Transitions in turbulent rotating Rayleigh-Bénard convection
对无滑移和自由滑移边界条件下的旋转Rayleigh-Bénard对流进行了数值模拟。我们的目标是找到一个标准区分对流为主的科里奥利力从那些几乎不受旋转。如果使用热传递作为流动处于哪种状态的指示器，则发现对于两种边界条件，流动状态之间的过渡总是发生在雷诺数、普朗特数和埃克曼数的某个组合的相同值处。如果在另一方面，一个使用的螺旋度的速度场，以确定流动几乎独立于旋转，一个发现在参数空间中的一个不同的位置的过渡。
2010-06-21 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Convection rolls in a rotating box filled with beads
旋转框中珠子的意外行为。
2009-10-26 physics.flu-dyn
Diffusivity-Free Turbulence in Liquid Metal Rotating Rayleigh-Bénard Convection Experiments
本文针对行星和恒星对流的无扩散湍流终极状态实验研究受边界层扩散阻碍的问题，利用旋转液态金属的边界无关振荡热惯性模式实现无扩散标度，通过三重测量验证该状态并与模型定量一致，为天体物理系统对流预测提供验证。
2025-04-18 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Diffusion-free scaling in rotating spherical Rayleigh-Bénard convection
直接数值模拟揭示了三个明显不同的流动区域在旋转球Rayleigh-Bénard对流。在低纬度地区$\mathrm{I}$，在热的内球和冷的外球之间产生垂直（平行于旋转轴）对流柱。中纬度地区$\mathrm{II}$主要是由垂直排列的对流柱之间形成的北半球和南半球的外球。无扩散尺度，这表明体积占主导地位的对流，起源于这个中纬度地区。在赤道区域$\mathrm{III}$中，涡流受到外部球形边界的影响，并且比区域$\mathrm{II}$中的涡流短得多。在球形瑞利-贝纳德对流中，具有背景旋转的热驱动湍流被发现具有三个明显不同的流动区域的特征。无扩散标度表明热传递是以体积为主的，它起源于中纬度地区，在该地区，垂直排列的涡旋在外球的南北半球之间伸展。这些结果表明，在旋转对流的流动物理性质是定性的不同，在平面和球形几何。这一发现强调了研究球形几何中的对流对于更好地理解地球物理和天体物理流动现象至关重要。
2021-10-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Heat transport scaling and transition in geostrophic rotating convection with varying aspect ratio
我们提出了高精度的实验和数值研究的努塞尔数$Nu$的瑞利数$Ra$的功能在地转旋转对流与域纵横比$Γ$从0.4到3.8和埃克曼数Ek从$2.0{\times}10^{-7}$到$2.7{\times}10^{-5}$。热传输数据$Nu(Ra)$揭示了在大的$Ek$上从浮力主导的对流逐渐过渡到地转对流，而随着$Ek$的减小，过渡变得急剧。我们确定的幂律标度的$Nu{\sim}Ra^γ$，并表明，边界流引起显着增强的$Nu$在广泛的地转制度，导致小$Γ$细胞的标度指数$γ$的减少。目前的工作提供了新的见解，在地转对流的热传输标度，并可能解释以前的研究中观察到的差异。
2020-07-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Strong large scale magnetic fields in rotating convection-driven dynamos: the important role of magnetic diffusion
自然发电机，如行星和恒星产生全球规模的磁场，尽管推断存在小规模的湍流。这种系统被称为大型发电机，通常由对流驱动并受旋转影响。以往对旋转发电机的数值研究普遍发现，大尺度磁场随流动的湍流度增大而减弱。因此，维持所谓的大规模发电机所必需的基本物理过程仍然存在争议。在这里，我们使用一套数值模拟表明，强大的大尺度磁场可以在旋转对流湍流中产生，只要满足两个条件：（1）流动保持旋转约束;（2）磁扩散是重要的小对流长度尺度。这些发现与以前的渐近预测一致，并表明自然发电机可能满足这两个条件。
2022-02-09 physics.flu-dyn physics.geo-ph
The Breakdown of the Anelastic Approximation in Rotating Compressible Convection: Implications for Astrophysical Systems
