Abstract The flow over a topography or a step is a fundamental problem in fluid dynamics with relevance to many fields and circumstances. In the present analysis direct numerical simulation (DNS) is used to examine the properties of the thermofluid-dynamic field in a square cavity with a heated obstruction located on the bottom. The involved dynamics include forced flow driven by injection of cold fluid through an orifice and the buoyancy convection of thermal origin, which naturally emerges in the considered cavity as a result of the prevailing temperature gradients. The relative importance of these mechanisms is assessed by considering different values of the Rayleigh number (spanning several orders of magnitude) and using a peculiar analysis hierarchy where selected effects are intentionally switched on or off depending on the targeted regime. In particular, first, attention is paid to pure thermogravitational convection driven by the presence of vertical and horizontal heated surfaces (the hot sides of the obstruction); then, the hybrid regime is examined where buoyancy convection is modulated by currents of forced flow for values of the Richardson number ≅ 1. We also explore the resulting patterning behavior for different thermal and kinematic boundary conditions (distinct thermal behaviors of the top wall and alternate positions of the inflow and outflow sections). For each case, the Nusselt number relating to the vertical and horizontal sides of the obstruction is evaluated and put in relation with the flow topology. The study is also supported by analysis of the frequency spectrum for the situations in which relatively chaotic states emerge.

中文翻译：

---

受阻致密空腔中的热引力和混合对流

摘要 地形或台阶上的流动是流体动力学中的一个基本问题，与许多领域和情况有关。在本分析中，直接数值模拟 (DNS) 用于检查方形腔体中热流体动力学场的特性，该腔体底部具有加热障碍物。所涉及的动力学包括通过孔口注入冷流体驱动的强制流动和热源的浮力对流，由于普遍的温度梯度，热源自然出现在所考虑的空腔中。这些机制的相对重要性是通过考虑瑞利数的不同值（跨越几个数量级）并使用特殊的分析层次结构来评估的，其中根据目标机制有意打开或关闭选定的效果。特别是，首先，关注由垂直和水平加热表面（障碍物的热面）的存在驱动的纯热重力对流；然后，检查混合状态，其中浮力对流由强制流动的电流调制，以获得理查森数 ≅ 1 的值。我们还探索了不同热和运动边界条件下产生的图案行为（顶壁和交替的不同热行为）流入和流出部分的位置）。对于每种情况，都会评估与障碍物的垂直和水平侧相关的努塞尔数，并将其与流动拓扑联系起来。该研究还得到了对出现相对混乱状态的情况的频谱分析的支持。注意由垂直和水平加热表面（障碍物的热侧）的存在驱动的纯热重力对流；然后，检查混合状态，其中浮力对流由强制流动的电流调制，以获得理查森数 ≅ 1 的值。我们还探索了不同热和运动边界条件下产生的图案行为（顶壁和交替的不同热行为）流入和流出部分的位置）。对于每种情况，都会评估与障碍物的垂直和水平侧相关的努塞尔数，并将其与流动拓扑联系起来。该研究还得到了对出现相对混乱状态的情况的频谱分析的支持。注意由垂直和水平加热表面（障碍物的热侧）的存在驱动的纯热重力对流；然后，检查混合状态，其中浮力对流由强制流动的电流调制，以获得理查森数 ≅ 1 的值。我们还探索了不同热和运动边界条件下产生的图案行为（顶壁和交替的不同热行为）流入和流出部分的位置）。对于每种情况，都会评估与障碍物的垂直和水平侧相关的努塞尔数，并将其与流动拓扑联系起来。该研究还得到了对出现相对混乱状态的情况的频谱分析的支持。