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Universal properties of penetrative turbulent Rayleigh-Bénard convection
Physical Review Fluids ( IF 2.5 ) Pub Date : 2021-06-21 , DOI: 10.1103/physrevfluids.6.063502 Qi Wang , Philipp Reiter , Detlef Lohse , Olga Shishkina
Physical Review Fluids ( IF 2.5 ) Pub Date : 2021-06-21 , DOI: 10.1103/physrevfluids.6.063502 Qi Wang , Philipp Reiter , Detlef Lohse , Olga Shishkina
Penetrative turbulence, which occurs in a convectively unstable fluid layer and penetrates into an adjacent, originally stably stratified layer, is numerically and theoretically analyzed. As example we pick the canonical Rayleigh-Bénard geometry, but now with the bottom plate temperature , the top plate temperature , and the density maximum around in between, resulting in penetrative turbulence. Next to the Rayleigh number Ra, the crucial new control parameter as compared to standard Rayleigh-Bénard convection is the density inversion parameter . The crucial response parameters are the relative mean midheight temperature and the overall heat transfer (i.e., the Nusselt number Nu). We numerically show (for Ra up to ) and theoretically derive that and are universally(i.e., independently of ) determined only by the density inversion parameter and succeed to derive these universal dependences. In particular, , which holds for below a -dependent critical value, beyond which sharply decreases and drops down to at . This critical density inversion parameter can be precisely predicted by a linear stability analysis. Finally, we numerically identify and discuss rare transitions between different turbulent flow states for large .
中文翻译:
穿透湍流瑞利-贝纳对流的普遍性质
渗透湍流发生在对流不稳定的流体层中,并渗透到相邻的、最初稳定分层的层中,进行了数值和理论分析。作为示例,我们选择规范的 Rayleigh-Bénard 几何,但现在使用底板温度, 顶板温度 , 以及周围的密度最大值 在两者之间,导致穿透湍流。除了瑞利数 Ra,与标准瑞利-贝纳德对流相比,关键的新控制参数是密度反演参数. 关键的响应参数是相对平均中高温度和总传热(即努塞尔数 Nu)。我们用数字表示(对于 Ra 高达) 并从理论上推导出 和 是普遍的(即,独立于) 仅由密度反演参数决定 并成功推导出这些普遍依赖。特别是,,这适用于 低于 -依赖临界值,超过该临界值 急剧下降并下降到 在 . 这个临界密度反演参数可以通过线性稳定性分析精确预测。最后,我们数值识别和讨论了不同湍流状态之间的罕见转变.
更新日期:2021-06-21
中文翻译:
穿透湍流瑞利-贝纳对流的普遍性质
渗透湍流发生在对流不稳定的流体层中,并渗透到相邻的、最初稳定分层的层中,进行了数值和理论分析。作为示例,我们选择规范的 Rayleigh-Bénard 几何,但现在使用底板温度, 顶板温度 , 以及周围的密度最大值 在两者之间,导致穿透湍流。除了瑞利数 Ra,与标准瑞利-贝纳德对流相比,关键的新控制参数是密度反演参数. 关键的响应参数是相对平均中高温度和总传热(即努塞尔数 Nu)。我们用数字表示(对于 Ra 高达) 并从理论上推导出 和 是普遍的(即,独立于) 仅由密度反演参数决定 并成功推导出这些普遍依赖。特别是,,这适用于 低于 -依赖临界值,超过该临界值 急剧下降并下降到 在 . 这个临界密度反演参数可以通过线性稳定性分析精确预测。最后,我们数值识别和讨论了不同湍流状态之间的罕见转变.