。这种水平热通量调节了大尺度环流，并增加了垂直方向的热传递速率。我们的数值和理论研究表明，经典的Rayleigh-Bénard对流响应这样的扰动，当系统是附近或远高于对流的发病。
2022-10-13 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
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
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
Similarities between the structure functions of thermal convection and hydrodynamic turbulence
本文分析了湍流热对流速度结构函数的标度性。使用高分辨率的数值模拟，我们表明，结构功能的规模类似的流体动力学湍流，与她和Leveque的预测[物理评论快报]的标度指数一致。72，336-339（1994）]。速度增量的概率分布函数在耗散尺度下为非高斯分布，具有宽尾，在惯性尺度下接近高斯分布。概率分布的尾部遵循拉伸指数。我们还表明，在热对流，在惯性范围内的能量通量小于粘性耗散率。这与流体动力学湍流不同，在流体动力学湍流中，能量通量和耗散率相等。
2019-11-14 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
Enhanced heat transport in thermal convection with suspensions of rod-like expandable particles
流体的热对流是一种比扩散更有效的方式将热量从热源带到寒冷的地方。在这里，我们的实验研究的Rayleigh-Bénard对流的甘油水溶液在一个立方体细胞与悬浮的棒状颗粒的聚二甲基硅氧烷（PDMS）。颗粒由于其大的热膨胀系数和有限的尺寸而具有惯性。颗粒的热膨胀系数比背景流体的大三倍。这种对比使得悬浮颗粒在炎热地区比当地流体轻，而在寒冷地区比当地流体重。当瑞利数（$Ra$）较大时，热输运增强，而当瑞利数（$Ra$）较小时，热输运减弱。我们表明，努塞尔数的增加来自颗粒边界层的相互作用：颗粒作为“积极的”混合器的流场和温度场的边界层。
2021-09-13 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
Physics Informed Neural Networks for Two Dimensional Incompressible Thermal Convection Problems
物理信息神经网络（PINN）近年来在工程问题中引起了人们的关注，因为它们的有效性和解决问题的能力，而无需生成复杂的网格。PINN使用自动微分来计算守恒律中的微分算子，因此不需要离散化方案。使用这种能力，PINN在没有任何训练数据的情况下满足损失函数中的物理定律。在这项工作中，我们解决了各种不可压缩的热对流问题，包括实际应用和可比的数值或分析结果的问题。我们首先考虑一个通道问题的分析解决方案，以显示我们的网络的准确性。然后，我们解决了一个封闭的外壳中的热对流问题，其中的流动是由于边界上的温度梯度。最后，我们考虑稳定和不稳定的部分阻塞通道的问题，类似于电力电子工业应用。
2022-06-17 physics.flu-dyn
Rayleigh-Bénard thermal convection in emulsions: a short review
Istituto per le Applicazioni del Calcolo, CNR（意大利国家研究委员会计算应用研究所）；INFN, Sezione Roma “Tor Vergata”（罗马“托尔维加塔”分部意大利国家核物理研究所）；Department of Physics & INFN, Tor Vergata University of Rome（罗马托尔维加塔大学物理系及意大利国家核物理研究所）；Sino-Europe Complex Science Center, School of Mathematics North University of China（中欧复杂科学中心，中北大学数学学院）
本文综述了在雷利-贝纳德配置中热驱动乳状液的最新进展，探讨了其复杂流变学与对流流动的耦合效应，揭示了软材料在热对流中的行为特征。
2026-04-14 physics.flu-dyn
Symmetry Breaking and Restoration in Turbulent Thermal Convection Arises from the Competition Between Advection and Buoyancy
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；Fudan University（复旦大学）
通过聚合物添加剂实验和线性摩擦模拟，发现热对流中对称性破缺与恢复由平流与浮力的竞争主导，浮力占优时对称性恢复。
2026-06-01 physics.flu-dyn
Oscillatory thermal-inertial flows in liquid metal rotating convection
