由湍流热对流驱动的基底熔化

存在对流时的熔化及相反的凝固过程，是许多地球物理问题的关键。与这些现象相关的一个基本问题涉及对（随时间演化的）熔化速率的估计，这与熔体流体内部的湍流对流动力学以及液-固界面的传热紧密相关。本工作中，我们考虑一个对流-熔化模型，作为 Rayleigh-Bénard 系统的推广而构建，以考虑固体的基底熔化。随着相变进行，流体层在系统受热底部生长，并最终达到湍流对流状态。通过采用控制方程的焓公式进行广泛的 Lattice-Boltzmann 数值模拟，我们在二维和三维构型中探究了该模型动力学。分析重点在于全局量（如热通量与动能）随 Rayleigh 数的标度关系，以及界面形貌和空间维度的影响。与维度无关，我们发现对流-熔化系统的行为与该 Rayleigh-Bénard 系统具有强烈的相似性，且热通量相较该情形仅有微弱增强。至少在一定程度上，这些相似性可由熔化前沿的缓慢运动（相对于湍流流体速度涨落）及其总体较小的粗糙度（相对于流体层高度）来理解。改变表征材料热力学性质的 Stefan 数似乎也仅产生温和影响，这意味着有可能从更便利的高 Stefan 数设置外推数值上棘手低 Stefan 数设置中的结果。