本文对低普朗特数气体的天体物理学相关情况，提出了平面层几何中旋转可压缩对流的线性理论。当系统的旋转速率很大时，对于所研究的所有分层水平和经典（即，不可压缩）的临界参数的渐近标度律恢复。对于足够小的普朗特数，增加分层倾向于进一步不稳定的流体层，降低临界波数和增加对流不稳定的振荡频率。结合起来，这些影响增加的相对大小的时间导数的密度扰动包含在质量守恒方程到不可忽略的水平，由此产生的对流不稳定性发生在压缩准地转振荡的形式。我们发现，滞弹性方程，忽略了这一项，不能捕捉这些不稳定性，并拥有spuriously增长的本征模在快速旋转，低普朗特数制度。结果表明，快速旋转的可压缩对流的马赫数本质上是小的所有背景状态，无论从绝热偏离。
2014-12-05 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
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
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
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
Rigorous ultimate scaling in rapidly rotating steady convection
Graduate School of Engineering Science, University of Osaka（大阪大学工学研究科）
研究通过匹配渐近分析揭示快速旋转对流中单模解的标度律，发现特定波数下可实现无扩散终极标度，并具有对数修正。
2026-05-07 physics.flu-dyn
Robust wall states in rapidly rotating Rayleigh-Bénard convection
我们表明，使用直接数值模拟与实验可实现的边界条件，壁模式在瑞利-贝纳德对流在一个快速旋转的圆柱体坚持甚至非常远离他们的线性发病。这些非线性的壁状态中存在的湍流中的散装和鲁棒的容器的边界的形状的变化。在这个意义上，这些模式的行为很像拓扑保护的二维手征系统中存在的状态，即使旋转对流是一个三维非线性驱动耗散系统。我们认为，这种非线性模式的鲁棒性可能提供了一个强的带状流最近在高瑞利数的快速旋转对流的模拟和实验中观察到的解释。
2020-04-27 physics.flu-dyn
Bistability and hysteresis of dipolar dynamos generated by turbulent convection in rotating spherical shells
证明了旋转球壳中湍流对流磁流体动力偶极发电机的双稳态和磁滞现象。磁滞出现作为两个不同的制度之间的过渡偶极发电机具有相当不同的属性，包括轴对称极向场分量的幅度的显着差异，并在差分旋转的形式。的双稳态发生从发电机行动的发病高达约9倍的临界值的瑞利数的对流发病和在很宽的范围内的普通和磁普朗特数的值，包括值的统一。
2009-04-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Heat transport in the geostrophic regime of rotating Rayleigh-B{é}nard convection
本文报道了在具有纵横比$Γ= 1/2$的圆柱形对流单体中旋转Rayleigh-B{é}nard对流热输运的实验测量结果。流体是普朗特数Pr = 0.7的氦气。控制参数的范围是瑞利数$4 \times 10^9 < {\rm Ra} < 4 \times 10^{11}$和埃克曼数$2 \times 10^{-7} < {\rm Ek} < 3 \times 10^{-5}$（对应于泰勒数$4 \times 10^9 < {\rm Ta} < 1 \times 10^{14}$和对流Rossby数$0.07 < {\rm Ro} < 5$）。我们确定交叉弱旋转湍流对流旋转为主的地转对流，通过实验测量的归一化热传输Nu。在地转制度中的旋转状态的热输送，归一化的零旋转热输送，是一致的尺度的$({\rm RaEk}^{-7/4})^β$与$β\approx 1$。一个相图，封装旋转热对流的潜在地转湍流制度的测量。
2013-09-25 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
Suppression of wall modes in rapidly rotating Rayleigh-Bénard convection by narrow horizontal fins
研究通过在垂直壁面添加窄水平鳍片，有效抑制快速旋转 Rayleigh-Bénard 对流中的壁面模态，使壁面热通量贡献可忽略，为地转状态下旋转对流的实验研究扫清障碍。
2023-04-03 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
The onset of thermo-compositional convection in rotating spherical shells