我们提出了第一个详细的热和速度场表征的对流在一个旋转的圆柱形槽的液体镓，它具有类似的行星核心流体的热物理性质。我们的实验室实验，并密切相关的直接数值模拟，都进行了稳定的对流模式发病前的制度。这使我们能够研究的振荡对流模式，侧壁模式和宽带湍流，发展在液态金属稳定的柱状模式出现之前。我们的热测速测量表明，强烈的惯性，热气流的发展，速度达到可比的非旋转的情况下。振荡体对流和壁模式共存于广泛的我们的实验，随着强纬向流的峰值在Stewartson层，但深入到流体体积中的更高的超临界情况下。的流量包含显着的时间平均螺旋度是反对称的整个中平面，表明振荡的液态金属对流包含的运动分量，以维持系统规模的发电机发电。
2021-01-15 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
Prandtl and Rayleigh number dependence of heat transport in high Rayleigh number thermal convection
本文给出了三维Rayleigh-Bénard对流的直接数值模拟结果，模拟了高宽比$Γ=0.23$和$Γ=0.5$达到Rayleigh数$Ra=2\times10^{12}$的样品。考虑了普朗特数$0.5<Pr<10$的宽范围。与某些实验相反，我们没有看到$Nu/Ra^{1/3}$的任何增加，既不是由于$Pr$数效应，也不是由于在底板处的恒定热通量边界条件而不是恒定温度边界条件。即使在这些非常高的$Ra$，热和动力学边界层厚度服从普朗特-布拉修斯标度。
2011-05-01 physics.flu-dyn
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
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
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
Role of critical points of the skin friction field in formation of plumes in thermal convection
薄边界层中温度和速度的动力学是深入理解热对流中热量和动量湍流输运的关键。Rayleigh-Bénard对流单体的热板和冷板处的速度梯度形成二维表面摩擦场，并与各自边界层中热羽流的形成有关。我们的分析是基于一个直接的数值模拟的Rayleigh-Bénard对流在一个封闭的圆柱形细胞的纵横比$Γ=1$和集中的临界点的表面摩擦力场。我们确定了三胞胎的临界点，这是由两个不稳定的节点和它们之间的鞍，作为特征积木的表面摩擦场。检测到孤立的三联体以及三联体网络。线状热羽流的脊部大多与鞍形的不稳定流形相吻合。从动力学拉格朗日的角度来看，热羽流的形成与一个有吸引力的双曲拉格朗日相干结构的表面摩擦场。本文还从二维矢量场的Poincaré-Hopf指数定理的角度讨论了与槽道湍流表面摩擦力场的区别。
2015-09-16 physics.flu-dyn
Thermal convection of viscoelastic fluids in concentric rotating cylinders: Elastic turbulence and kinetic energy budget analysis
本文通过数值模拟研究同心旋转圆柱中黏弹性流体的热对流，揭示魏森贝格数增大引发的弹性湍流转变，并通过动能收支分析阐明混合对流传热增强源于聚合物向流场的动能传递。
2023-09-20 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}$。局地热通量的概率分布函数为非高斯分布，具有指数尾。
2016-05-02 physics.flu-dyn
A thermal convection limit of spiral state in wide-gap spherical Couette flow
流动结构的对称性通常由其力学不稳定性和几何形状决定。在这里，作为一个例子，我们提出了同伦的旋转3倍螺旋状态，这是强大的球形库埃特流的混合动力系统的热分层效应。旋转波态与热分层系统的平滑连接尚未得到证实。通过延拓，将球谐函数的$m=4$模在纯球库埃特流中的最危险模替换为纯热对流系统中的$l=4$和$m=3$模.对于只考虑热效应的极限状态，详细讨论了对外球的力矩和纬向环流的剩余量。
2022-03-14 physics.flu-dyn
Effect of boundary conditions in turbulent thermal convection
本文报道了一项实验研究，旨在阐明边界条件（BC）在低温氦气高瑞利数$10^8 < {\rm{Ra}} < 3 \times 10^{12}$湍流热对流中的作用。我们在更接近恒定热通量（CF）的BC和施加于高传导底板的恒定温度（CT）之间切换，所述高传导底板具有30 cm大小的一个圆柱形单元的纵横比，导致在底板处测量的温度波动的温度概率密度函数和功率谱密度的显著变化，而顶板的动态热行为和整体对流保持不受影响。在我们的实验精度，我们发现没有明显的变化，雷诺数Re（Ra）缩放，在无量纲传热效率表示通过努塞尔数Nu（Ra）缩放，也不是在大规模循环的方向反转率。
2021-05-06 physics.flu-dyn
Physical Mechanism behind the Early Onset of the Ultimate State in Supergravitational Centrifugal Thermal Convection
Tsinghua University（清华大学）
通过实验和数值研究，发现残余重力诱导的Stewartson层与粘性边界层相互作用导致边界层失稳，从而在超重力离心热对流中提前触发从经典到终极状态的转变。
2026-05-29 physics.flu-dyn
Liquid oil painting: Free and forced convection in an enclosure with mechanical and thermal forcing
一个流体动力学视频链接到这篇文章，已提交给流体运动画廊的一部分，第65届美国物理学会会议的流体动力学分部，在圣地亚哥举行，加利福尼亚州，美国，2012年11月17日至20日。该视频用于可视化在矩形外壳中产生的流动，该矩形外壳通过共同的水平边界受到机械和热强制。该系统显示出与水平对流或盖驱动空腔流一致的特征，这取决于热搅拌和机械搅拌之间的比率，并且在链接的视频中显示了三种不同的情况。
2012-09-25 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
Mean Temperature Profiles in Turbulent Thermal Convection
为了预测湍流热对流中的平均温度分布，必须求解包含涨落影响的热边界层（BL）方程。在Shishkina等人的研究中，物理修订信函114（2015）中，对于大普朗特数流体，已经求解了将波动考虑为涡流热扩散率的热BL方程，对于大普朗特数流体，涡流热扩散率和速度场可以分别近似为与板的距离的三次函数和线性函数。在目前的工作中，我们利用普朗特的混合长度模型的想法，并与涡热扩散率的流函数。与此建议的关系，我们可以解决的热BL方程，并获得一个封闭的形式表示的无量纲平均温度分布的两个独立的参数的流体与一般的普朗特数。通过适当选择参数，我们对温度分布的预测与我们直接数值模拟的结果非常一致，普朗特数从0.01到2547.9，瑞利数从10^7到10^9。
2017-11-13 physics.flu-dyn
Complexity of viscous dissipation in turbulent thermal convection
利用直接数值模拟的瑞利数（$\mathrm{Ra}$）之间的$10^6$和$10^8$和单位普朗特数的湍流热对流，我们推导出的体积和边界层中的粘性耗散的标度关系。我们表明，相反的一般信念，总的粘性耗散在散装是更大的，虽然边际，比在边界层。体积耗散率与对数正态分布的流体动力学湍流相似，但与$(U^3/d)$相差$\mathrm{Ra}^{-0.18}$倍。边界层中的粘性耗散较少，但更强烈，呈拉伸指数分布。
2018-04-06 physics.flu-dyn
A Comparison of Turbulent Thermal Convection Between Conditions of Constant Temperature and Constant Flux
为了研究温度边界条件对湍流热输运的影响，本文报道了Rayleigh数达到$\Ra=10^{10}$的二维Rayleigh-Bénard对流的高分辨率直接数值模拟结果。具体来说，我们考虑了固定热通量（顶部和底部边界是不良热导体）和固定温度（完美传导边界）的极端情况。这两种情况下显示相同的热传输在高瑞利数拟合幂律$\Nu \approx 0.138 \times \Ra^{.285}$与$\Ra = 10^{7}$以上的$2/7 = .2857...$的标度指数难以区分。这两种情况下的整体流动动力学，特别是时间平均温度分布，在最高的瑞利数也是不可区分的。研究结果进行了比较，并与最近的三维模拟结果进行对比。
2008-11-03 physics.flu-dyn
Magnetic modulation of flow reversals in liquid metal thermal convection
本文通过实验和理论证明外部横向磁场可在低普朗特数液态金属准二维对流中诱导流动反转，并揭示Ra与Ha在临界点的线性标度关系及反转频率预测模型。
2025-11-10 physics.flu-dyn
The Persistent Clock of Turbulent Thermal Convection
研究揭示湍流热对流中大尺度循环具有持续内部钟摆特性，通过实验发现其脉动速度与参数U/(lf)相关，表明喷流脱落动力学与流体拓扑结构存在直接联系。
2025-12-12 physics.flu-dyn
Thermal Rayleigh-Marangoni convection in a three-layer liquid-metal-battery model