在旋转球壳中，由热浮力和成分浮力驱动的双扩散对流可以表现出与单扩散系统不同的大量行为。为了了解热扩散系数和成分分子扩散系数的差异如何决定热成分对流的动力学，我们数值研究了双扩散设置中对流不稳定性的线性发作。我们构建了一个替代的等效配方的无量纲方程的线性化双扩散问题是由一个有效的瑞利数，$\text{Ra}$，测量的幅度相结合的浮力驱动，和第二个参数，$α$，测量混合的热和成分的贡献。这个公式是有用的，因为它允许几个极限情况下的分析，并揭示在参数空间中的动力学相似性，这是不明显的，否则。我们分析了在这个$\text{Ra}-α$空间中的临界曲线的结构，解释了在$α$中的渐近行为，惯性和扩散制度之间的过渡，以及大规模（快速漂移）和小规模（缓慢漂移）对流之间的过渡。我们进行这种分析的各种扩散率，旋转速率和壳的长宽比显示在何处和何时发生新的对流模式。
2019-07-02 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Prandtl number dependence of convection driven dynamos in rotating spherical fluid shells
普朗特数$P$的值对充满导电流体的旋转球壳中的对流驱动发电机产生强烈的影响。低普朗特数通过由差动旋转提供的剪切促进发电机作用，而磁场的产生在高普朗特数流体中更难以维持，其中需要更高的磁性普朗特数$P_m$值。发电机理论中经常使用的磁旋近似似乎只对相对较高的$P$和$P_m$值有效。具有最小值$P_m$的发电机似乎在对流柱存在下在$P$的适度低值下最容易实现。磁场的结构随着$P$的变化而变化，在$P$的高值时，发现具有强轴向偶极场的发电机，而在$P$的低值时，该分量的能量被轴对称环向场的能量和非轴对称分量的能量超过。本文讨论了由导电液核运动产生行星磁场的问题。
2009-10-23 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Regimes of thermo-compositional convection and related dynamos in rotating spherical shells
地球和行星内部的对流和磁场产生是由热梯度和成分梯度驱动的。本文对快速旋转球壳中充满不可压缩双组分导电流体的有限振幅双扩散对流和发电机作用进行了数值模拟。在最近的线性分析中确定了四种不同的旋转双扩散对流状态（Silva等人，2019年，地球物理学。占星术。流体动力学，doi：10.1080/03091929.2019.1640875）在不稳定开始后持续存在，而其状态转换仍然是突然的。在半对流和指状制度的特征流速是小的相比，在热和成分为主的翻转制度，而纬向流仍然很弱，除了热为主的所有制度。成分占主导地位的翻转对流表现出显着较窄的方位角结构相比，所有其他制度，而差分旋转成为占主导地位的流动成分，在热为主的情况下，驱动增加。发电机作用发生在除了指进对流以外的所有区域。虽然发电机坚持在半对流制度，他们是非常小的流量强度和非常弱的差分旋转在这个制度，使极向到环向场转换成问题。发电机在热占主导地位的制度，包括振荡的偶极，四极和多极的情况下，类似于从早期的参数研究。发电机的成分占主导地位的制度表现出柔和的时间变化，并保持主要是由于弱纬向流在这个制度的偶极。这些结果大大增强了我们对行星核心流和磁场的主要驱动因素的理解。
2020-04-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Interactions between two adjacent convection rolls in turbulent Rayleigh-Benard convection
本研究通过带隔墙的双立方腔体湍流Rayleigh-Bénard对流实验，结合基于温度湍流扩散的随机常微分方程模型，揭示了相邻对流卷同向/反向旋转态的稳定机制及自发切换规律，表明宏观热扩散率同时调控卷间相互作用。
2023-06-12 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
Connecting wall modes and boundary zonal flows in rotating Rayleigh--Bénard convection
使用直接的数值模拟，我们研究旋转瑞利-贝纳德对流在一个圆柱形细胞的瑞利，埃克曼，普朗特数从壁模式的发病到地转制度，一个非常重要的地球物理和天体物理背景下的广泛范围。我们通过长度和时间尺度的连续性和对流热传输的边界纬向流，与湍流体对流在地转制度共存的散装对流发病前发生的线性壁模式状态。我们定量崩溃漂移频率，边界长度，和热输运数据从众多来源在许多数量级的瑞利和埃克曼数。阐明壁面模式和边界纬向流的热输运贡献对于表征有限物理容器中旋转对流的地转制度的性质至关重要，并且对于将实验室对流的地转制度与地球物理和天体物理系统连接起来至关重要。
2021-09-13 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