研究了浮力驱动的Rayleigh-Bénard对流（RC）和表面张力驱动的Marangoni对流（MC）在液态金属电池（LMB）简化模型中的联合作用.三层模型由液态金属合金阴极、熔盐分离层和顶部的液态金属阳极组成。对流由热电解质和较冷电极之间的温度梯度触发，这是操作期间电阻热释放的结果。我们提出了一个纯热传导状态的线性稳定性分析，结合三维直接数值模拟的非线性湍流演化的基础上的伪谱方法。在该结构中确定了五种不同的对流模式，它们部分相互耦合：上电极中的RC，熔盐层中的内部加热RC，熔盐和电极之间的界面处的MC以及中间层和下电极中的反对流。线性稳定性分析证实，在本装置中的附加Marangoni效应增加了线性不稳定模式的增长率，即Marangoni和Rayleigh-Bénard不稳定性一起作用在熔盐层中。临界Grashof数和Marangoni数随中间层厚度的增加而减小。对流的发病计算阈值被发现为现实的电流密度的实验室大小的LMB。全球湍流传热遵循缩放预测内部加热RC。在经典Rayleigh-Bénard情况下，全球湍流动量传递与湍流对流相当。
2017-05-28 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
Thermal convection in one, two, three and four dimensions
Indian Institute of Technology Roorkee（印度理工学院罗尔基分校）；New York University Abu Dhabi（纽约大学阿布扎比分校）；Indian Institute of Technology Kanpur（印度理工学院坎普尔分校）；New York University（纽约大学）
该研究通过直接数值模拟分析1至4维热对流的维度对流动特性的影响，探究了对流瞬态时间及对终极态的潜在影响，揭示了相关通用原理。
2026-09-02 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
The effect of Prandtl number on turbulent sheared thermal convection
在湍流壁面剪切热对流中，根据热强迫和壁面剪切的相对相关性，存在三种不同的流动状态。在本文中，我们报告了在固定瑞利数$Ra=10^6$的情况下，在$0 \leq Re_w \leq 4000$和普朗特数$0.22 \leq Pr \leq 4.6$范围内改变壁雷诺数，对这种剪切瑞利-贝纳德对流进行直接数值模拟的结果，扩展了Blass等人（2020）的先前工作，其中$Pr$保持不变，热强迫（$Ra$）变化。我们涵盖了广泛的散装理查森数$0.014 \leq Ri \leq 100$，并表明普朗特数强烈影响的形态和动力学的流动结构。特别是，在固定的$Ra$和$Re_w$，高普朗特数导致更强的动量传输从壁，因此产生更大的影响的流动结构上的壁剪切，导致增加的效果$Re_w$的努塞尔数。此外，我们分析了热和动力学边界层厚度，并将它们的行为与所得的流态。对于最大的剪切速率和$Pr$数，我们观察到的普朗特-冯卡门对数层的出现，在边界层的湍流动力学的发病信号。最后，我们的结果允许扩展Grossmann-Lohse理论的瑞利-Bénard对流的热传输剪切的情况下，普遍描述$Nu(Ra,Pr,Re_w)$。
2020-07-06 physics.flu-dyn
Vertical natural convection: application of the unifying theory of thermal convection
瑞利数$1.0\times 10^5$ - $1.0\times 10^9$和普朗特数$0.709$下垂直自然对流的直接数值模拟结果支持Grossmann-Lohse（GL）理论的普遍适用性，该理论最初是为水平自然（Rayleigh-B{é}nard）对流而开发的。根据GL理论，本文证明了垂直自然对流中速度场和温度场的边界层厚度服从类层流Prandtl-Blasius-Pohlhausen标度。具体地说，标准化平均边界层厚度与基于风的雷诺数的$-1/2$幂成比例，其中GL理论的“风”被解释为最大平均速度。远离壁，湍流波动的耗散，这可以被解释为“散装”或“背景”的GL理论的耗散，被发现服从Kolmogorov-Obukhov-Corrsin标度充分发展的湍流。与Rayleigh-B{é}nard对流不同，垂直自然对流中的重力方向平行于平均流。这种流动的方向提出了一个额外的挑战，因为不再存在一个确切的关系，链接归一化的全球耗散努塞尔，瑞利和普朗特数。然而，我们表明，未封闭的长期，即全球平均浮力通量，产生的动能，也表现出层流和湍流标度行为，与GL理论一致。目前的研究结果表明，类似于Rayleigh-B{é}nard对流，Nusselt，Rayleigh和Prandtl数之间的纯幂律关系不是垂直自然对流的最佳描述，现有的经验关系应重新校准，以更好地反映底层物理。
2018-06-20 physics.flu-dyn
Thermal boundary layer structure in low-Prandtl-number turbulent convection