Scaling regimes in spherical shell rotating convection
旋转球壳中的瑞利-贝纳德对流可以被认为是许多天体物理和地球物理流体流动的简化模拟。在这里，我们使用三维直接数值模拟来研究这个物理过程。我们构建了一个数据集的200多个数值模型，涵盖了广泛的参数范围与Ekman数跨越$3\times 10^{-7} \leq E \leq 10^{-1}$，瑞利数范围内$10^3 < Ra < 2\times 10^{10}$和普朗特数单位。我们调查的标度行为的本地（长度尺度，边界层）和全球（努塞尔和雷诺数）的属性在各种物理制度从开始的旋转对流弱旋转对流。接近临界时，对流由粘性、科里奥利力和浮力之间的三重力平衡主导。对于更大的超临界，我们的数值数据的一个子集的渐近无扩散性标度旋转对流$Nu\sim Ra^{3/2}E^{2}$在一个狭窄的分数的参数空间界定的$6\,Ra_c \leq Ra \leq 0.4\,E^{-8/5}$。使用分解成散装和边界层的贡献的粘性耗散率，我们建立了一个理论缩放的流速，准确地描述了数值数据。在快速旋转的湍流对流中，流体体积由科里奥利、惯性和浮力之间的三重力平衡控制，而耗散的其余部分可以归因于埃克曼层中的粘性摩擦。超过$Ra \simeq E^{-8/5}$，对流流动的旋转约束逐渐失去，流动特性发生变化，以匹配旋转主导和非旋转对流之间的状态变化。量$Ra E^{12/7}$为分离旋转和非旋转对流提供了精确的过渡参数。
2016-10-06 astro-ph.EP astro-ph.SR 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
Helical distributed chaos in rotating turbulence and convection (with applications to geomagnetic dynamo)
利用螺旋分布混沌的概念研究了螺旋度分布矩在旋转湍流中的作用。直接数值模拟、室内实验和地球物理观测的结果已被用于本研究。它示出，特别是，即使在全球螺旋度等于零的情况下，至少偶矩通常是非零的（由于外观的局部空间区域具有较强的负和正螺旋度），并可以发挥重要的作用，在旋转湍流绝热不变量。旋转浮力驱动的热对流（瑞利-贝纳德和瑞利-泰勒，前者也用于磁流体力学）也进行了研究，并在这方面讨论了这种方法的应用，大质量恒星的对流区和地磁发电机。
2021-11-02 physics.flu-dyn
Direct numerical simulations of optimal thermal convection in rotating plane layer dynamos
本文研究了两平行平板间旋转平板层内对流驱动发电机的传热特性。在固定的旋转速率（Ekman数，$E=10^{-6}$）和流体性质（热和磁普朗特数，$Pr=Pr_m=1$）下，分别进行发电机对流（DC）和非磁旋转对流（RC）模拟，以标定不同热强迫（Rayleigh数，$Ra=3.83\times10^{9}-3.83\times10^{10}$）下磁场对热输运的影响。在这个范围内，我们的湍流解决模拟表明存在一个最佳的热强迫，在DC板之间的传热表现出最大的增强，相比，在RC模拟的热传输。与文献中报道的任何全局力平衡不同，本模拟揭示了\textit{thermal boundary layer}中洛伦兹力的增加，这是由于无滑移边界条件下壁附近的涡流拉伸了磁场线。这种洛伦兹力的增加减轻了由于科里奥利力引起的湍流抑制，导致增强的湍流和热传递
2021-10-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Mean flow generation in rotating anelastic two-dimensional convection
我们调查的过程，导致在二维滞弹性对流的平均流的产生。简单的模型由一个平面层组成，该平面层绕着与重力倾斜的轴旋转。结果是双重的：首先，我们数值研究了三维对流的发生，特别注意分层的作用，并突出了一个奇怪的对称性。其次，我们调查的机制，驱动纬向和纬向流在两个维度。我们发现，在一般情况下，非平凡的雷诺应力可以导致系统的流量，并使用统计措施，我们量化的分层修改这些流量的连贯性的作用。
2016-02-26 physics.flu-dyn
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
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
Eye Formation in Rotating Convection
我们考虑旋转对流在一个浅的，圆柱形的域。我们研究的条件下，由此产生的涡流发展的眼睛在其核心，也就是说，一个区域的极向流逆转和角动量低。为了简单起见，我们限制自己在Boussinesq流体定常，轴对称流动。我们的数值实验表明，在这样的系统中，眼睛的形式作为一个被动的响应，所谓的眼壁，一个锥形的环形强烈的，负的方位角涡，可以形成附近的轴和分离的眼睛从主涡的发展。我们还观察到，眼壁中的涡量来自较低的边界层，并依赖于极向流将负涡量从边界层中剥离出来，并在流体在轴附近向上转动时将其带入上方流体的事实。只有当雷诺数足够高，使涡量平流超过扩散时，这个过程才有效。最后，我们观察到，在附近的眼睛和眼壁，浮力和科里奥利力是可以忽略不计的，所以，虽然这些力量是至关重要的驱动和塑造的主要涡，他们没有发挥直接作用，在眼睛的形成在Boussinesq流体。
2016-08-15 physics.flu-dyn physics.geo-ph
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
Melting driven by rotating Rayleigh-Bénard convection
本文用数值方法研究了在绕垂直轴旋转的流体对流层上的纯固体水平层的熔化。在这里研究的旋转制度，与瑞利数的顺序$10^7$，对流的形式，柱涡，其数量和大小取决于埃克曼和普朗特数，以及几何形状-周期性或限制。随着Ekman数和Rayleigh数的变化，涡的数量和平均面积成反比变化，随着Ekman数的减小，涡变细，数量增多。涡流将热量传递到相边界，从而控制其形态，其特征在于在固体中形成的空隙的数量和尺寸，以及整体熔融速率，当下边界由无滑移而不是无应力速度边界条件支配时，整体熔融速率增加。此外，形成的空隙的数量和尺寸对Stefan数相对不敏感，此处Stefan数与熔化的潜热成反比。对于Stefan数的小值，流体中的对流达到缓慢演变的地转状态，其中柱状涡旋以近似恒定的速率从下边界传输几乎所有的热量以熔化固体。在这种准稳态下，我们发现，努塞尔数，表征热通量，随界面粗糙度，所有的流动参数和Stefan数在这里考虑。这种过程的汇合应影响处理移动边界问题，特别是那些在天体物理和地球物理问题的旋转效应是重要的。
2021-04-12 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Heat Flow and Boundary Heterogeneity in Rotating Convection
类地行星金属内核中的对流很可能会受到上覆硅酸盐地幔中蠕动流所施加的外边界热通量的横向变化的影响。边界异常可以显着影响全球诊断的核心对流时，瑞利数，$Ra$，是弱超临界的，但是，很少有人知道的强超临界制度适合行星。我们进行数值模拟的快速旋转对流的球壳几何形状，并施加两种模式的边界热流异质性：半球形的$Y_1^1$球谐模式;和一个来自地震层析成像地球的下地幔。我们认为Ekman数$10^{-4} \le E \le 10^{-6}$，通量为基础的瑞利数达到$\sim800$倍临界，和普朗特数单位。热通量横向变化的幅度用$q_{\rm L}^*=0, 2.3, 5.0$表示，即外边界热通量的峰间幅度除以其平均值。我们发现，努塞尔数，$Nu$，可以增加高达$\sim25$ \%相对于等效均匀的情况下，由于边界诱导的径向速度和温度异常之间的相关性的顶部附近的壳。随着边界不均匀性的幅度和长度尺度的增加以及系统变得更加超临界，$Nu$增强趋于变得更大。这种$Ra$依赖性可以使旋转主导区域中的$Nu \propto Ra^γ$标度变陡，对于我们最极端的情况，$γ$大约大于等效的均匀标度$20\%$。因此，在将数值结果外推到行星条件时，考虑边界不均匀性可能很重要。
2017-08-31 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Thermovelocimetric Characterization of Liquid Metal Convection in a Rotating Slender Cylinder
本研究采用新型热测速技术表征细长圆柱内液态镓的旋转Rayleigh-Bénard对流，发现低超临界度下的m=2大尺度涡旋结构，提出壁模态与主体流作用的形成机制，为低普朗特数旋转对流湍流耦合效应提供新见解。
2024-10-04 physics.flu-dyn
One dimensional models for supercritical and subcritical transitions in rotating convection
本文针对旋转Rayleigh-Bénard对流，提出适用于刚性和自由滑移边界条件的一维模型，用以描述稳态亚临界与超临界转变，并通过三维直接数值模拟验证了其在参数空间广泛区域内的定性一致性。
2024-03-29 nlin.AO nlin.PS 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
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
Rotating Turbulent Thermal Convection and Solar Differential Rotation