本文通过在二维方箱中直接数值模拟瑞利数（$Ra$）到$10^9$的Rayleigh-Bénard对流，研究了Prandtl数（$Pr$）为0.021时热边界层的结构.在流动中的大规模流通分为三个不同的区域的水平板，我们观察到，当地的热BL厚度在羽流喷射区域大于那些在羽流的影响和剪切为主的地区。此外，局部BL宽度随着$Ra^{-β(x)}$减小，其中$β(x)$取决于板处的位置。我们发现，$β(x)$在冲击区和剪切区几乎相同，并且小于弹射区。因此，当地的BL宽度减少更快地在喷射区域比那些在剪切和冲击区域，我们估计，热BL结构将是均匀的整个水平板$Ra \geq 8 \times 10^{12}$在我们的低$Pr$对流。我们比较的热BL公司在不同的位置在板与普朗特-Blasius-Pohlhausen（PBP）的配置文件，并发现偏差无处不在的所有瑞利数。然而，如Zhou \& Xia（{ \it Phys. Rev. Lett.}，vol.104，2010，104301），与剪切和冲击区域中所有瑞利数的PBP分布很好地一致，而它们在喷射区域中仍然偏离。我们还发现，尽管随着$Ra$的增加波动越来越大，但低$Pr$对流中的热边界层是过渡性的，尚未完全湍流。
2021-01-08 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
Eddy thermal diffusivity model and mean temperature profiles in turbulent vertical convection
Department of Physics, The Chinese University of Hong Kong（香港中文大学物理系）
本文提出了一种空间依赖的涡旋热扩散系数模型，用于描述流体在不同温度垂直壁间湍流自然对流的平均温度剖面，通过该模型推导出解析结果，揭示了不同雷诺数和普朗特数下的温度剖面由两个通用尺度函数描述，且与直接数值模拟数据一致。
2026-02-20 physics.flu-dyn
Henri Bénard: Thermal convection and vortex shedding
本文介绍法国物理学家亨利·贝纳德（Henri Bénard，1874-1939）的工作，他开始了对两个流体动力学系统的系统实验研究：从下面加热的流体的热对流（瑞利-贝纳德对流和贝纳德-马兰戈尼对流）和流动中钝体后面的周期性旋涡脱落（贝纳德-卡门涡街）。在他的科学传记中，我们回顾了流体力学这两个主要学科中实验和理论之间的相互作用。
2017-12-19 physics.flu-dyn physics.hist-ph
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
Boundary layer structure in turbulent thermal convection and its consequences for the required numerical resolution
本文给出了在很宽的普朗特数范围内，湍流Rayleigh-Bénard对流中普朗特-Blasius型动力和热力边界层厚度的结果。通过求解层流Prandtl-Blasius边界层方程，我们计算了热力学和动力学边界层厚度之比，它只与Prandtl数Pr有关。对于$Pr\ll Pr^*$，它近似为$0.588Pr^{-1/2}$，对于$Pr^*\ll\Pr$，它近似为$0.982 Pr^{-1/3}$，带有$Pr^*= 0.046$。将普朗特-布拉修斯速度边界层厚度与Stevens、Verzicco和Lohse（J. Fluid Mech. 643，495（2010））直接数值模拟中评估的厚度进行比较，结果非常一致。基于Prandtl-Blasius型的考虑，我们推导出一个下限估计的最小数量的计算网格节点，进行精确的数值模拟中等高（边界层为主）湍流瑞利-贝纳德对流，在热和动力边界层接近底部和顶部的板。它示出，每个边界层内所需的节点的数量取决于Nu和Pr和增长的瑞利数Ra不慢于$\sim\Ra^{0.15}$。这一估计与基于数值模拟中Nusselt数收敛性的经验结果吻合得很好。
2011-09-30 physics.flu-dyn
Non-Boussinesq Rolls in 2d Thermal Convection
本文研究了二维圆形单胞内的对流。该系统在圆边缘上的两个完全相对的点处加热和冷却，这两个点平行于或反平行于重力。后者在细胞平面中的作用可以通过倾斜细胞来改变。当系统处于水平位置时，静止流体的温度分布可以得到一个非平凡的解析解;当系统稍有倾斜时，由于Boussinesq近似的不足，在完整的流体动力学描述中采用重力在单元平面上的投影作为扰动参数。一阶，方程求解的静止情况下，四个对称的轧辊变得明显，表明一个纯粹的导电状态是不可能的，如果重力-无论多么小-是本;一个近似封闭的解析表达式，它描述了四个对流辊。通过直接的数值积分进行进一步的分析。与初步观察的比较。
2013-08-23 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
Zero-gravity thermal convection in granular gases
以前的实验和理论证据表明，对流可能会出现在颗粒流体，如果受到热梯度和重力（瑞利-贝纳德型对流）。与此相反，我们在这里提出的证据无重力热对流的颗粒气体，没有外部热梯度的存在。在这里，由于耗散和相同温度下的热源，对流通过内部梯度保持稳定。颗粒气体由相同的圆盘组成，并被封闭在一个矩形区域内。我们的研究结果是通过一个事件驱动算法的非弹性硬盘。
2020-07-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