旋转流体的膨胀将改变膨胀区域的涡量和转速。在湍流热对流中，这种微观效应得以保留。对流体胶束的跟踪表明，平均涡量随密度变化，产生从低密度区到高密度区的涡量输运和角动量输运，形成宏观涡量差和转速差。取太阳极区的轴向热对流模型，可以产生轴向差旋转，轴向差旋转产生的离心力差驱动纬向环流，将角动量输离旋转轴，形成纬向差旋转。流体胞的旋转产生额外的压力并改变对流准则。太阳对流层的温度梯度比非旋转流体模型中的温度梯度大，是太阳差动旋转的能量来源。
2023-01-01 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Velocimetry in rapidly rotating convection: spatial correlations, flow structures and length scales
旋转Rayleigh-Bénard对流是一个经常使用的模型系统，用于评估由于旋转引起的浮力和Coriolis力的相互作用，这是许多地球物理和天体物理流动中发现的动力学效应的显著相关相互作用。这些流量显示极端值的管理参数：大瑞利数$Ra$，量化的热力强迫的强度，和小埃克曼数$E$，一个参数成反比的旋转速率。这导致了在压力梯度和科里奥利力之间的流动中占主导地位的地转平衡。由于要求同时获得大的$Ra$值和小的$E$值，所以难以用实验室实验和数值模拟来研究旋转对流的所谓地转区。在这里，我们使用流量测量，使用立体粒子图像测速在一个大规模的旋转对流装置在一个水平面中的中等高度，研究丰富的流动现象的地转制度的旋转对流。我们量化的垂直速度和垂直涡度的空间相关性的流量的水平长度尺度，再现的对流泰勒柱和羽流状态的地转制度的两个部分的功能。此外，我们发现在这个水平面上的组织成一个四极涡在较高的瑞利数从羽状状态。
2021-11-03 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
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
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
Prandtl-, Rayleigh-, and Rossby-number dependence of heat transport in turbulent rotating Rayleigh-Benard convection
实验和数值数据的传热作为一个功能的瑞利，普朗特，和Rossby数在湍流旋转瑞利-贝纳德对流。对于相对小的$Ra ~ 10^8$和大的Pr，适度的旋转可以将传热提高高达30%。在较大的Ra有较少的传热增强，并在小Pr = 0.7。根本没有传热增强。我们认为，小Pr的行为是由于故障的传热增强Ekman泵，因为更大的热扩散。
2008-11-04 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
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
Mixed convection above a rotating disk
本文研究了半无限流体中旋转的水平圆盘上的混合对流，当圆盘被加热时，圆盘的温度随离中心的距离成二次方变化。稳态相似性解决方案的两个无量纲参数，普朗特数和Grashof数的值的范围内。在小和大普朗特数的限制下进行的渐近分析证实了结果。在有限Prandtl数下，证明了在固定Grashof数下多解的存在性.稳定的解决方案的相似结构失败超过一个临界Grashof数，这是解释在有限时间奇异的非定常形式的控制方程。
2012-11-16 physics.flu-dyn
Subcritical convection of liquid metals in a rotating sphere using a quasi-geostrophic model
我们研究了在一个快速旋转的球体与内部加热的普朗特数有关的液态金属（$Pr\in[10^{-2},10^{-1}]$）的值的非线性对流。我们使用的数值模型的基础上准地转近似，其中沿旋转轴的轴向涡度的变化被忽略，而温度场是完全三维的。我们确定了两个独立的分支对流接近发病：（一）一个众所周知的弱分支的埃克曼数大于$10^{-6}$，这是连续的发病（超临界分叉），由热Rossby波，及（ii）一个新的强分支在较低的埃克曼数，这是不连续的发病。对于$10^{-8}$量级的Ekman数，强分支成为次临界分支。在强分支上，流动的雷诺数大于$10^3$，并且发展出具有多个射流的强带状流动，甚至接近于对流的非线性开始。我们发现，次临界放大减少普朗特数。对于中间埃克曼数，两个分支可以共存，导致滞后（$Ek=10^{-6}$、$Pr=10^{-2}$）。在对流开始附近观察到$Ek=10^{-7}$和$Pr=10^{-1}$的非线性振荡。
2016-11-28 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
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
